重型卡車(chē)用動(dòng)力總成懸置技術(shù)研究

董加加，蘇朝霞

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

前言

重型卡車(chē)（簡(jiǎn)稱(chēng)“重卡”）的發(fā)動(dòng)機(jī)排量通常在9 L以上，動(dòng)力總成的長(zhǎng)度超過(guò)1.5 m，質(zhì)量超過(guò)1.2 t以上。動(dòng)力總成通過(guò)懸置系統(tǒng)安裝到車(chē)架上，并把自身的重量均勻合理地分布在每個(gè)懸置上。懸置作為動(dòng)力總成安裝集成的關(guān)鍵部件，在整車(chē)集成上扮演重要角色。不同的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)不同，預(yù)留的懸置系統(tǒng)安裝位置和安裝空間不同，因此懸置結(jié)構(gòu)類(lèi)型多樣。但懸置系統(tǒng)的作用總體均可歸結(jié)于如下幾點(diǎn)：

（1）支承作用。確保動(dòng)力總成安裝在預(yù)期的位置。

（2）限位作用。約束動(dòng)力總成的位移，確保動(dòng)力總成在任何工況下位移都在預(yù)期的范圍內(nèi)。

（3）隔振作用。盡可能地降低振動(dòng)在動(dòng)力總成與車(chē)架之間的傳遞。

1 布置形式研究

重卡出于運(yùn)行工況、動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)、布置形式，可靠性等因素考慮，在懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式上和總體布置上和其他諸如乘用車(chē)、輕卡等有較為明顯的不同。重卡通常采用6點(diǎn)懸置布置。在發(fā)動(dòng)機(jī)前端左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置前懸置（簡(jiǎn)稱(chēng)“A”點(diǎn)），在發(fā)動(dòng)機(jī)末端飛輪殼左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置后懸置（簡(jiǎn)稱(chēng)“B”點(diǎn)），在變速箱末端上方還布置有變速箱輔助支撐（簡(jiǎn)稱(chēng)“E”點(diǎn)）。如下圖1所示。

圖1 六點(diǎn)懸置布置示意圖

采用六點(diǎn)懸置布置形式后，由于E點(diǎn)安裝處通常還安裝有油箱支架，第二轉(zhuǎn)向橋搖臂支座、蓄電池支架等，往往使得該部位需要共孔較多，降低螺栓連接的可靠性。此次較多的零部件也對(duì)燃油管、電纜、制動(dòng)管的布置形成一個(gè)挑戰(zhàn)。通常，變速箱E點(diǎn)的載荷要求不高于整個(gè)動(dòng)力總成的30%。采用六點(diǎn)懸置布置后，若E點(diǎn)的使用不當(dāng)，則可能引入額外的動(dòng)力總成載荷，導(dǎo)致變速箱懸置安裝處的殼體受到超過(guò)自身材料的應(yīng)力而損壞。因此在使用E點(diǎn)的過(guò)程中，需要結(jié)合載荷工況精確地計(jì)算A點(diǎn)、B點(diǎn)、E點(diǎn)懸置所分擔(dān)到的載荷，并匹配最合適的E點(diǎn)剛度值。

最近幾年也有越來(lái)越多的重卡開(kāi)始嘗試采用如下圖2所示的四點(diǎn)布置形式。

圖2 四點(diǎn)懸置布置示意圖

采用四點(diǎn)布置后，相比較六點(diǎn)布置形式，少了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的變速箱輔助懸置，不僅可以降低懸置匹配難度而且還可以降低一部分成本。四點(diǎn)布置的后懸置安裝孔位通常需要距離動(dòng)力總成質(zhì)心約200 mm以上，一般設(shè)計(jì)在變速箱的離合器殼體上（簡(jiǎn)稱(chēng)“C”點(diǎn)），或者變速箱中后部（簡(jiǎn)稱(chēng)“D”點(diǎn)），而不能位于發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪殼體上。以上的懸置布置主要是基于載荷均勻分布考慮的。

采用四點(diǎn)布置的較為理想的載荷分配為前40%后60%。若后懸置的彈性中性距離動(dòng)力總成的質(zhì)心太近，則將導(dǎo)致后懸置所承受的載荷過(guò)大，而為了保證動(dòng)力總成在落裝后的姿態(tài)，則需要后懸置的剛度遠(yuǎn)大于前懸置。還有，后懸置的剛度過(guò)大，動(dòng)力總成的振動(dòng)激勵(lì)更加容易通過(guò)后懸置傳遞到車(chē)架和駕駛室。此外，過(guò)大的后懸置載荷也非常不利于懸置軟墊總成的疲勞壽命。

2 懸置材料研究

重卡懸置需要承受極高的動(dòng)力總成往復(fù)載荷，其材料需要具有極強(qiáng)的抗疲勞性能，具體見(jiàn)下表1。底座的材料通常采用鑄鐵材料，在兼顧性能與成本的情況下牌號(hào)一般選擇QT450。對(duì)于一些重載的應(yīng)用，底座的材料通常選用ZG310— 570或者更高。對(duì)于一些對(duì)輕量化要求較高的車(chē)輛，也有采用鑄鋁結(jié)構(gòu)。前者的屈服強(qiáng)度較高，能較好地承受往復(fù)的載荷沖擊；后者重量輕，且可以鑄造出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征。

在懸置的隔振單元選取上，為了能承受極高的載荷沖擊和極高的可靠性要求，重卡的懸置隔振材料通常都采用純橡膠結(jié)構(gòu)（天然橡膠NR），很少有采用液阻結(jié)構(gòu)的懸置系統(tǒng)。采用純橡膠結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)可靠性性高，沒(méi)有液體的存在，不出現(xiàn)液體泄露的風(fēng)險(xiǎn)，但是缺點(diǎn)是沒(méi)辦法在所有工況下都能有較好的隔振性能，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)整車(chē)對(duì)于懸置系統(tǒng)的“大剛度大阻尼，小剛度小阻尼”的要求。

3 結(jié)構(gòu)形式研究

重型卡車(chē)懸置發(fā)展至今，其技術(shù)可歸為三代，見(jiàn)下表1的特點(diǎn)比較。第一代懸置系統(tǒng)內(nèi)的懸置橡膠主簧類(lèi)似于矩形的橡膠塊，硫化在其上的金屬結(jié)構(gòu)件與主、被動(dòng)端懸置支架相連接。此種懸置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。其上的金屬結(jié)構(gòu)件同樣還起到限位作用，在極限工況下起到一定的約束動(dòng)力總成位移的作用。限位的作用主要表現(xiàn)在：

表1 重卡用主流懸置特點(diǎn)比較

（1）在Z向，利用上金屬板和下金屬板之間的錯(cuò)位設(shè)計(jì)，在動(dòng)力總成垂向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，利用下金屬板阻止上金屬板的過(guò)量位移。

（2）在Y向，利用對(duì)稱(chēng)件一起提供Y向的限位。此種懸置采用的是傾斜一定角度（10°～45°）布置，動(dòng)力總成施加在懸置上的垂向力可以分解為Z向和Y向。在實(shí)際的使用中，可以根據(jù)需要提供的側(cè)向力的大小適當(dāng)調(diào)整傾斜角度。

該種橡膠塊式懸置限位性能不充分，主要表現(xiàn)形式如下：

（1）在整車(chē)的X方向無(wú)限位能力。

（2）在某些特定的如顛簸路面同時(shí)有側(cè)向力（轉(zhuǎn)彎、加速等）等工況下則喪失限位能力。

此種懸置結(jié)構(gòu)的失效形式主要表現(xiàn)為：

（1）橡膠軟墊在X方向的疲勞開(kāi)裂，這主要是由于在X方向無(wú)限位所致。

（2）上、下金屬板折彎。這是由于在上述特定工況下上金屬板越過(guò)下金屬板限定的位移范圍，在歸位過(guò)程中，沒(méi)有沿原路徑返回，導(dǎo)致撞擊力度過(guò)大。

第一代懸置由于是采用具有一定傾斜角度的裝配方式，裝配工藝性也較差。還有，必須在軟墊上設(shè)計(jì)有定位銷(xiāo)結(jié)構(gòu)，防止在裝配過(guò)程中橡膠塊發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

第二代軟墊總成也稱(chēng)復(fù)合軟墊總成，懸置通常有兩部分組成，底座和芯子。底座作為懸置軟墊總成最外面的殼體，用于芯子的安裝與固定，并提供芯子的硬限位特征。底座的背面直接與車(chē)架相連接，無(wú)需再使用額外的支架與車(chē)架相連接。這樣可以有效提升懸置被動(dòng)端的模態(tài)。

芯子包含兩部分組成，一部分是內(nèi)骨架，一部分是橡膠主簧。橡膠主簧通過(guò)硫化的方式與內(nèi)骨架形成一個(gè)整體。內(nèi)骨架與懸置主動(dòng)端支架相連接，可以看作發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的外延。橡膠主簧用于隔離和消除動(dòng)力總成和車(chē)架之間雙向的振動(dòng)傳遞。芯子通過(guò)硫化體的下金屬板背部外延的凸起結(jié)構(gòu)與底座裝配到一起。

橡膠主簧為兩個(gè)獨(dú)立的橡膠塊按照一定的角度放置，形成一個(gè)楔形結(jié)構(gòu)。共同承擔(dān)動(dòng)力總成的載荷。

由于有底座的存在，此種懸置具有較強(qiáng)的限位能力[1-2]和強(qiáng)度，有效降低橡膠的疲勞損傷，具體表現(xiàn)為：

（1）在Z向，利用芯子上部的凹槽結(jié)構(gòu)和底座上底面的凸起結(jié)構(gòu)，可有效地限制動(dòng)力總成在Z+向的過(guò)量位移；利用內(nèi)骨架底部的平面結(jié)構(gòu)和底座下底面內(nèi)表面的平面結(jié)構(gòu)可有效地抑制動(dòng)力總成在Z-的過(guò)量運(yùn)動(dòng)。

（2）在X向，利用上述的凹槽和凸起結(jié)構(gòu)同樣可以限制X向的過(guò)量位移。

第二代復(fù)合軟墊總成的一個(gè)較為明顯的缺陷是在Y向的剛度不足，在整車(chē)的Y向，由于橡膠主要受到剪切作用，而橡膠在剪切作用下的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓縮作用，因而整個(gè)軟墊總成在Y向剛度曲線線性段表現(xiàn)出來(lái)的剛度僅僅約為其他兩個(gè)方向的1/4～1/5左右。當(dāng)內(nèi)骨架的運(yùn)動(dòng)越過(guò)線性段后，直接較為剛性地撞擊到底座的背面內(nèi)側(cè)，撞擊的瞬間剛度趨于無(wú)窮大。表現(xiàn)為剛度曲線不光滑連續(xù)，在線性段后剛度劇增。

Y向剛度不足，帶來(lái)的較為顯著的問(wèn)題如下：

（1）在轉(zhuǎn)彎工況下，動(dòng)力總成受到較大的側(cè)向力的作用，懸置剛度突變往往在駕駛室內(nèi)可感受到較為沉悶的撞擊感。

（2）在急加速、Tip-in/out等工況下，動(dòng)力總成將產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，懸置需要抵抗動(dòng)力總成的切向力作用，而此種懸置Y向本身較低的剛度往往無(wú)法滿足此種工況的需求，將導(dǎo)致動(dòng)力總成在這些工況下產(chǎn)生繞通過(guò)動(dòng)力總成質(zhì)心的Z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)。此類(lèi)工況同樣可以感受到較強(qiáng)的撞擊感，同樣過(guò)大的位移還可導(dǎo)致變速箱末端的位移量過(guò)大影響傳動(dòng)系的工作。

具體到產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用，典型的搭配是前懸置采用第一代懸置結(jié)構(gòu)，后懸置采用第二代懸置結(jié)構(gòu)，如下圖3所示。由于前懸置位于動(dòng)力總成的底部，動(dòng)力總成在滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將對(duì)懸置施加較高的側(cè)向（Y向）力，利用第一代懸置結(jié)構(gòu)具有的較高Y向剛度可較好地抵抗動(dòng)力總成的這一運(yùn)動(dòng)。而后懸置通過(guò)安裝在在飛輪殼的上且彈性中心與動(dòng)力點(diǎn)平齊，在動(dòng)力總成滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中僅僅受到垂向力的作用，故此時(shí)利用第二代軟墊總成較高的承載能力可較為理想地抵抗動(dòng)力總成的反作用力矩。

最近這幾年越來(lái)越多的重卡廠商引入第三代復(fù)合軟墊總成用于自家的中高端產(chǎn)品上。前、后懸置均采用第三代復(fù)合軟墊。第三代復(fù)合軟墊總成的結(jié)構(gòu)組成與第二代產(chǎn)品類(lèi)似，同樣分為底座與芯子兩部分。但是引入了Y向剛度，改善了第二代復(fù)合軟墊總成的缺陷，同時(shí)也保留了第二代軟墊總成較高的承載能力和較高的耐疲勞性能。

底座的底面不是采用第二代產(chǎn)品的平面結(jié)構(gòu)而是采用具有一定坡面的類(lèi)“半體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)”。芯子的主簧也做了同樣的適應(yīng)性調(diào)整，由第二代產(chǎn)品的兩塊橡膠體組成的楔形結(jié)構(gòu)調(diào)整為“半碗形”結(jié)構(gòu)。在Y向同樣具有類(lèi)似X方向的膠料分布，因此Y向的剛度的變化是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，體現(xiàn)在剛度曲線上則是一個(gè)光滑的曲線。當(dāng)動(dòng)力總成沿Y向運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用Y向橡膠的受壓，可提供一個(gè)較高的線性段剛度。芯子運(yùn)動(dòng)一定位移量后剛度已增大到一定程度再接觸硬限位，此時(shí)的接觸更加平緩。基本上可消除剛度突變帶來(lái)的沖擊感。因此可顯著改善上述Y向剛度不足帶來(lái)的種種NVH問(wèn)題[1]。

類(lèi)似于半個(gè)碗形結(jié)構(gòu)的橡膠體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模具成本投入極高。Y向剛度的引入也帶來(lái)了其他兩個(gè)方向剛度的增加，因此如何設(shè)計(jì)出具有預(yù)期三項(xiàng)剛度的該種結(jié)構(gòu)是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。常用的設(shè)計(jì)方法如下圖3所示。

圖3 常用的第三代軟墊剛度設(shè)計(jì)方法

4 性能研究

4.1 靜態(tài)剛度特性

對(duì)重卡用的第三代復(fù)合軟墊總成的剛度性能測(cè)試，以某款奔馳Actross重卡的懸置軟墊總成為例，分別測(cè)試其三個(gè)方向的靜態(tài)剛度與Z向的動(dòng)剛度，在對(duì)其Z向、X向測(cè)試的時(shí)候采用兩件成對(duì)測(cè)試，取值為其總剛度的一半，如圖4所示。

圖4 第三代軟墊總成動(dòng)靜剛度測(cè)試

從物理結(jié)構(gòu)上測(cè)量，該懸置軟墊總成的線性段長(zhǎng)度，限位特征膠料厚度如下表2所示。

表2 第三代復(fù)合軟墊典型限位尺寸

加載范圍為：±1.5 g，取值范圍為：-1 g±150 N，加載速度：10 mm/min，加載3次后，在第4次加載時(shí)記錄數(shù)據(jù)且相鄰兩次加載時(shí)間間隔最大不超過(guò)10 s。

從圖5、6、7的三向剛度曲線看，線性段長(zhǎng)度和拐點(diǎn)位置體現(xiàn)明顯，曲線過(guò)渡光滑。Z向剛度與X向靜態(tài)剛度基本一致。但是Z-的線性段要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)度其他方向。Y+方向由于存在第三代懸置獨(dú)有的“半碗形”結(jié)構(gòu)，因此該方向的剛度特性和Z+向類(lèi)似，但是由于Y-不存在限位結(jié)構(gòu)，故該方向的剛度曲線呈現(xiàn)一條直線。

圖5 Z向靜剛度曲線

圖6 X向靜剛度曲線

圖7 Y向靜剛度曲線

4.2 動(dòng)態(tài)剛度特性

動(dòng)態(tài)特性反映出懸置在受到外界激勵(lì)時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的剛度特性。在本文中，詳細(xì)研究了該樣件的低頻動(dòng)態(tài)特性和高頻動(dòng)態(tài)特性。測(cè)試結(jié)果如下圖8、9所示。加載條件為預(yù)載：-1 g；激勵(lì)幅值：±0.5 mm；加載頻率范圍：5～50 Hz（低頻），10～200Hz（高頻）。從圖上可以看出，隨著激勵(lì)頻率的增加，動(dòng)剛度增加。在激勵(lì)頻率約為180 Hz處，出現(xiàn)橡膠體的共振。

圖8 低頻動(dòng)剛度與頻率變化關(guān)系

圖9 高頻動(dòng)剛度與頻率的變化關(guān)系

4.3 剛體模態(tài)解耦

如上所述，當(dāng)前重型卡車(chē)懸置技術(shù)方案主要分為如下表3所示的兩種，接下來(lái)分別計(jì)算其對(duì)剛體模態(tài)和解耦率[1,3]上的差異。

表3 重卡懸置兩種技術(shù)方案

某重卡（怠速700 rpm，6缸）的動(dòng)力總成質(zhì)心及慣性參數(shù)如下表4所示：

表4 某重卡動(dòng)力總成參數(shù)

其彈性中心坐標(biāo)（整車(chē)坐標(biāo)系）及動(dòng)剛度數(shù)據(jù)如下表5所示。前懸置動(dòng)靜比取1.7，后懸置動(dòng)靜比取2.0。

表5 某重卡布置彈性中心坐標(biāo)

采用兩種技術(shù)方案的該車(chē)型動(dòng)力總成的剛體模態(tài)和解耦率計(jì)算結(jié)果對(duì)比如下表7、8所示，計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]、[3]。

表7 技術(shù)方案1的剛體模態(tài)和解耦率 單位：%

表8 技術(shù)方案2的剛體模態(tài)和解耦率 單位：%

從上表6可以看出，技術(shù)方案1前懸置X方向剛度、后懸置Y向剛度僅僅約為其他方向的1/4。從表7和8可以得出：全部采用第三代復(fù)合軟墊總成對(duì)動(dòng)力總成最高階次的剛體模態(tài)影響較小，但較顯著地影響第一階次剛體模態(tài)。較高的第一階剛體模態(tài)可遠(yuǎn)離路面的低頻激勵(lì)。對(duì)于重卡比較關(guān)注的第3階垂向（Vertical）模態(tài)和第4階滾轉(zhuǎn)（Roll）模態(tài)基本上一致。因此提升上述兩個(gè)方向的剛度不會(huì)影響這兩階剛體模態(tài)。

表6 某重卡動(dòng)剛度匹配參數(shù) 單位：N/mm

對(duì)于上述兩階模態(tài)對(duì)應(yīng)的解耦率，采用技術(shù)方案1要稍微優(yōu)于技術(shù)方案2。Vertical 方向的改善得益于前懸置X向較低的剛度對(duì)Z向的影響。Roll方向解耦率的提高得益于技術(shù)方案1中后懸置Y向較低的剛度帶來(lái)的整個(gè)系統(tǒng)Y向剛度偏低。

5 總結(jié)

在布置形式上，當(dāng)前的重卡還是以6點(diǎn)懸置布置位置，但越來(lái)越多的重卡采用4點(diǎn)布置。在追求輕量化和高端車(chē)型上懸置主要使用鑄鋁材料。在懸置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，由于第三代懸置具有明顯的耐疲勞性能和NVH性能優(yōu)勢(shì)，在接下來(lái)將被廣泛使用。此外，第三代懸置的側(cè)向剛度對(duì)解耦率影響很小。