动力总成悬置系统改进与试验分析

徐中明，李 晓

(重庆大学 a.机械传动国家重点实验室;b.机械工程学院，重庆 400030)

动力总成和悬置元件组成动力总成悬置系统(以下简称悬置系统)。悬置系统能够衰减动力总成和车架之间的振动传递，并起到隔振、支承和限位的作用。悬置系统一般从固有频率合理分配、提高解耦率、降低振动传递率或作用力等角度考虑进行设计［1－3］，其中解耦方法在悬置系统的设计中应用最为广泛，主要有扭矩轴解耦、弹性解耦和能量解耦等［4－5］。当悬置弹性中心与系统质心重合时，悬置系统在6个方向上的振动完全解耦。多数文献［6－17］都是从隔振的角度进行悬置系统的分析和设计，然后对悬置系统进行仿真，再结合试验验证悬置系统的隔振性能。本文从支撑和限位的角度出发，针对某并联式混合动力客车实际运行中由于电机输出轴与动力总成之间的运动干涉所引起的连接法兰盘断裂的问题，对悬置系统进行分析，提出改进方案，并进行试验测试。

1 悬置系统刚体动力学建模与分析

并联式混合动力客车具有发动机和电动机2个动力源。本文将发动机动力总成(包括发动机、离合器和变速箱)作为研究对象。悬置系统的固有频率通常比动力总成自身的自由模态频率低得多，因此在研究悬置系统模态特性时将动力总成视为刚体，将橡胶悬置元件简化为三向正交的弹簧阻尼模型，从而将悬置系统简化成6自由度振动系统，并建立其刚体动力学模型，如图1所示。

图1 动力总成悬置系统刚体动力学模型

图1中动力总成的质量为1 012 kg。惯量参数如表1所示。悬置元件刚度参数如表2所示。

表1 动力总成的转动惯量和惯性积 kg·m2

表2 橡胶元件的刚度 N·mm－1

对悬置系统进行模态分析，结果如表3所示。从表3可以看出:悬置系统的固有频率偏低，整个悬置系统偏软，导致总成位移偏大，造成运动干涉，这与实际中该客车出现的问题相符。从能量解耦情况看，解耦率比较差，除了第1阶模态沿X轴向平动的解耦率较理想外，其他各阶的耦合都很严重，因此悬置系统设计不合理，需改进。

表3 悬置系统各阶固有频率和能量解耦率

2 悬置系统改进

原方案中变速箱处于悬臂状态，悬置系统又偏软，使得动力总成与车架的相对位移较大，造成动力总成与电机输出轴之间产生运动干涉，从而导致法兰盘断裂。因此，为了降低动力总成与车架的相对位移，抑制运动干涉，从降低成本并且使改进方案简单、易实现的角度考虑，结合变速箱的实际结构尺寸特点，在变速箱下方添加一对相同的悬置元件作为辅助支撑，原有的悬置不变。改进方案如图2所示。

图2 改进方案

以提高悬置系统固有频率和能量解耦率为目的，对变速箱下方的一对悬置元件进行优化计算，优化结果如表4、5所示。从表5的结果来看，固有频率和能量解耦率都明显提高很多。

表4 悬置刚度优化结果 N·mm－1

表5 优化后各阶固有频率和能量解耦率

3 悬置系统试验测试分析

为了检验在变速箱下方添加悬置后对动力总成侧倾角的影响，测量了原方案和改进方案总成和车架的角位移，从而分析改进前后动力总成悬置系统的倾角变化情况。

3.1 试验方法

试验时通过角位移传感器和数据采集器记录各个工况下动力总成与车架的侧倾角位移信号。角位移传感器分别安装在变速器和车架纵梁上，如图3所示。

图3 角位移传感器布置位置

试验选择在混合模式下，车辆分别以40、50和60 km/h的车速匀速行驶，然后再进行制动的工况。为保证试验的一致性，车辆由同一个驾驶员来控制。使用IMC采集器记录角位移传感器输出的电压信号，采样频率为100 Hz，采样时间为120 s。

3.2 结果分析

根据试验记录，利用IMC FAMOS软件编程将角位移传感器所测得的电压信号换算为角度，对各工况下记录的角位移信号进行处理。

试验所测得的角位移是相对于水平位置的。由于路况多变，动力总成和车架的角位移传感器有相互偏差，因此只能分析动力总成和车架之间的相对角位移。

以40 km/h等速－制动工况为例。图4、5分别给出了原方案和改进方案动力总成和车架的侧倾角位移、相对侧倾角位移。

由图4、5可知:

1)可以直观地看出加装变速器下方悬置后，在制动时，相对侧倾角明显变小。

2)在不同试验工况下，动力总成与车架的相对角位移在等速时有波动，这是由于路况造成的。

为了方便准确地对比悬置系统改进前后的效果，按如下方法计算各工况下动力总成相对车架的角位移:

1)从动力总成和车架的角位移时域图中，判断出制动开始的时间和结束的时间，从中截取出制动阶段。

2)在制动阶段计算动力总成和车架的相对角位移时，考虑到路况的变化，计算相对角位移的最大值和最小值，得到制动阶段动力总成和车架相对角位移的变化范围，以此作为评价指标。

各工况下的相对侧倾角位移如表6所示。图6为绘制出的折线。

表6 制动阶段动力总成与车架的相对侧倾角位移范围

图6 制动阶段动力总成与车架的相对侧倾角位移范围

图6对比了在同一工况下改进方案和原方案的效果。结果表明，在加装变速器下方悬置后，动力总成和车架的相对侧倾角明显变小，说明改进方案取得了良好的效果，能够有效防止动力总成和电机输出轴之间的运动干涉。

4 结束语

本文通过分析混合动力客车动力总成悬置系统的模态特性，提出了悬置系统改进方案，并进行了试验测试。结果表明，改进方案能有效地减小动力总成和车架之间的相对侧倾角，对改善动力总成和电机输出轴之间的运动干涉具有良好作用。目前改进方案已经获得了实际应用。

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