董明明， 杜 憲

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

越野車發(fā)動(dòng)機(jī)-變速器一體化系統(tǒng)懸置設(shè)計(jì)方法研究

董明明， 杜 憲

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

為了越野車野外維修方便，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)箱一體化設(shè)計(jì)的思路，此時(shí)需要全新的懸置方案.文中將發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱及其輔助部件作為固聯(lián)剛體，進(jìn)行一體化懸置設(shè)計(jì).具體內(nèi)容包括：整體慣性參數(shù)的確定，懸置體等效線性化處理，懸置體的布置方式和極限工況強(qiáng)度的檢驗(yàn).其中懸置布置方案基于多自由度線性系統(tǒng)理論，通過配置彈性中心和垂直、俯仰和側(cè)傾固有頻率來實(shí)現(xiàn).實(shí)車試驗(yàn)表明，提供的懸置方案滿足工程使用要求.

動(dòng)力傳動(dòng)一體化；等效線性化；彈性中心；懸置設(shè)計(jì)

越野車輛經(jīng)常使用在野外工況，為方便對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱維修，進(jìn)行了動(dòng)力變速系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)整體吊裝，方便了維修.與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置不同，在設(shè)計(jì)懸置時(shí)，要將發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱作為一個(gè)整體來考慮[1].在懸置設(shè)計(jì)中，慣性參數(shù)和外載荷參數(shù)都發(fā)生了明顯變化，同時(shí)要考慮懸置體本身的非線性，因此設(shè)計(jì)和分析方法與單純的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置有明顯區(qū)別.以某越野車動(dòng)力變速一體化系統(tǒng)為例，研究了其設(shè)計(jì)方法.

在發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型中，其坐標(biāo)系定義如下：以發(fā)動(dòng)機(jī)主軸為x軸，坐標(biāo)原點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)在主軸和發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)箱連接面焦點(diǎn)，以指向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部為x軸正向.y軸水平，以指向變速箱一側(cè)為正向.z軸和x，y成右手系(豎直向下為正向).

1 慣性參數(shù)的計(jì)算

mc=∑mi，

(1)

(2)

固聯(lián)剛體相對(duì)于過質(zhì)心平行于y的軸線的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

(3)

固聯(lián)剛體相對(duì)于過質(zhì)心平行于x的軸線的側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

(4)

由于不考慮固聯(lián)剛體繞z軸的橫擺振動(dòng)，因此，不計(jì)算固聯(lián)剛體相對(duì)于過質(zhì)心平行于z的軸線的側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz.

2 懸置體的等效線性化計(jì)算

懸置體采用金屬絲網(wǎng)編織體，具有非線性的剛度和阻尼特性，為了能夠應(yīng)用線性系統(tǒng)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要對(duì)其進(jìn)行等效線性化.

第i個(gè)懸置體彈性力Fsi和變形量δi之間的關(guān)系可以表示為

(5)

第i個(gè)橡膠支撐的等效線性剛度用ki來表示，根據(jù)等效線性化原理，應(yīng)該滿足誤差的平方積分最小，即

(6)

根據(jù)公式

(7)

可以求出各個(gè)懸置體的等效剛度ki.

(8)

由于阻尼為回線形式，等效線性化結(jié)果和變形頻率以及變形幅值都有關(guān)系，因此，變形圓頻率選擇為固聯(lián)剛體垂直振動(dòng)的固有圓頻率ωz，幅值X選為許用變形的一半，則等效線性阻尼為

(9)

3 懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

重新定義模型的坐標(biāo)系，以固聯(lián)剛體質(zhì)心C為原點(diǎn)，zc坐標(biāo)描述質(zhì)心的垂直振動(dòng)，正向豎直向下，θ為繞過C點(diǎn)平行于x軸軸線的側(cè)傾角，φ為繞過C點(diǎn)平行于y軸軸線的俯仰角，由于考慮是經(jīng)平衡位置的微小振動(dòng)，有

sinθ≈tanθ≈θ,sinφ≈tanφ≈φ,
cosθ≈cosφ≈1.

系統(tǒng)的廣義位移向量可以表示為

(10)

系統(tǒng)的動(dòng)能可以表示為

(11)

系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣可以表示為

(12)

各個(gè)橡膠支撐相對(duì)于靜平衡位置的軸向變形為

zi=zc-xiθ+yiφ，

(13)

式中：xi,yi是第i個(gè)橡膠支撐中點(diǎn)相對(duì)于C點(diǎn)的坐標(biāo).

(14)

因此，系統(tǒng)的剛度矩陣可以表示為

(15)

式中：Xi,Xj可代表zc,φ,θ.

(16)

式中：a為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù);m為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù);n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.

同時(shí)，要明顯高于車輛俯仰振動(dòng)的固有頻率(0.8～1.1 Hz)，因此，f俯仰滿足要求.固聯(lián)系統(tǒng)繞x軸的俯仰固有頻率f側(cè)傾，應(yīng)盡量低于怠速下激勵(lì)頻率f怠，還要避開車身扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的一階固有頻率.因此，f側(cè)傾滿足要求.

該工法工藝簡(jiǎn)單，與其他形式的基礎(chǔ)相比沒有增加復(fù)雜的操作工序，施工速度顯著提高；且這種基礎(chǔ)形式傳力簡(jiǎn)單明確，施工材料來源穩(wěn)定，費(fèi)用較低，施工快捷方便。

(17)

為了降低車體振動(dòng)附加的慣性力，彈性中心坐標(biāo)(xs,ys)和質(zhì)心坐標(biāo)(xc,yc)應(yīng)盡量接近，通過上述計(jì)算，可以確定懸置體的數(shù)量和位置范圍.對(duì)于通常的懸置設(shè)計(jì)，懸置體的位置是不能任意選擇的，可以將許可的布置方案代入上述計(jì)算，可以得到最優(yōu)方案.

4 強(qiáng)度校核

普通的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較低，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)懸置體的附加載荷較小.而一體化后，由于變速器的加速作用，最低檔的輸出轉(zhuǎn)矩相當(dāng)大.為了保證懸置體的強(qiáng)度合格，通常要校驗(yàn)最低前進(jìn)檔和最低的倒檔的附加載荷.

則彈性體的變形為

zi=zc-φyi+θxi.

(18)

則各個(gè)金屬絲網(wǎng)減振器的彈性力為

Fi=-kizi.

(19)

定義矩陣如下.

，

式中:N為懸置體總數(shù).

則懸置系統(tǒng)的位移可以表示為

(20)

式中：Te為傳動(dòng)箱的輸出轉(zhuǎn)矩.由此可以計(jì)算出各個(gè)懸置體的變形量，從而可以判斷該懸置系統(tǒng)是否滿足強(qiáng)度需要.

算例：已知被懸置系統(tǒng)的質(zhì)量分布如表1所示.

表1 質(zhì)量參數(shù) kg

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下激勵(lì)頻率(點(diǎn)火脈沖頻率[4])可以表示為

式中：a為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)；m為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.

所采用懸置體等效剛度ki=1.6×103N/mm，最大靜載荷為Fsi=4 000 N，因此，懸置體個(gè)數(shù)為

根據(jù)上述公式計(jì)算，可得需要8個(gè)懸置體，根據(jù)總體布置得要求和相容性檢驗(yàn)[5]，可以得到如表2中的布置位置，同時(shí)圖1給出了8個(gè)懸置體編號(hào)的示意圖.

圖1 懸置體編號(hào)示意圖

表2 質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)坐標(biāo)系下的8個(gè)懸置體坐標(biāo) mm

序號(hào)位置X坐標(biāo)Y坐標(biāo)1發(fā)動(dòng)機(jī)1132-4272發(fā)動(dòng)機(jī)2-23-4273發(fā)動(dòng)機(jī)3-295-4274發(fā)動(dòng)機(jī)4-413-4275變速箱1-3144686變速箱2-1643537變速箱3-1645838傳動(dòng)箱548389

從圖2系統(tǒng)固有頻率和振型圖中可以得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù).

圖2 系統(tǒng)固有頻率和振型圖

發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器特性參數(shù)如表3和表4所示.

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性數(shù)據(jù)

表4 最大轉(zhuǎn)矩工況輸出扭矩 Nm

根據(jù)上述公式，可以計(jì)算出各個(gè)懸置體的最大變形，各個(gè)懸置體的最大變形如表5所示.

表5 各個(gè)懸置體的最大變形 mm

所以，懸置體的最大許可變形為10 mm，可見，計(jì)算的布置方式滿足強(qiáng)度要求.

懸置設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了30天的實(shí)車試驗(yàn)，采用文中的設(shè)計(jì)方案的懸置系統(tǒng)未出現(xiàn)故障，而對(duì)照車的懸置系統(tǒng)出現(xiàn)了懸置體損壞，支架斷裂的故障.

5 結(jié) 論

發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)箱的一體化設(shè)計(jì)，提出了整體懸置的要求，將動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)作為一個(gè)固聯(lián)剛體，對(duì)懸置體進(jìn)行線性化處理，通過匹配彈性中心和固有頻率的方法進(jìn)行彈性體布置，并檢驗(yàn)極限工況的強(qiáng)度.通過實(shí)際跑車試驗(yàn)證明，該方法提供的方案滿足使用要求.

[1] 呂振華, 羅 捷. 汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)分析方法[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2003,14(3): 265-269.

[2] Shangguan W B. Engine Mounts and Powertrain Mounting Systems: a review[J]. International Journal of Vehicle Design,2009,49(4):237-258.

[3] 李曉雷,余德芙,孫逢迎. 機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)[M]. 北京理工大學(xué)出版社,2011.

[4] 侯獻(xiàn)軍, 楊 凱, 劉志恩. 基于MATLAB的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[C]. 2013 中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集,2013.

[5] Wu J, Shangguan W B. Robust Optimization Design Method for Powertrain Mounting Systems Based on Six Sigma Quality Control Criteria[J]. International Journal of Automotive Technology,2010,11(5): 651-658.

Study on Suspension Design for Motor-transmission Unit of Off-road Vehicles

DONG Ming-ming， DU Xian

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing, 100081)

The motor and transmission of off-road vehicles are considered as a unit for easy field operation. The motor, transmission and other auxiliary parts are fixed together, and a suspension is designed for the integration system. The contents include determining the inertia parameters, the linearization for the equivalent stiffness of the suspension, the arrangement of the suspension and the strength test on the extreme conditions. Based on the MDOFs linear theories, the suspension layout is obtained by configuring such parameters as the elasticity center, the vertical, pitch and roll natural frequencies. The road test of the vehicle shows that the designed suspension meets the requirements for engineering use.

Motor-transmission unit；Equivalent linearization, Elasticity center, Suspension design

1009-4687(2014)04-0031-04

2014-10-10

董明明(1975-)，男,副教授，研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)力學(xué)、懸架及其部件設(shè)計(jì)、振動(dòng)與噪聲控制.

U463

A