動力總成懸置系統改進與試驗分析

徐中明，李 曉

(重慶大學 a.機械傳動國家重點實驗室;b.機械工程學院，重慶 400030)

動力總成和懸置元件組成動力總成懸置系統(以下簡稱懸置系統)。懸置系統能夠衰減動力總成和車架之間的振動傳遞，并起到隔振、支承和限位的作用。懸置系統一般從固有頻率合理分配、提高解耦率、降低振動傳遞率或作用力等角度考慮進行設計［1－3］，其中解耦方法在懸置系統的設計中應用最為廣泛，主要有扭矩軸解耦、彈性解耦和能量解耦等［4－5］。當懸置彈性中心與系統質心重合時，懸置系統在6個方向上的振動完全解耦。多數文獻［6－17］都是從隔振的角度進行懸置系統的分析和設計，然后對懸置系統進行仿真，再結合試驗驗證懸置系統的隔振性能。本文從支撐和限位的角度出發，針對某并聯式混合動力客車實際運行中由于電機輸出軸與動力總成之間的運動干涉所引起的連接法蘭盤斷裂的問題，對懸置系統進行分析，提出改進方案，并進行試驗測試。

1 懸置系統剛體動力學建模與分析

并聯式混合動力客車具有發動機和電動機2個動力源。本文將發動機動力總成(包括發動機、離合器和變速箱)作為研究對象。懸置系統的固有頻率通常比動力總成自身的自由模態頻率低得多，因此在研究懸置系統模態特性時將動力總成視為剛體，將橡膠懸置元件簡化為三向正交的彈簧阻尼模型，從而將懸置系統簡化成6自由度振動系統，并建立其剛體動力學模型，如圖1所示。

圖1 動力總成懸置系統剛體動力學模型

圖1中動力總成的質量為1 012 kg。慣量參數如表1所示。懸置元件剛度參數如表2所示。

表1 動力總成的轉動慣量和慣性積 kg·m2

表2 橡膠元件的剛度 N·mm－1

對懸置系統進行模態分析，結果如表3所示。從表3可以看出:懸置系統的固有頻率偏低，整個懸置系統偏軟，導致總成位移偏大，造成運動干涉，這與實際中該客車出現的問題相符。從能量解耦情況看，解耦率比較差，除了第1階模態沿X軸向平動的解耦率較理想外，其他各階的耦合都很嚴重，因此懸置系統設計不合理，需改進。

表3 懸置系統各階固有頻率和能量解耦率

2 懸置系統改進

原方案中變速箱處于懸臂狀態，懸置系統又偏軟，使得動力總成與車架的相對位移較大，造成動力總成與電機輸出軸之間產生運動干涉，從而導致法蘭盤斷裂。因此，為了降低動力總成與車架的相對位移，抑制運動干涉，從降低成本并且使改進方案簡單、易實現的角度考慮，結合變速箱的實際結構尺寸特點，在變速箱下方添加一對相同的懸置元件作為輔助支撐，原有的懸置不變。改進方案如圖2所示。

圖2 改進方案

以提高懸置系統固有頻率和能量解耦率為目的，對變速箱下方的一對懸置元件進行優化計算，優化結果如表4、5所示。從表5的結果來看，固有頻率和能量解耦率都明顯提高很多。

表4 懸置剛度優化結果 N·mm－1

表5 優化后各階固有頻率和能量解耦率

3 懸置系統試驗測試分析

為了檢驗在變速箱下方添加懸置后對動力總成側傾角的影響，測量了原方案和改進方案總成和車架的角位移，從而分析改進前后動力總成懸置系統的傾角變化情況。

3.1 試驗方法

試驗時通過角位移傳感器和數據采集器記錄各個工況下動力總成與車架的側傾角位移信號。角位移傳感器分別安裝在變速器和車架縱梁上，如圖3所示。

圖3 角位移傳感器布置位置

試驗選擇在混合模式下，車輛分別以40、50和60 km/h的車速勻速行駛，然后再進行制動的工況。為保證試驗的一致性，車輛由同一個駕駛員來控制。使用IMC采集器記錄角位移傳感器輸出的電壓信號，采樣頻率為100 Hz，采樣時間為120 s。

3.2 結果分析

根據試驗記錄，利用IMC FAMOS軟件編程將角位移傳感器所測得的電壓信號換算為角度，對各工況下記錄的角位移信號進行處理。

試驗所測得的角位移是相對于水平位置的。由于路況多變，動力總成和車架的角位移傳感器有相互偏差，因此只能分析動力總成和車架之間的相對角位移。

以40 km/h等速－制動工況為例。圖4、5分別給出了原方案和改進方案動力總成和車架的側傾角位移、相對側傾角位移。

由圖4、5可知:

1)可以直觀地看出加裝變速器下方懸置后，在制動時，相對側傾角明顯變小。

2)在不同試驗工況下，動力總成與車架的相對角位移在等速時有波動，這是由于路況造成的。

為了方便準確地對比懸置系統改進前后的效果，按如下方法計算各工況下動力總成相對車架的角位移:

1)從動力總成和車架的角位移時域圖中，判斷出制動開始的時間和結束的時間，從中截取出制動階段。

2)在制動階段計算動力總成和車架的相對角位移時，考慮到路況的變化，計算相對角位移的最大值和最小值，得到制動階段動力總成和車架相對角位移的變化范圍，以此作為評價指標。

各工況下的相對側傾角位移如表6所示。圖6為繪制出的折線。

表6 制動階段動力總成與車架的相對側傾角位移范圍

圖6 制動階段動力總成與車架的相對側傾角位移范圍

圖6對比了在同一工況下改進方案和原方案的效果。結果表明，在加裝變速器下方懸置后，動力總成和車架的相對側傾角明顯變小，說明改進方案取得了良好的效果，能夠有效防止動力總成和電機輸出軸之間的運動干涉。

4 結束語

本文通過分析混合動力客車動力總成懸置系統的模態特性，提出了懸置系統改進方案，并進行了試驗測試。結果表明，改進方案能有效地減小動力總成和車架之間的相對側傾角，對改善動力總成和電機輸出軸之間的運動干涉具有良好作用。目前改進方案已經獲得了實際應用。

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