动力总成悬置系统匹配设计方法及规范--北汽...

动力总成悬置系统匹配设计方法及规范编制:赵涛审核:批准:部门:研究院乘用车所单位:北汽福田汽车股份有限公司1一、悬置系统主要作用.....................................1二、元件的主要种类.......................................1三、悬置系统的设计指标...................................2四、悬置系统设计参数的输入...............................31、动力总成的惯性参数...........................................32、动力总成悬置系统的位置数据...................................43、动力总成悬置系统的刚度数据...................................44、变速器的各挡速比和主减速比...................................55、发动机的其他参数.............................................56、动力总成悬置系统及周边的相关数模.............................5五、总成悬置系统的解耦设计及固有频率的合理配置...........51、解耦设计的原因...............................................52、固有频率的合理配置...........................................63、悬置系统解耦特性和固有频率的计算方法.........................64、解耦和固有频率的合理配置的评价方法...........................95、悬置系统解耦计算和固有频率配置的目的.........................9六、悬置系统的工况计算..................................10七、悬置支架设计........................................12八、置系统设计时应遵循的主要规范........................12九、结语................................................162一、悬置系统主要作用发动机悬置是指专门设计制造的可以作为一个独立系统进行装备使用的安装在发动机与汽车底盘之间，以隔离（减少）发动机振动能量向周围环境的传播和影响为目的的隔振系统。合理设计和使用发动机悬置，可以明显降低动力总成及车体的振动水平，减少系统传递给车体的激振力，以及由此激发的车身钣合金和底盘相关零件的振动和噪声，从而明显提高车辆的耐久性和乘坐舒适性。悬置系统的主要作用如下：1、固定并支承汽车动力总成；悬置首先是一个支撑元件、它必须能支承发动机总成的重量，使其不至于产生过大的静态位移而影响正常工作。从支承的角度考虑，要求悬置刚度越高越好；从隔振的角度考虑，要求悬置的刚度越低越好。因此悬置要有合适的刚度。2、限位作用发动机在受到各种干扰力（如制动、加速或其他动载荷）作用的情况下，悬置能有效的限制其最大位移，以避免发生与相邻件的碰撞与干涉，确保发动机能正常工作。衰减作用于动力总成上的一切动态力和对车身造成的冲击。3、隔振降噪作用承受和衰减动力总成内部因发动机不平衡旋转和平移质量产生的往复惯性力、力矩和不平衡扭矩；隔离发动机激励而引起的车架或车身的振动。4、隔离由于路面不平度以及车轮所受路面冲击而引起的车身振动向动力总成的传递。二、元件的主要种类橡胶悬置是一种传统的隔振元件，它的结构和工作原理较为简单，将橡胶硫化到一定结构的金属骨架上就形成了橡胶悬置，其中金属骨架的作用主要是作为悬置的连接部分，同时可以防止橡胶悬置发生过大的变形，橡胶可以提供刚度和内摩擦阻尼来衰减振动。由于橡胶悬置结构简单，制造方便，价格低廉，并且具有相当的隔振减振性能，目前在NVH性能要求较低的车辆上仍有较为广泛的应用。橡胶悬置的主要种类如下：1剪切型衬套型压缩型图1橡胶悬置的各种种类在动力总成前置前驱的车辆上还采用一种双衬套结构的悬置，其结构图如图2所示。这种悬置在国外车辆上应用比较普遍，它的英文名称为torquestrut。这种悬置主要用于控制发动机沿曲轴线的摆动振动，不承受动力总成的静态载荷，因此需要将其布置在动力总成的运动轨迹的切线方向上。这种悬置成对使用时，布置在动力总成两侧，有时也只采用一个悬置水平布置在动力总成的后底侧或垂直布置在动力总成的前侧。液压悬置相对于橡胶悬置其结构较为复杂，一个典型的液压悬置的基本结构如图3所示。它主要有连接螺栓、橡胶主簧、上液室、下液室、解耦膜、惯性体通道等几部分组成。图2torquestrut图3液压悬置结构简图三、悬置系统的设计指标悬置系统在设计中要满足以下指标：2悬置系统要约束动力总成的位移在合理的范围内，各个悬置的变形分布在合理的范围内。动力总成位移在各工况下限制设计为：X:±10mm；Y:±10mm；Z:±15mm，转角正负3度。悬置系统六方向的固有频率设计值为5—20Hz，不同的方向有具体要求。对于悬置支架固有频率大于1.4倍的发动机最高二阶频率。对于悬置支架刚度大于20倍的软垫刚度。动力总成与周围零部件的间隙的设计值大于20mm悬置系统尽量做到解耦布置，推荐值为：垂向和侧滚两个方向要求大于85%，其他要求大于60%。四、悬置系统设计参数的输入1、动力总成的惯性参数动力总成的惯性参数包括动力总成的质量、质心位置以及动力总成的转动惯量10个数据。质心位置的描述采用发动机坐标系，发动机坐标系的定义：坐标原点O为发动机缸体后端面和发动机曲轴中心线的交点，x轴正向为过O点平行与曲轴中心线指向发动机前端，z轴正向为过质心点平行于气缸中心线垂直向上，y轴正向根据右手定则确定，如下图示：转动惯量的描述采用动力总成质心坐标系下。质心坐标系定义如下：坐标原点O为动力总成的质心，坐标方向和发动机坐标系相同，如下图所示：3动力总成的惯性参数如表1所示：表1动力总成的惯性参数转动惯量（kg*mm2）质量（kg）质心位置（mm）IXXIYYIZZIXYIYZIZX动力总成惯性参数的测定可采用三线摆法测定，误差要求在5%以内。2、动力总成悬置系统的位置数据动力总成的位置数据包括所有悬置弹性中心的位置及布置倾角、发动机坐标原点位置、变速箱输出轴的位置。所有坐标均采用整车坐标系。其中位置参数表如表2所示：表2动力总成悬置系统的位置数据悬置1悬置2悬置3悬置4XmmXmmXmmXmmYmmYmmYmmYmmZmmZmmZmmZmm发动机坐标位置变速箱输出轴位置XmmXmmYmmYmmZmmZmm3、动力总成悬置系统的刚度数据动力总成悬置系统的刚度参数为各个悬置的三向刚度，刚度参数采用悬置自身的坐标系。坐标原点为悬置的弹性中心，三个方向为悬置的弹性主轴方向（p、q、r）。参数表如下所示：表3动力总成悬置系统的位置数据悬置1悬置2悬置3悬置4kpN/mmkpN/mmkpN/mmkpN/mmkqN/mmkqN/mmkqN/mmkqN/mm4krN/mmkrN/mmkrN/mmkrN/mm4、变速器的各挡速比和主减速比表4变速箱各档速比和主减速比一档二档三档四档五档倒档主减速比5、发动机的其他参数这些参数包括发动机的额定功率、最大扭矩、气缸数、发动机的怠速转速、最高转速、扭矩随转速的关系曲线。参数表如下：表5发动机的其他参数额定功率最大扭矩气缸数怠速转速最高转速KWNMn/minn/min6、动力总成悬置系统及周边的相关数模五、总成悬置系统的解耦设计及固有频率的合理配置1、解耦设计的原因进行动力总成悬置系统设计时一般要求尽量做到解耦布置，我们希望动力总成悬置系统在动力总成质心坐标系下是完全解耦的，即系统沿某一广义坐标的激励只会引起系统一个模态的振动。通常发动机悬置系统的六个自由度的振动是耦合的，沿悬置系统广义坐标的任意一个激励都将激起系统的多个模态，这样导致发动机的振幅加大，且易与周围零件发生干涉，并且振动频带过宽，为了约束动力总成的位移，避免与其它零部件干涉，则需使用刚度更高的悬置元件，这会导致动力总成的激励传递到车身上的激励过大，影响整车的NVH特性。因此在设计时将悬置的空间位置尽量按解耦布置。举例说明如下：当动力总成悬置系统存在转动和上下移动的运动耦合时（如图1所示），如果系统受到垂直方向的激励时将引起动力总成的垂直运动以及旋转运动，这样将造成变速箱末端运动位移较大。例如在前后方向完全解耦（如图2所示），则系统前后方向的振动不会引起其它方向上的运动，这样动力总成在受到外界激励时其运动位移向对较小。因此系统按照解耦布置时有利于控制动力总成的振动。5图1动力总成悬置系统垂直振动和转动耦合图2动力总成前后方向解耦2、固有频率的合理配置悬置系统匹配设计时在尽量保证悬置系统解耦的同时，要保证悬置系统各方向的固有频率在合理的范围内。一般要求系统的各阶固有频率都要大于5Hz；各阶固有频率的最小差值在1Hz左右。对于总成Z方向的固有频率应避开前桥和车身垂直振动固有频率。对于绕曲轴方向的固有频率应小于汽车怠速振动频率的1/2，同时也要远离汽车俯仰方向的固有频率。悬置系统的最高固有频率一般在20Hz以下。3、悬置系统解耦特性和固有频率的计算方法在进行动力总成悬置系统匹配计算时首先需要建立动力总成悬置系统的动力学模型，一般将动力总成和车身简化为刚体，而将悬置简化为具有刚度和阻尼6的三维弹性元件，如图3所示：图3动力总成悬置系统的力学模型动力总成悬置系统的振动力学方程为：)}({}]{[}]{[}]{[tFQKQCQM=++&&&其中：[M]为系统的质量矩阵，[]=M⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−−−−−zyzzxyzyxyzxxyxJJJJJJJJJmmm[C]为系统的阻尼矩阵，[K]为系统的刚度矩阵。]E][][[][][E[K]in1iiviiTviTTkT∑==式中：为第i个悬置的刚度矩阵。⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=wiviuiikkkk][⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=wiwiwiviviviuiuiuiviTγβαγβαγβαcoscoscoscoscoscoscoscoscos][uiα、uiβ、uiγ为第i个悬置的u弹性主轴与动力总成坐标系三个坐标轴的夹角。其它符号的含义类似。⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−−=010000100001][iiiiiiixyxzyzEix、、为第i个悬置在动力总成坐标系下的坐标。iyiz7阻尼矩阵[C]和刚度矩阵类似。悬置系统的模态动能可由下式求出：由系统的动力学方程求出系统的六阶固有频率61,,ωωL和六阶振型{}{}61,...,φφ，根据频率和振型可以求出系统在做第j阶主振动时第k方向的模态动能：ljlklkjjkmT)()(2612φφω∑==系统在做第j阶主振动时的总的模态动能为：2}]{[}{2)(maxjjTjjMTωφφ=当系统做第j阶主振动，在第k个广义坐标上的能量分布为：%100)(max×=jkkjTTDIP通过DIPkj值可以求出当系统以第j阶固有频率振动时，第个广义坐标方向所占的能量比，如果DIPkkj=100时，表示系统作第j阶模态振动能量全部集中在第k个广义坐标上。求出各个方向所占的能量比值后便可判断出系统在以第j阶固有频率振动时各坐标间的振动耦合情况。系统以第j阶固有频率振动时其振动占优方向的能量代表了该方向的解耦程度。求出在6阶主振动下各个方向的固的模态动能就得到系统的能量解耦分布矩阵如下表（表中的数值为某个例子）：表6动力总成悬置系统模态动能分布能量分布百分比频率HzXYZRXRYRZ7.985.6%1%7.7%1%6.6%1%11.01%98.4%1%1%1%1.5%9.15.6%0%90.8%1%3.5%1%10.2