重卡動(dòng)力總成懸置設(shè)計(jì)方法與產(chǎn)品開發(fā)

蘇朝霞，董加加,2

（1.北汽福田汽車股份有限公司 工程研究總院，北京 102206；2.北汽(常州)汽車有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引言

重型卡車用動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)通常為6點(diǎn)布置，位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端左右對(duì)稱布置的懸置稱為A點(diǎn)懸置；位于發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼左右兩側(cè)對(duì)稱布置的懸置稱為B點(diǎn)懸置；位于變速箱尾端上方的輔助支撐稱為E點(diǎn)懸置，如圖1所示。

圖1 懸置安裝位置示意圖

某系列車型配備AMT自動(dòng)變速箱的車型采用的懸置安裝點(diǎn)為A+B+E。其中，E點(diǎn)殼體開裂故障率為0.19%。如圖2所示，該自動(dòng)變速箱E點(diǎn)處殼體的故障形式主要表現(xiàn)為：1）鋼套脫出；2）鋼套脫出同時(shí)E點(diǎn)橡膠開裂；3）E安裝凸臺(tái)根部開裂。變速箱殼體損壞則需要更換整個(gè)殼體，費(fèi)用高昂，售后抱怨強(qiáng)烈，橡膠軟墊頻繁開裂也導(dǎo)致較高抱怨。

圖2 變速箱殼體失效形式

1 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 仿真分析

1.1.1 原車懸置系統(tǒng)參數(shù)

車輛動(dòng)力總成參數(shù)如下：動(dòng)力總成總質(zhì)量為1318.53 kg，動(dòng)力總成在整車坐標(biāo)系下的質(zhì)心坐標(biāo)為（196.92，-16.96，182.34）；發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為2600 N·m，變速器1擋速比為16.1，倒擋速比為15.5。懸置系統(tǒng)彈性中心坐標(biāo)如表1所示。

表1 動(dòng)力總成彈性中心

車輛懸置系統(tǒng)的靜剛度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 懸置系統(tǒng)剛度 N/mm

1.1.2 仿真工況設(shè)計(jì)

基于重型卡車的使用條件，確定表3所示的仿真工況，計(jì)算A點(diǎn)、B點(diǎn)、E點(diǎn)的載荷分布情況。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，載荷施加在動(dòng)力總成質(zhì)心處，載荷包括力和力矩，g為重力加速度。

表3 重卡用載荷工況

表3中：Twot.Fr=TMET·iFGR·iFDR·fMF；Twot.re=TMET·iRGR·iFDR·fMF。

為了確認(rèn)不同E點(diǎn)剛度對(duì)變速箱殼體的影響，并考慮了動(dòng)力總成剛體模態(tài)和解耦率[3]要求，設(shè)計(jì)了表4所示的剛度方案分析對(duì)比。

表4 不同E剛度匹配方案 N/mm

1.1.3 仿真模型

利用HyperWorks搭建動(dòng)力總成和懸置系統(tǒng)模型，如圖3所示。其中，采用點(diǎn)質(zhì)量替代動(dòng)力總成，動(dòng)力總成與懸置支架采用rbe2連接，橡膠彈性體采用彈簧單元模擬。

圖3 動(dòng)力總成載荷計(jì)算模型

1.1.4 仿真分析結(jié)果

驗(yàn)證1的剛度設(shè)定表明：相對(duì)于原設(shè)計(jì)，正/反向最大轉(zhuǎn)矩工況下，E點(diǎn)受到側(cè)向力減小約1000 N (40%)，E點(diǎn)受到的垂向力減小約4000 N(35%)；垂向沖擊工況下，E點(diǎn)受到側(cè)向力減小約2000 N (42%)，E點(diǎn)受到的垂向力減小約2500 N(28%)；前后沖擊工況下，E點(diǎn)受到X、Y、Z方向力變小幅值約100 N，可忽略；側(cè)向沖擊工況下，E點(diǎn)受到側(cè)向力減小約650 N(3%)，E點(diǎn)受到的垂向力減小約1650 N(21%)。原設(shè)計(jì)和驗(yàn)證1的變速箱殼體懸置安裝點(diǎn)處的應(yīng)力如表5所示。

表5 E點(diǎn)變速箱殼體處的最大綜合應(yīng)力MPa

通過(guò)仿真表明，原設(shè)計(jì)方案中，在部分工況下變速箱殼體所受的應(yīng)力已超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度。通過(guò)合理分配A點(diǎn)、B點(diǎn)、E點(diǎn)載荷可有效降低變速箱輔助懸置安裝點(diǎn)的載荷和應(yīng)力，同時(shí)基于上述的分析需要設(shè)計(jì)出全新的E點(diǎn)輔助懸置。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試

1.2.1 試驗(yàn)工況

為了進(jìn)一步確定變速箱殼體E點(diǎn)安裝處損壞的原因。現(xiàn)進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，提取原設(shè)計(jì)方案在E點(diǎn)處變速箱殼體的載荷情況。同時(shí)，為了確認(rèn)降低E點(diǎn)剛度是否可以降低E點(diǎn)處變速箱殼體的載荷。設(shè)計(jì)了表6所示的測(cè)試方案。

表6 實(shí)車載荷驗(yàn)證方案 N/mm

整車測(cè)試所采用的工況如表7所示。

表7 整車路上測(cè)試工況

1.2.2 測(cè)試設(shè)備和結(jié)果

測(cè)試采用貼應(yīng)變片方式，如圖4所示。并設(shè)有加速度傳感器采集車輛行駛中的加速度數(shù)據(jù)。

圖4 測(cè)試設(shè)備

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)濾波[1]，提取E點(diǎn)輔助支撐在3個(gè)平動(dòng)方向的最大力值，整理后如表8所示。E點(diǎn)載荷測(cè)試結(jié)果表明，降低E點(diǎn)懸置軟墊剛度，能降低X、Y、Z三方向的應(yīng)力。

表8 實(shí)車測(cè)試載荷 N

1.3 故障分析

通過(guò)上述的仿真和測(cè)試表明：1）A點(diǎn)、B點(diǎn)、E點(diǎn)懸置的靜態(tài)剛度和限位設(shè)計(jì)設(shè)定不合理，動(dòng)力總成在運(yùn)動(dòng)時(shí)E點(diǎn)過(guò)多地分擔(dān)動(dòng)力總成的載荷。2）整車在轉(zhuǎn)彎工況下，動(dòng)力總成受到較大的側(cè)向離心力作用，由于A點(diǎn)、B點(diǎn)的Y向剛度較低（約為180 N/mm），無(wú)法有效地限制動(dòng)力總成的位移，導(dǎo)致E點(diǎn)所受的側(cè)向位移力較大。3）動(dòng)力總成在有Roll方向的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，由于A點(diǎn)所處的位置低于動(dòng)力總成的質(zhì)心，A點(diǎn)受到較大的側(cè)向力作用。A點(diǎn)處的側(cè)向力導(dǎo)致動(dòng)力總成有以B點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，同樣導(dǎo)致E點(diǎn)所受的側(cè)向載荷和位移較大。4）E點(diǎn)橡膠主簧沒有限位設(shè)計(jì)。E點(diǎn)所受的作用力和位移直接作用于橡膠主簧，僅僅靠橡膠與金屬的硫化結(jié)構(gòu)來(lái)克服作用力，導(dǎo)致橡膠硫化結(jié)構(gòu)易于開裂。

2 新的設(shè)計(jì)方法及產(chǎn)品

基于上述的仿真與測(cè)試分析，在懸置的設(shè)計(jì)上提出以下兩項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)。

1）懸置系統(tǒng)載荷分配技術(shù)。為了降低E點(diǎn)載荷和提升整車NVH性能，精確計(jì)算在各種工況下A點(diǎn)、B點(diǎn)、E點(diǎn)剛度與E點(diǎn)載荷的關(guān)系；在綜合考慮每個(gè)懸置點(diǎn)預(yù)壓量、動(dòng)力總成剛體模態(tài)、解耦率[3]的基礎(chǔ)上，找出最合適的上述3點(diǎn)剛度。

2）動(dòng)力總成位移控制技術(shù)。為了防止E點(diǎn)橡膠主簧有過(guò)大的位移量，精確設(shè)計(jì)A點(diǎn)、B點(diǎn)、E點(diǎn)懸置總成的限位結(jié)構(gòu)，并確定最合適的軟限位和硬限位拐點(diǎn)。在確保不影響NVH性能的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確地控制動(dòng)力總成的位移。使其在所有工況下的平動(dòng)位移量和轉(zhuǎn)動(dòng)位移量均在預(yù)期的范圍內(nèi)。

2.1 懸置系統(tǒng)載荷分配技術(shù)

根據(jù)A點(diǎn)、B點(diǎn)、E點(diǎn)剛度與E點(diǎn)載荷的關(guān)系，再綜合考慮A點(diǎn)、B點(diǎn)預(yù)壓量、動(dòng)力總成剛體模態(tài)和解耦率的基礎(chǔ)上，選擇最合適的A、B、E點(diǎn)的剛度，確保在所有工況下E點(diǎn)的載荷都能盡可能小。

A點(diǎn)、B點(diǎn)、E點(diǎn)靜剛度的不同設(shè)置均直接影響E點(diǎn)的載荷。為了找到這三者剛度與E點(diǎn)載荷之間的變化關(guān)系，設(shè)計(jì)了如下計(jì)算工況：利用上述計(jì)算方法計(jì)算在上述工況4下，B點(diǎn)、E點(diǎn)剛度不變，A點(diǎn)剛度與E點(diǎn)載荷的變化關(guān)系如圖5所示；A點(diǎn)、E點(diǎn)剛度不變，B點(diǎn)剛度與E點(diǎn)載荷的變化關(guān)系如圖6所示；A點(diǎn)、B點(diǎn)剛度不變，E點(diǎn)剛度與E點(diǎn)載荷的變化關(guān)系如圖7所示。

圖5 A點(diǎn)剛度與E點(diǎn)載荷關(guān)系

圖6 B點(diǎn)剛度與E點(diǎn)載荷關(guān)系

圖7 E點(diǎn)剛度與E點(diǎn)載荷關(guān)系

為了確保在垂直載荷下E點(diǎn)的剛度降到最低，必須通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使E點(diǎn)在靜載工況下處于不受力的狀態(tài)。同時(shí)還需要通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保E點(diǎn)軟墊總成在裝配后無(wú)任何預(yù)壓變形。

Z方向主要用于承載動(dòng)力總成的重力，但由于質(zhì)心在B點(diǎn)上方，且考慮到A點(diǎn)的隔振性能需要，故A點(diǎn)的剛度沒有必要設(shè)定得太高。為了確保動(dòng)力總成在垂向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中姿態(tài)保持不變，A點(diǎn)和B點(diǎn)橡膠主簧的位移量需基本相等，故B點(diǎn)的剛度必然需要大于A點(diǎn)，否則動(dòng)力總成的后端將有上翹或下塌的趨勢(shì)。體現(xiàn)到膠料使用上，B點(diǎn)采用的膠料邵爾硬度也要高于A點(diǎn)。

X方向的剛度主要用于控制動(dòng)力總成的縱向位移量，并且這個(gè)縱向位移量由A點(diǎn)和B點(diǎn)的X向剛度總和控制。故只要兩者的剛度總和符合要求即可?？紤]到兩點(diǎn)膠料的不同，在相同的主簧結(jié)構(gòu)下，A點(diǎn)的X向剛度低于B點(diǎn)。

Y方向剛度設(shè)定與控制動(dòng)力總成的Lateral位移、Roll方向的位移及剛體模態(tài)相關(guān)聯(lián)。動(dòng)力總成在受到離心力運(yùn)動(dòng)的位移主要由A點(diǎn)和B點(diǎn)的Y向剛度控制，此外，由于A點(diǎn)的彈性中心位于動(dòng)力總成的底部，在急加速或發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)等工況下A點(diǎn)懸置將受到較大側(cè)向力作用，此時(shí)動(dòng)力總成有滾轉(zhuǎn)（Roll）運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)同時(shí)伴隨著繞B點(diǎn)發(fā)生橫擺（Yaw）運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，故A點(diǎn)的Y向剛度不宜太低，否則將導(dǎo)致E點(diǎn)橡膠軟墊在Y向受到較大位移的拉扯，同時(shí)安裝點(diǎn)受到較大的反作用載荷。故需要將A點(diǎn)Y向剛度設(shè)定得高一些。B點(diǎn)的載荷主要在Z向，故基于隔振性能的考慮可以適當(dāng)降低一些Y向的剛度。但B點(diǎn)的Y向剛度也不宜太小，若A點(diǎn)的Y向剛度明顯大于B點(diǎn)，則動(dòng)力總成在受到側(cè)向力的作用下產(chǎn)生以A點(diǎn)為圓心的橫擺運(yùn)動(dòng)，同樣導(dǎo)致E點(diǎn)輔助支撐的Y向的位移量過(guò)大。

基于上述的分析，在這兩個(gè)方向懸置軟墊總成均需要有足夠的靜態(tài)剛度限制動(dòng)力總成的位移。故設(shè)定Kz≈Kx≈Ky。

E點(diǎn)的剛度無(wú)需設(shè)計(jì)得太高。由于A、B兩點(diǎn)具有較高的剛度，動(dòng)力總成在沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，故主要依靠這兩點(diǎn)承載動(dòng)力總成的載荷。E點(diǎn)由于剛度較低，在同樣的位移下，E點(diǎn)所承受的載荷較小。此外，E點(diǎn)輔助支撐主要用于輔助承載變速箱Z向跳動(dòng)時(shí)的載荷，而其他兩個(gè)方向的載荷不需要該輔助支撐過(guò)多分擔(dān)，故把Z向的剛度設(shè)定得比其他兩個(gè)方向高些。

2.2 動(dòng)力總成位移控制技術(shù)

整車在過(guò)凹坑、轉(zhuǎn)彎等工況動(dòng)力總成將發(fā)生明顯的Z向、Y向位移。在急加速/減速等工況下，不僅僅有X向位移，還伴隨明顯的繞X軸的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些位移量必須限定在合理的范圍內(nèi)。過(guò)大的位移量一方面導(dǎo)致動(dòng)力總成易與周邊零件發(fā)生碰撞干涉，還將導(dǎo)致整車在上述工況下有明顯的撞擊感，引起駕乘人員的不適，NVH性能變差。

為了避免上述各方向的位移異常，需要在芯子與底座之間設(shè)計(jì)有效的線性段特征、軟限位段特征、硬限位段特征。在常見工況下確保動(dòng)力總成的位移量均在線性段內(nèi)，在整車有較劇烈工況（1stWOT，顛簸等）下動(dòng)力總成的運(yùn)動(dòng)在軟限位內(nèi)，利用硬限位的作用抑制動(dòng)力總成在極限工況（碰撞、劇烈顛簸等）下的過(guò)量運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)提取整車在所有工況下動(dòng)力總成的加速度g載荷和結(jié)合整車對(duì)于動(dòng)力總成的限位要求，利用上述位移和載荷的計(jì)算方法[1-2]精確地計(jì)算剛度曲線組成部分[1-3]中每一段的長(zhǎng)度，不僅可以有效約束動(dòng)力總成的運(yùn)動(dòng)量，還可以提升整車的NVH性能。

表9為改進(jìn)后的A點(diǎn)、B點(diǎn)、E點(diǎn)的位移控制量。

表9 改進(jìn)后動(dòng)力總成總位移控制量 mm

2.3 剛度曲線設(shè)計(jì)

對(duì)載荷分配的控制要求最終在懸置橡膠主簧的剛度曲線線性段剛度上體現(xiàn)出來(lái)，對(duì)位移的控制要求最終在上述剛度曲線的軟、硬限位設(shè)計(jì)上體現(xiàn)出來(lái)。在拐點(diǎn)處，橡膠剛度將發(fā)生極大的突變。為了消除原車的故障，利用參考文獻(xiàn)[1]的設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)該車型的A點(diǎn)、B點(diǎn)、E點(diǎn)橡膠主簧的剛度曲線。故對(duì)于A+B+E布置的6點(diǎn)懸置而言總共有18條剛度曲線。

懸置系統(tǒng)剛度曲線是否合理的判斷方法為：1）對(duì)于重型卡車懸置，在靜載工況下A點(diǎn)和B點(diǎn)的Z向預(yù)壓量通常為3.5～4.5 mm，且盡量保證A點(diǎn)預(yù)壓量與B點(diǎn)相等；2）在典型工況[1]下動(dòng)力總成的位移是否在軟限位段以內(nèi)；3）在極限工況[1]和碰撞工況[1]下動(dòng)力總成的位移是否在硬限位以內(nèi)；4）在所有工況下變速箱輔助支撐（E點(diǎn)）的載荷是否滿足變速箱供應(yīng)商的設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.4 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

基于上述的仿真、試驗(yàn)、分析，新的重卡懸置軟墊總成需要具備如下特性：1）A點(diǎn)、B點(diǎn)軟墊總成需要具備較高的Y向剛度，設(shè)定Kz≈Kx≈Ky；2）A點(diǎn)、B點(diǎn)在3個(gè)主平動(dòng)方向（X、Y、Z）需要有顯著的軟、硬限位設(shè)計(jì)；3）A點(diǎn)、B點(diǎn)剛度可依據(jù)需要靈活調(diào)整；4）E點(diǎn)輔助支撐軟墊在平動(dòng)方向需要有軟限位的能力，而不能有硬限位；5）懸置軟墊總成的設(shè)計(jì)還需要具備良好的裝配工藝性等。

2.4.1 A、B點(diǎn)軟墊設(shè)計(jì)

圖8所示的第一代軟墊純橡膠塊結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)為價(jià)格便宜；缺點(diǎn)為：可靠性差，故障率高，NVH性能差，無(wú)限位能力，總裝工藝差。

圖8 第一代軟墊

原車技術(shù)方案軟墊總成屬于當(dāng)前國(guó)內(nèi)重型卡車廣泛使用的圖9所示的第二代軟墊總成。第二代軟墊優(yōu)點(diǎn)為：具備Z、X限位能力，總裝工藝優(yōu)秀；缺點(diǎn)為：價(jià)格高，NVH性能一般，可靠性較好，制造工藝要求稍高。與圖8所示的第一代軟墊純橡膠塊結(jié)構(gòu)相比，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，由獨(dú)立兩個(gè)橡膠體組成V型主簧，增加了Z向和Y向限位特征，在這兩個(gè)方向上橡膠體受到壓、剪的共同作用，均可提供較高的剛度，同時(shí)也有良好的限位裝置。但在Y向上，動(dòng)力總成Y向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，橡膠主要起到剪切作用，剛度非常低，芯子后端僅有約2 mm厚度的緩沖橡膠。當(dāng)芯子越過(guò)線性段后達(dá)到軟拐點(diǎn)，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)約1.3 mm后達(dá)到硬拐點(diǎn)，此時(shí)剛度瞬間突變并趨于無(wú)窮大。故Y向無(wú)法有效約束動(dòng)力總成的位移，且無(wú)法起到有效的隔振、緩沖作用，不僅剛度低，同時(shí)在轉(zhuǎn)彎等工況下還有明顯的撞擊感。

圖9 第二代軟墊

針對(duì)第二代軟墊總成中Y向剛度不足的缺陷，在本次技術(shù)改進(jìn)過(guò)程中創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了圖10所示的改進(jìn)型重卡軟墊總成結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：具備Z、X、Y全向限位能力，隔振性能優(yōu)秀，NVH性能優(yōu)秀，可靠性優(yōu)秀，總裝工藝優(yōu)秀；缺點(diǎn)為價(jià)格高、制造工藝復(fù)雜。通過(guò)優(yōu)化底座內(nèi)部形狀，使橡膠的隔振與限位功能分離。底座下側(cè)的隔振橡膠主簧設(shè)計(jì)呈“半體育場(chǎng)”結(jié)構(gòu)，增加Y向的膠料，并精確設(shè)計(jì)限位長(zhǎng)度。在動(dòng)力總成Y向運(yùn)動(dòng)時(shí)，使其主要受到壓縮的作用，能明顯地提升Y向剛度。同時(shí)合理設(shè)計(jì)軟、硬限位的拐點(diǎn)，精確地控制動(dòng)力總成的位移。

圖10 第三代軟墊

2.4.2 E點(diǎn)輔助支撐改進(jìn)

E點(diǎn)輔助支撐改進(jìn)前、后對(duì)比如圖11、圖12所示。改進(jìn)后的輔助支撐采用襯套式結(jié)構(gòu)，襯套內(nèi)管通過(guò)兩個(gè)支架連接到縱梁上，襯套外管通過(guò)橫梁連接到變速箱上。襯套的外管在Z、Y方向具有360°軟限位的功能。有效地防止其橡膠主簧受到動(dòng)力總成過(guò)大位移的拉扯。

圖11 輔助支撐改進(jìn)前

圖12 輔助支撐改進(jìn)后

2.4.3 懸置剛度設(shè)計(jì)

考慮到A點(diǎn)預(yù)壓量控制在3.5 mm以內(nèi)，B點(diǎn)的預(yù)壓量控制在4.5 mm以內(nèi)，最終設(shè)定A點(diǎn)剛度為730 N/mm，B點(diǎn)剛度為1300 N/mm，E點(diǎn)剛度為350 N/mm。

改進(jìn)后動(dòng)力總成在上述工況下的位移量均在預(yù)期范圍內(nèi)，不僅可以有效地防止E點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)大的位移，還可避免動(dòng)力總成有明顯的撞擊感。

3 結(jié)語(yǔ)

E點(diǎn)僅僅承擔(dān)約小于20%的動(dòng)力總成載荷，否則將造成變速箱殼體的損壞。因此在E點(diǎn)輔助支撐橡膠彈性體的剛度設(shè)計(jì)上必須確保其僅僅承擔(dān)變速箱的載荷，而不能引入發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷。原車懸置系統(tǒng)剛度分配不合理導(dǎo)致E點(diǎn)所承受的載荷和位移遠(yuǎn)超預(yù)期，而E點(diǎn)的載荷過(guò)大導(dǎo)致變速箱殼體所承受的載荷已超過(guò)材料的屈服極限并損壞。在本文中，通過(guò)精確設(shè)計(jì)懸置系統(tǒng)的載荷和設(shè)計(jì)線性段、硬限位段長(zhǎng)度，并最終引入全新的A點(diǎn)、B點(diǎn)懸置結(jié)構(gòu)和變速箱輔助懸置結(jié)構(gòu)，良好地改進(jìn)了現(xiàn)有產(chǎn)品的缺陷。