基于UG/POWERTRAIN动力总成包络分析在发动机舱布置中的应用

【摘要】为了在有限的发动机舱内合理的布置动力总成，需要确定动力总成的动态包络空间。根据动力总成悬置系统的工作特性,在Adams/View中建立考虑悬置刚度非线性的仿真模型,结合GMW14116标准的28载荷工况对其进行加载,输出动力总成在稳态下的特定三点的运动位移,编写动力总成运动文件,并根据此文件在UG/POWERTRAIN模块中生成运动包络体，得到的动态包络体可以应用到开发前期的整车发动机舱集成工作中，为动力总成周围部件的布置提供指导依据。

关键词动力总成悬置系统包络分析

前言

在日趋紧凑布置的汽车发动机舱内，动力总成在悬置系统的支撑下会因各种不同工况下的冲击振动而产生位置改变，从而导致与周边其他子系统零件之间的干涉，这种干涉可能引发严重的后果。如何在形状复杂的动力总成与周边各部件之间预留出合理的设计间隙，是汽车总体布置设计中的一个重要问题，随着汽车发动机舱内各种装置数量的明显增加，单纯依靠经验调整布置间隙的设计方法已经不能满足越来越高的工程要求利用仿真技术开展动力总成与相关部件之间的动态干涉检查，可以在产品设计初期就比较准确和快速地对可能存在的各部件之间的动态干涉进行校验，从而避免后期的开发风险。

本文以CN200车型的动力总成悬置系统为研究对象，将动力总成简化为刚体，考虑悬置系统的非线性特性，利用Adams／View模块，建立动力总成悬置系统的动力学模型，分析GM28种载荷工况^[1]下动力总成的稳态位移，并通过UG／PWOERTRAIN模块使用三点式定位法生成动力总成的运动包络体，包络体的正确性通过整车试验得到验证。

1三点式定位法介绍

三点式定位^[2]是生成动力总成包络的常用方法。

以动力总成质心点为基点，在动力总成上在取两个点，通过ADAMS仿真分析得到不同工况下这三个点的坐标值。在UG装配环境下，将动力总成数模中的这三个点分别与各不同工况中对应点配合，便可获得动力总成在不同工况下的位置。首先在动力总成数模上获得静载下动力总成的质心点、与保持质心点X,Z坐标不变，y轴增加100得到第二点，保持质心坐标Z不变，X、Y坐标增加100得到第三点。这三个点想成的平面即构成了三点式定位的初始参考元素，如图1所示（由于加载困难，图1中以发动机缸体代替了发动机总成），图中由三个点组成绿色三角形表示动力总成静载下的初始位置，紫色三角形代表了工况10时动力总成的位置，而红色三角形的位置则代表了工况18时动力总成的位置，其他工况这里不一一列举。很显然，由三点组成工况位置三角形平面既包含了位移变动信息也包含了角度变动信息。

图1 三点式定位法说明

2 动力总成悬置系统的数学模型

进行动力总成的振动控制设计时，将动力总成视为刚体，由n个(n≥3)悬置支承在车架、副车架或车身上，悬置简化为沿3个垂直的弹性主轴方向(u、v和w方向)具有刚度和阻尼的元件(见图1)^[3]。

图2 汽车动力总成悬置系统

动力总成在前舱中的运动可以分为3个方向的平动和三个方向的转动的组合。在动力总成坐标系OeXeYeZe中可以表示为沿XeYeZe三个坐标轴的平动X_ed、Y_ed、Z_ed及转动θ_ex、θ_ey、θ_ez.在整车坐标系中Ov-XvYvZv中可以表示为沿XYZ三个坐标轴的平动X_vd、Y_vd、Z_vd及转动θ_vx、θ_vy和θ_vz。o_i一x_iy_iz_i为悬置i沿弹性主轴方向建立的局部坐标系，3个方向的刚度分别表示为kui、kvi、kwik.通常ku、kvi、kwi。为非线性，如图2所示。

图3 悬置非线性曲线

在整车坐标系下，将动力总成视为刚体，其动力学方程可表示为^[4]:

式中：a_xi为悬置i在整车坐标系中x值；a_yi为悬置i在整车坐标系中y值；a_zi为悬置i在整车坐标系中z值。

动力总成质心Op的位移可以用矢量q来表示：

式中：Ki为悬置的刚度矩阵。

同理可得到其余悬置的刚度矩阵，假设悬置个数为n，则总刚度矩阵K可以表示为：

上述为动力总成悬置系统的动力学分析方程式推导过程，在实际分析过程中可以使用成熟的多刚体动力学分析软件Adams进行建模与求解，可以简化计算过程与提高求解精度。

3 动力总成悬置系统仿真建模

3.1  参数获取

建立仿真模型时需要确定动力总成的质量及质心位置、悬置的安装位置与静刚度等参数。

首先通过三线摆设备测得动力总成的质心和转动惯量，然后根据动力总成在发动机坐标系下的质心坐标和质心坐标系下的转动惯量及两者在整车下的布置位置，利用Adams软件，可以很方便的实现动力总成转动惯量从质心坐标系到整车坐标系的转化，当然还需要在把发动机坐标系下的质心位置转换到整车坐标系下，这一步可以借助UG/CATIA等三维建模软件。

悬置的安装位置可由悬置系统的弹性中心在整车坐标系下的坐标确定，同时测量出悬置的弹性主轴与整车坐标轴的角度。悬置的静刚度曲线可通过试验台对悬置沿弹性主轴方向连续加载，确定出悬置在各弹性主轴方向承受拉伸力及压缩力时悬置的变形与加载力之间的关系曲线。一般来说在设计之初，悬置的静刚度曲线是根据一定的工况及位移限制设计出来的。

3.2 仿真模型建立

在ADAMS软件中的VIEW模块中建立动力总成模型。把动力总成简化成一个具有六自由度的刚体，它通过悬置支撑在车架上，悬置被视为具有三向刚度的弹性阻尼组件。输入刚体的质量和转动惯量，悬置的硬点位置，可做出如下图所示悬置系统动力学模型。

图4 悬置系统ADAMS模型

在输入悬置元件刚度时，如果在悬置硬点位置建立bushing,那么悬置元件只是具有线性的刚度。因此，必须在悬置硬点处建立三向力才能真实的模拟悬置元件的非线性特性。

在ADAMS中依据整车坐标系建立动力总成的三个硬点位置，每个硬点处建立三向力。对三向的每个分量输入样条曲线拟合出来的公式。

3.3 悬置元件刚度曲线处理

模型中忽略了悬置的阻尼特性。为考虑悬置刚度的非线性特性，使用三向力Force-Vector简化发动机悬置及变速器悬置，使用单向力S-Force简化后拉杆悬置，非线性刚度曲线设计出来以后，需要借助其他工具进行拟合以后才能导入到ADAMS中进行28种工况计算。曲线拟合可以采用matlab曲线拟合功能实现（见图）。后期悬置制造出来后，也可以把实测得到的刚度曲线数据按上述方法拟合^[5]。

图5 悬置某一方向的非线性刚度曲线

拟合得到的三个轴向的力函数样条曲线公式（见图5）可以直接代入ADAMS中三向力函数中。

图6 拟合后样条曲线公式

4 仿真计算

根据图4建立的ADAMS动力学仿真模型，可以对动力总成的28工况下的运动姿态进行计算，动力总成的加载载荷包括沿整车坐标系X、Y、Z3个方向的力及绕y方向的加载力矩组成。3方向力施加在质心位置，力矩也施加在质心处。28工况下载荷大小如表1所示。对每种工况进行仿真分析前，只需修改三个轴向的组合作用即可，以工况4发动机输出最大扭矩下汽车向前工况为例，动力总成在XYZ三个方向上得惯性加速度分别为0.5g、0、-1g，在绕曲轴旋转方向加载一发动机最大扭矩WOT。

表128工况载荷

按工况载荷的要求逐次更改三向力及力矩的数值进行仿真计算，得到28工况下动力总成上三点坐标变动值如表2

表2 动力总成在28工况下三点坐标变动值

5 数据分析及处理

在UG软件的GPDL-A模块中有一POWERTRAIN分模块，在此模块下面还有一子模块Engine Displace.利用其中的一个范例模板文件displace.h00l67gf,把表3的数据替换掉原文件中的数据，得到CN200动力总成包络计算输入文件如图7所示，需要注意的是该文件中三个点的数据是参照发动机坐标系输入的。

图7 动力总成包络计算输入文件

6 动态包络生成和应用

在做发动机舱总布置时，总布置工程师在整车坐标系X方向主要考虑动力总成与散热系统、前围板及汽车发生正面碰撞时的干涉情况；Y方向布置主要考虑动力总成与纵梁及装配时的干涉情况，Z向的发动机舱布置则主要考虑离地间隙及动力总成与发动机盖内板的干涉情况，同时还要考虑行人保护的要求。因此总布置工程师给出的运动件与固定件的间隙要求一般为25mm,如果小于这个值，必须进行动态间隙检查。

在UG/POWERTRAIN模块中调入图7中生成的文件，即可生成28种工况下动力总成包络体，也可根据选择选取位置变动最大的几个工况来进行干涉校核，从表3的数据进行分析可以看出，X方向的最大位移出现在第10低速前碰工况中，而Y方向的最大位移出现工况15中，而Z方向的最大位移则出现在工况12（大点坑路）中，这些工况时需要重点校核的工况，以下是两个应用实例：

6.1 发动机支架与大梁间隙校核

从图7中来看发动机支架与大梁的静态间隙为20mm,小于经验值25mm,需要进行动态间隙检查，此时可知是Y向的最大位移影响最大，在UG中根据工况15的三点坐标数据生成的动态包络见图8右图中灰色状态零件，此时测得动态间隙为14.5mm.可知在最恶劣的工况下不会出现干涉情况，间隙满足要求。

图8 发动机支架与车架大梁静态间隙校核

6.2 变速器与转向横拉杆支架间隙校核

从图9可知变速器与专项横拉杆支架的静态工况下的间隙为21mm,已经小于经验值25mm的要求，需要进行动态校核，此时显然可以判断应该校核X向位移变化最大的工况，根据工况11最大后撞工况生成变速器包络面，此时测得两者之间的动态间隙为12.5mm，可以判断不会产生干涉情况，满足要求。

图9 变速器与转向横拉杆支架间隙校核

7 结论

本文根据动力总成悬置系统的运动特性，在动力学分析软件Adams中建立了仿真模型，此模型充分考虑了悬置刚度的非线性特性。并根据GM28工况要求对动力总成仿真模型进行加载，得到了稳态环境下三个定位点的运动位移，然后根据位移结果编写动力总成的运动文件，将运动文件输入UG／POWERTRAIN模块生成了动力总成的动态包络体。最后用几个实例说明了动力总成包络在动态间隙检查中的可用性。

参考文献：

[1]Specification for 261Powertrain Mounts :Body- Frame-Integral Subsystems GMW14116 [S]. North AmericanEngineering Standards，December2006.

[2]尹鹏和汽车动力总成动态工况分析及结果应用[D].上海交通大学硕士学位论文，2009.2

[3]吕兆平，能量法解耦在动力总成悬置系统优化设计中的运用[J], 汽车工程。2008（6）

[4]张乐栋等. 动力总成运动分析在整车前舱集成中的应用[J]上海汽车 ,2011,7:5-8.

[5]韦宝侣，吕兆平动力总成悬置系统运动包络及工况载荷计算方法[J],装备制造技术 2012（6）