动力总成悬置系统运动包络及工况载荷计算方法.doc

动力总成悬置系统运动包络及工况载荷计算方法吕兆平 吴川永上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心【摘要】本文论述了动力总成位移控制设计的一般原理，以一微车动力总成悬置系统为研究对象，结合通用汽车公司全球标准的28种载荷工况，介绍了求解各悬置点反力以及发动机质心位移和转角的方法，该计算数据为悬置支架的强度校核以及发动机仓零件设计及布置提供了理论依据。关键词动力总成悬置系统，运动包络，工况载荷The calculation method for the motion envelop and loadcase force of the powertrain mount systemLv Zhaoping Wu chuanyong(Technical Development Center,SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou 545007 )AbstractThe general principle for the design of motion control for powertrain mounting system is presented。Take a mini van powertrain mounting system as the object of study. with the 28 loadcase of the GM global standards. Introduces the method to solve the reaction force at the mounting points and the displacement and rotation of the COG of the powertrain.the calculated data provides a theoretical basis for the mounting bracket strength check and the parts of engine warehouse design and layout.Keywords powertrain mount system，motion envelop，Loadcase force前言1动力总成悬置系统的主要功能有两个，一是减振，二是限位。从悬置元件的刚度曲线来看，一般可以分为线性段和非线性段。其中，线性段可以看作悬置元件减振功能的体现。悬置系统设计工程师在设计悬置刚度线性段时，需要用悬置元件动刚度对动力总成的模态及解耦率进行计算。当动力总成的模态及解耦率满足要求时，悬置动刚度就确定了。而动刚度和静刚度成一定的比例关系(一般动刚度为静刚度的1315倍)，这样即可确定悬置元件线性段的刚度。刚度曲线的拐点则是动力总成的限位点，限位要求通常是主机厂提供的。如主机厂要求在三挡80油门开度下动力总成需要良好的解耦，即要求动力总成各悬置点的位移量均在线性段内，供应商根据这个要求即可设计刚度曲线的拐点。在拐点之后，悬置刚度曲线可以看作是大刚度的线性段。这个大刚度的设计，则要满足主机厂对动力总成总体位移的设计目标值。因此，整个非线性段是为了实现悬置系统的限位功能。2本文通过AdamsView软件建立动力总成模型及考虑了悬置在其三个弹性主轴方向力位移特性的非线性关系，设计了悬置非线性刚度曲线，对某车型的动力总成进行28种工况的模拟计算，对动力总成悬置系统运动包络进行了校核并获得了28工况下各悬置点的工况载荷，为悬置支架、车身结构甚至变速器壳体强度校核都提供了输入条件。1 工况计算前期准备1.1 坐标系定义一般我们在发动机大总成测试时，获得的质心坐标是在发动机坐标系下的坐标，转动惯量则是在质心坐标系下的转动惯量。因此在此先介绍一下坐标系的定义问题。1.1.1 发动机坐标系 OeXeYeZe 以曲轴中心线与发动机后端面(RFB)的交点为坐标原点Oe; Xe轴平行于曲轴中心线,指向发动机前端; Ze轴平行与气缸线,指向缸盖; Ye根据右手定则确定,应与气缸中心线所在的中心面垂直,指向发动机左侧(从变速箱端向皮带轮端看).图1 发动机坐标系1.1.2 质心坐标系 OcXcYcZc 坐标原点位于质心原点Oc;与发动机坐标系OeXeYeZe各轴对应平行且方向相同的坐标系为动力总成质心坐标系.图2 质心坐标系1.1.3 整车坐标系整车坐标系一般是由客户定义的，一般客户在提供总成数模时会装配在整车坐标系下，X轴从车头指向车尾，Z轴垂直向上，Y轴按右手法则确定。图3 整车坐标系1.2 动力总成质心及转动惯量的转换根据发动机大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，从而使得ADAMS建模和MATLAB编程变得更为简便。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。1.3 悬置系统计算工况简介悬置系统的工况是汽车在整个生命周期中使用和可能使用的工况。各大知名汽车公司根据不同路面、使用状况和地区，总结了一系列汽车驾驶工况，以此作为新车初期开发的分析数据。对动力总成悬置系统而言，这些工况大都被等效为作用在动力总成质心的加速度和扭矩载荷，可以将该系统独立进行前期的分析和开发，不必建立完整的整车模型及依赖庞大的整车数据，在初期的分析中简单实用。目前我们采用的是GMW141163中的工况标准：表1：通用汽车公司28载荷工况工况动力总成悬置系统分析工况动力总成的重力加速度动力总成扭矩工况类型XYZ1静态设计位置（动力总成自重下）-1典型2发动机最大前进扭矩-1见下面公式(1)典型3发动机最大后退扭矩-1见下面公式(2)典型4发动机最大前进扭矩&前进加速度*前驱0.5-1工况2典型后驱0.6-1工况2典型四轮驱动0.7-1工况2典型5发动机最大前进扭矩&左传1-1工况2典型6发动机最大前进扭矩&右转-1-1工况2典型7发动机最大前进扭矩&垂直向下冲击-3工况2典型8发动机最大前进扭矩&垂直回弹1工况2典型9发动机最大后退扭矩&后退加速度前驱-0.6-1工况3典型后驱-0.5-1工况3典型四轮驱动-0.6-1工况3典型108KPH前碰(-11g)-11-1无极端的118KPH后碰(+11g)11-1无极端的12垂直向上加载（深坑）4无极端的13垂直向下加载（深坑）-6无极端的14横向相左加载-3-1无极端的15横向相右加载3-1无极端的16垂直向上&横向相左加载-34无极端的17垂直向上&横向相右加载34无极端的18垂直向下&横向相左加载-3-6无极端的19垂直向下&横向相左加载3-6无极端的20坏路向上2.5无典型21坏路向下-4.5无典型22前进纵向加载（全油门加速）-3-1无典型23后退纵向加载（全油门加速）3-1无典型24全油门N到D档/离合器低档全油门结合-1见下面公式(3)(4)极端的25全油门N到R档/离合器倒档全油门结合-1见下面公式(3)(4)极端的261倍重力加速度载荷-1无典型27部分前进扭矩*(5/8全油门)-1按规定典型28部分倒档扭矩*(5/8ReverseWOT)-1按规定典型1.4 悬置运动范围限制条件发动机悬置的主要作用是把发动机安装在整车上，控制发动机的位移，并吸收发动机的振动。表2是GM全球标准对控制发动机位移和转角的通用要求。动力总成的位移大小，直接影响了周围零件的设计，如进排气柔性节的设计，传动轴的布置，以及与发动机连接的周围管子的布置，如制动真空管、转向油管、冷却水管、空调管、排档拉索以及各种线束等。如果汽车对扭力转向比较敏感，那么侧倾的要求最好控制在+/-0.5度以内。表2：动力总成运动空间限制动力总成自由度质心最大位移+/-(mm)或(deg)前后（Fore/aft）x15左右（Lateral）y8上下（bounce）z12侧倾（Roll）xx1,0俯仰（Pitch）yy3,5(+)横摆（Yaw）zz1,01.5 悬置元件刚度曲线处理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）。图4 悬置某一方向的非线性刚度曲线拟合得到的样条曲线公式（见图5）可以直接代入ADAMS中三向力函数中。图5 拟合后样条曲线公式1.6 ADAMS计算模型的建立在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6 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。2 运动包络校核及工况载荷计算2.1 静平衡计算动力总成在实车安装后，通常是处于受载状态，28工况计算都是以静平衡计算为基点开始计算，所以静平衡的求解非常重要。如果此工况求解不正确，则意味着ADAMS里的动力总成静态时的位移和实车不符，计算得出的每个工况时悬置点的受力和位移就没有实际意义。通过优化获得了较为理想的线性段刚度后，利用ADAMS动力学仿真分析软件建模，通过简单的仿真分析，即可获得动力总成在重力工况下的质心位移转角（表3）及三个悬置的承载及位移数据（表4），这些数据是进行悬置元件非线性刚度设计的基础。表3重力工况下动力总成质心位移（参考整车坐标系）CGX(mm)Y(mm)Z(mm)()()()-0.005222-0.02554-3.8510.0026950.0022940.04319表4重力工况下各悬置承载及位移（参考整车坐标系）悬置力(ga-matlabcoord.)位移(ga-matlab)X(N)Y(N)Z(N)X(mm)Y(mm)Z(mm)左悬置2.9426.368-7360.063690.07404-4.111右悬置-1.327-4.469-662-0.02884-0.05197-3.698后悬置-1.616-1.899-386.9-0.02834-0.04127-3.6162.2 28工况运动包络计算校核在图所示ADAMS模型中，在每个悬置点的三向力中输入样条曲线拟合出来的公式，对应于每个工况，将相应的加速度和扭矩转换成力施加到动力总成质心上，然后进行仿真分析。把仿真分析得到的各工况质心处的位移和转角记录到下表中就可以得到动力总成在28种工况下的运动范围。表5 静平衡及28工况下的质心位移及转角计算结果工况动力总成质心位移(整车坐标系)X(mm)Y(mm)Z(mm)()()()1、静态设计位置（动力总成自重下）-0.005222-0.02554-3.8510.043190.0022940.0026952、发动机最大前进扭矩-0.10 1.00 -0.90 -1.635 0.244 0.234 3、发动机最大后退扭矩0.10 -0.99 -1.59 1.569 0.048 0.192 4、发动机最大前进扭矩&前进加速度*6.30 1.05 -0.90 -1.633 0.242 -0.139 5、发动机最大前进扭矩&左传-0.10 5.80 -0.91 -1.638 0.240 -0.062 6、发动机最大前进扭矩&右转-0.20 -3.98 -0.86 -1.565 0.240 -0.425 7、发动机最大前进扭矩&垂直向下冲击-0.20 0.61 -10.35 -1.046 0.535 -0.172 8、发动机最大前进扭矩&垂直回弹-0.10 0.91 0.48 -1.506 0.316 -0.209 9、发动机最大后退扭矩&后退加速度-6.80 -1.05 -1.60 1.566 0.041 0.076 10、8KPH前碰(-11g)-13.30 0.03 -0.35 -0.027 0.166 -0.151 11、8KPH后碰(+11g)13.30 -0.01 0.38 0.025 -0.286 0.110 12、垂直向上加载（深坑）0.00 0.03 7.06 -0.063 0.059 0.005 13、垂直向下加载（深坑）-0.10 0.03 -14.76 -0.056 0.678 -0.070 14、横向相左加载0.00 -7.29 -0.16 0.170 0.004 -0.027 15、横向相右加载0.00 7.34 -0.02 -0.229 0.020 0.046 16、垂直向上&横向相左加载0.00 -7.21 7.11 -0.035 0.058 -0.056 17、垂直向上&横向相右加载0.00 7.28 7.06 -0.089 0.061 0.066 18、垂直向下&横向相左加载-0.10 -7.27 -12.91 0.519 0.426 0.000 19、垂直向下&横向相左加载0.00 7.26 -10.93 -0.058 0.246 0.071 20、坏路向上0.00 0.04 6.17 -0.062 -0.056 -0.002 21、坏路向下-0.20 0.03 -14.65 -0.054 0.760 -0.077 22、前进纵向加载（全油门加速）-10.80 0.01 -0.05 0.078 -0.030 -0.170 23、后退纵向加载（全油门加速）10.80 0.00 0.12 0.01 -0.07 0.04 24、全油门N到D档/离合器低档全油门结合-0.20 1.50 -3.39 -2.47 0.60 -0.35 25、全油门N到R档/离合器倒档全油门结合0.00 -1.46 -4.39 2.40 0.30 0.27 26、1倍重力加速度载荷0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 27、部分前进扭矩*(5/8全油门)-0.10 0.83 -0.84 -1.37 0.21 -0.18 28、部分倒档扭矩*(5/8ReverseWOT)0.00 -0.84 -1.40 1.33 0.05 0.16 Max13.30 7.34 7.11 2.40 0.76 0.27 Min-13.30 -7.29 -14.76 -2.47 -0.29 -0.43 *228工况均是相对1工况得出的。从计算数据可知位移和转角完全满足表2所示设计输入要求。2.3 28工况载荷计算同样的按照2.2中的做法，在获得质心位移和转角的同时，也同时可以读出每个悬置点的载荷如下表所示：表6 静平衡及28工况下的各悬置点承载计算结果工况悬置承载（整车坐标系，按车身端支架计算）Left_MTRight_MTRear_MTX(N)Y(N)Z(N)X(N)Y(N)Z(N)X(N)Y(N)Z(N)1、静态设计位置（动力总成自重下）8.5227.082-735-1.738-2.344-661.5-6.785-4.738-388.32、发动机最大前进扭矩-9.288-179.5755.823.9 166.5-2159-14.6112.93-381.43、发动机最大后退扭矩40.4215.9-2242-28.1 -185.8849.6-12.28-30.13-3924、发动机最大前进扭矩&前进加速度214.5-193.2751.8237.9 152.9-2151439.340.28-385.35、发动机最大前进扭矩&左传13.59167.9773.53.5 1236-2168-17.08380.1-390.46、发动机最大前进扭矩&右转-40.05-1245539.251.2 -189.3-1954-11.15-349.3-370.47、发动机最大前进扭矩&垂直向下冲击17.1-96.99-142312.9 100.5-4168-30.03-3.549-15458、发动机最大前进扭矩&垂直回弹-3.135-160.6149721.5 151.4-1500-18.329.1531.3839、发动机最大后退扭矩&后退加速度-191.5237.9-2228-268.0 -163847.7-610.7-74.98-40510、8KPH前碰(-11g)-555528-812.5-4038.0 23.2-784.1-10030-51.2-188.311、8KPH后碰(+11g)5931-6.351-584.44402.0 -20.41-446.4928726.76-754.112、垂直向上加载（深坑）10.51.7882215-1.1 3.6661981-9.403-5.454115313、垂直向下加载（深坑）43.8610.95-5158-4.3 11.75-4624-39.55-22.7-270414、横向相左加载4.912-1396-848.71.6 -2797-548.8-6.537-1159-387.315、横向相右加载16.551541-575.6-8.0 2664-818.6-8.5221147-390.616、垂直向上&横向相左加载4.104-204019044.5 -21542291-8.636-1157115517、垂直向上&横向相右加载22.319842510-11.4 22251691-10.861142114918、垂直向下&横向相左加载37.68-734.7-5068-9.9 -3436-4713-27.81-1180-270519、垂直向下&横向相左加载35.282092-4835-15.3 2126-4944-19.961133-270720、坏路向上4.48 0.26 1107-0.4 2.046990.4-4.071-2.305576.921、坏路向下48.4812.29-4050-4.7 12.77-3633-43.81-25.06-212822、前进纵向加载（全油门加速）-145021.77-745.8-1072.0 14.17-689.9-2828-35.95-349.1