重卡动力总成悬置设计方法与产品开发

苏朝霞，董加加,2

（1.北汽福田汽车股份有限公司 工程研究总院，北京 102206；2.北汽(常州)汽车有限公司，江苏 常州 213000）

0 引言

重型卡车用动力总成悬置系统通常为6点布置，位于发动机前端左右对称布置的悬置称为A点悬置；位于发动机飞轮壳左右两侧对称布置的悬置称为B点悬置；位于变速箱尾端上方的辅助支撑称为E点悬置，如图1所示。

图1 悬置安装位置示意图

某系列车型配备AMT自动变速箱的车型采用的悬置安装点为A+B+E。其中，E点壳体开裂故障率为0.19%。如图2所示，该自动变速箱E点处壳体的故障形式主要表现为：1）钢套脱出；2）钢套脱出同时E点橡胶开裂；3）E安装凸台根部开裂。变速箱壳体损坏则需要更换整个壳体，费用高昂，售后抱怨强烈，橡胶软垫频繁开裂也导致较高抱怨。

图2 变速箱壳体失效形式

1 仿真及试验验证

1.1 仿真分析

1.1.1 原车悬置系统参数

车辆动力总成参数如下：动力总成总质量为1318.53 kg，动力总成在整车坐标系下的质心坐标为（196.92，-16.96，182.34）；发动机输出转矩为2600 N·m，变速器1挡速比为16.1，倒挡速比为15.5。悬置系统弹性中心坐标如表1所示。

表1 动力总成弹性中心

车辆悬置系统的静刚度数据如表2所示。

表2 悬置系统刚度 N/mm

1.1.2 仿真工况设计

基于重型卡车的使用条件，确定表3所示的仿真工况，计算A点、B点、E点的载荷分布情况。根据参考文献[2]，载荷施加在动力总成质心处，载荷包括力和力矩，g为重力加速度。

表3 重卡用载荷工况

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

为了确认不同E点刚度对变速箱壳体的影响，并考虑了动力总成刚体模态和解耦率[3]要求，设计了表4所示的刚度方案分析对比。

表4 不同E刚度匹配方案 N/mm

1.1.3 仿真模型

利用HyperWorks搭建动力总成和悬置系统模型，如图3所示。其中，采用点质量替代动力总成，动力总成与悬置支架采用rbe2连接，橡胶弹性体采用弹簧单元模拟。

图3 动力总成载荷计算模型

1.1.4 仿真分析结果

验证1的刚度设定表明：相对于原设计，正/反向最大转矩工况下，E点受到侧向力减小约1000 N (40%)，E点受到的垂向力减小约4000 N(35%)；垂向冲击工况下，E点受到侧向力减小约2000 N (42%)，E点受到的垂向力减小约2500 N(28%)；前后冲击工况下，E点受到X、Y、Z方向力变小幅值约100 N，可忽略；侧向冲击工况下，E点受到侧向力减小约650 N(3%)，E点受到的垂向力减小约1650 N(21%)。原设计和验证1的变速箱壳体悬置安装点处的应力如表5所示。

表5 E点变速箱壳体处的最大综合应力MPa

通过仿真表明，原设计方案中，在部分工况下变速箱壳体所受的应力已超过材料的屈服强度。通过合理分配A点、B点、E点载荷可有效降低变速箱辅助悬置安装点的载荷和应力，同时基于上述的分析需要设计出全新的E点辅助悬置。

1.2 试验测试

1.2.1 试验工况

为了进一步确定变速箱壳体E点安装处损坏的原因。现进行实车测试，提取原设计方案在E点处变速箱壳体的载荷情况。同时，为了确认降低E点刚度是否可以降低E点处变速箱壳体的载荷。设计了表6所示的测试方案。

表6 实车载荷验证方案 N/mm

整车测试所采用的工况如表7所示。

表7 整车路上测试工况

1.2.2 测试设备和结果

测试采用贴应变片方式，如图4所示。并设有加速度传感器采集车辆行驶中的加速度数据。

图4 测试设备

对测试数据滤波[1]，提取E点辅助支撑在3个平动方向的最大力值，整理后如表8所示。E点载荷测试结果表明，降低E点悬置软垫刚度，能降低X、Y、Z三方向的应力。

表8 实车测试载荷 N

1.3 故障分析

通过上述的仿真和测试表明：1）A点、B点、E点悬置的静态刚度和限位设计设定不合理，动力总成在运动时E点过多地分担动力总成的载荷。2）整车在转弯工况下，动力总成受到较大的侧向离心力作用，由于A点、B点的Y向刚度较低（约为180 N/mm），无法有效地限制动力总成的位移，导致E点所受的侧向位移力较大。3）动力总成在有Roll方向的滚转运动趋势时，由于A点所处的位置低于动力总成的质心，A点受到较大的侧向力作用。A点处的侧向力导致动力总成有以B点为中心旋转运动的趋势，同样导致E点所受的侧向载荷和位移较大。4）E点橡胶主簧没有限位设计。E点所受的作用力和位移直接作用于橡胶主簧，仅仅靠橡胶与金属的硫化结构来克服作用力，导致橡胶硫化结构易于开裂。

2 新的设计方法及产品

基于上述的仿真与测试分析，在悬置的设计上提出以下两项设计技术。

1）悬置系统载荷分配技术。为了降低E点载荷和提升整车NVH性能，精确计算在各种工况下A点、B点、E点刚度与E点载荷的关系；在综合考虑每个悬置点预压量、动力总成刚体模态、解耦率[3]的基础上，找出最合适的上述3点刚度。

2）动力总成位移控制技术。为了防止E点橡胶主簧有过大的位移量，精确设计A点、B点、E点悬置总成的限位结构，并确定最合适的软限位和硬限位拐点。在确保不影响NVH性能的基础上准确地控制动力总成的位移。使其在所有工况下的平动位移量和转动位移量均在预期的范围内。

2.1 悬置系统载荷分配技术

根据A点、B点、E点刚度与E点载荷的关系，再综合考虑A点、B点预压量、动力总成刚体模态和解耦率的基础上，选择最合适的A、B、E点的刚度，确保在所有工况下E点的载荷都能尽可能小。

A点、B点、E点静刚度的不同设置均直接影响E点的载荷。为了找到这三者刚度与E点载荷之间的变化关系，设计了如下计算工况：利用上述计算方法计算在上述工况4下，B点、E点刚度不变，A点刚度与E点载荷的变化关系如图5所示；A点、E点刚度不变，B点刚度与E点载荷的变化关系如图6所示；A点、B点刚度不变，E点刚度与E点载荷的变化关系如图7所示。

图5 A点刚度与E点载荷关系

图6 B点刚度与E点载荷关系

图7 E点刚度与E点载荷关系

为了确保在垂直载荷下E点的刚度降到最低，必须通过特定的结构设计使E点在静载工况下处于不受力的状态。同时还需要通过结构设计确保E点软垫总成在装配后无任何预压变形。

Z方向主要用于承载动力总成的重力，但由于质心在B点上方，且考虑到A点的隔振性能需要，故A点的刚度没有必要设定得太高。为了确保动力总成在垂向运动过程中姿态保持不变，A点和B点橡胶主簧的位移量需基本相等，故B点的刚度必然需要大于A点，否则动力总成的后端将有上翘或下塌的趋势。体现到胶料使用上，B点采用的胶料邵尔硬度也要高于A点。

X方向的刚度主要用于控制动力总成的纵向位移量，并且这个纵向位移量由A点和B点的X向刚度总和控制。故只要两者的刚度总和符合要求即可。考虑到两点胶料的不同，在相同的主簧结构下，A点的X向刚度低于B点。

Y方向刚度设定与控制动力总成的Lateral位移、Roll方向的位移及刚体模态相关联。动力总成在受到离心力运动的位移主要由A点和B点的Y向刚度控制，此外，由于A点的弹性中心位于动力总成的底部，在急加速或发动机制动等工况下A点悬置将受到较大侧向力作用，此时动力总成有滚转（Roll）运动趋势同时伴随着绕B点发生横摆（Yaw）运动趋势，故A点的Y向刚度不宜太低，否则将导致E点橡胶软垫在Y向受到较大位移的拉扯，同时安装点受到较大的反作用载荷。故需要将A点Y向刚度设定得高一些。B点的载荷主要在Z向，故基于隔振性能的考虑可以适当降低一些Y向的刚度。但B点的Y向刚度也不宜太小，若A点的Y向刚度明显大于B点，则动力总成在受到侧向力的作用下产生以A点为圆心的横摆运动，同样导致E点辅助支撑的Y向的位移量过大。

基于上述的分析，在这两个方向悬置软垫总成均需要有足够的静态刚度限制动力总成的位移。故设定Kz≈Kx≈Ky。

E点的刚度无需设计得太高。由于A、B两点具有较高的刚度，动力总成在沿各个方向运动时，故主要依靠这两点承载动力总成的载荷。E点由于刚度较低，在同样的位移下，E点所承受的载荷较小。此外，E点辅助支撑主要用于辅助承载变速箱Z向跳动时的载荷，而其他两个方向的载荷不需要该辅助支撑过多分担，故把Z向的刚度设定得比其他两个方向高些。

2.2 动力总成位移控制技术

整车在过凹坑、转弯等工况动力总成将发生明显的Z向、Y向位移。在急加速/减速等工况下，不仅仅有X向位移，还伴随明显的绕X轴的滚转运动。这些位移量必须限定在合理的范围内。过大的位移量一方面导致动力总成易与周边零件发生碰撞干涉，还将导致整车在上述工况下有明显的撞击感，引起驾乘人员的不适，NVH性能变差。

为了避免上述各方向的位移异常，需要在芯子与底座之间设计有效的线性段特征、软限位段特征、硬限位段特征。在常见工况下确保动力总成的位移量均在线性段内，在整车有较剧烈工况（1stWOT，颠簸等）下动力总成的运动在软限位内，利用硬限位的作用抑制动力总成在极限工况（碰撞、剧烈颠簸等）下的过量运动。

通过提取整车在所有工况下动力总成的加速度g载荷和结合整车对于动力总成的限位要求，利用上述位移和载荷的计算方法[1-2]精确地计算刚度曲线组成部分[1-3]中每一段的长度，不仅可以有效约束动力总成的运动量，还可以提升整车的NVH性能。

表9为改进后的A点、B点、E点的位移控制量。

表9 改进后动力总成总位移控制量 mm

2.3 刚度曲线设计

对载荷分配的控制要求最终在悬置橡胶主簧的刚度曲线线性段刚度上体现出来，对位移的控制要求最终在上述刚度曲线的软、硬限位设计上体现出来。在拐点处，橡胶刚度将发生极大的突变。为了消除原车的故障，利用参考文献[1]的设计方法重新设计该车型的A点、B点、E点橡胶主簧的刚度曲线。故对于A+B+E布置的6点悬置而言总共有18条刚度曲线。

悬置系统刚度曲线是否合理的判断方法为：1）对于重型卡车悬置，在静载工况下A点和B点的Z向预压量通常为3.5～4.5 mm，且尽量保证A点预压量与B点相等；2）在典型工况[1]下动力总成的位移是否在软限位段以内；3）在极限工况[1]和碰撞工况[1]下动力总成的位移是否在硬限位以内；4）在所有工况下变速箱辅助支撑（E点）的载荷是否满足变速箱供应商的设计规范。

2.4 产品设计

基于上述的仿真、试验、分析，新的重卡悬置软垫总成需要具备如下特性：1）A点、B点软垫总成需要具备较高的Y向刚度，设定Kz≈Kx≈Ky；2）A点、B点在3个主平动方向（X、Y、Z）需要有显著的软、硬限位设计；3）A点、B点刚度可依据需要灵活调整；4）E点辅助支撑软垫在平动方向需要有软限位的能力，而不能有硬限位；5）悬置软垫总成的设计还需要具备良好的装配工艺性等。

2.4.1 A、B点软垫设计

图8所示的第一代软垫纯橡胶块结构优点为价格便宜；缺点为：可靠性差，故障率高，NVH性能差，无限位能力，总装工艺差。

图8 第一代软垫

原车技术方案软垫总成属于当前国内重型卡车广泛使用的图9所示的第二代软垫总成。第二代软垫优点为：具备Z、X限位能力，总装工艺优秀；缺点为：价格高，NVH性能一般，可靠性较好，制造工艺要求稍高。与图8所示的第一代软垫纯橡胶块结构相比，在内部结构上，由独立两个橡胶体组成V型主簧，增加了Z向和Y向限位特征，在这两个方向上橡胶体受到压、剪的共同作用，均可提供较高的刚度，同时也有良好的限位装置。但在Y向上，动力总成Y向运动过程中，橡胶主要起到剪切作用，刚度非常低，芯子后端仅有约2 mm厚度的缓冲橡胶。当芯子越过线性段后达到软拐点，继续运动约1.3 mm后达到硬拐点，此时刚度瞬间突变并趋于无穷大。故Y向无法有效约束动力总成的位移，且无法起到有效的隔振、缓冲作用，不仅刚度低，同时在转弯等工况下还有明显的撞击感。

图9 第二代软垫

针对第二代软垫总成中Y向刚度不足的缺陷，在本次技术改进过程中创新地设计了图10所示的改进型重卡软垫总成结构。该结构的优点为：具备Z、X、Y全向限位能力，隔振性能优秀，NVH性能优秀，可靠性优秀，总装工艺优秀；缺点为价格高、制造工艺复杂。通过优化底座内部形状，使橡胶的隔振与限位功能分离。底座下侧的隔振橡胶主簧设计呈“半体育场”结构，增加Y向的胶料，并精确设计限位长度。在动力总成Y向运动时，使其主要受到压缩的作用，能明显地提升Y向刚度。同时合理设计软、硬限位的拐点，精确地控制动力总成的位移。

图10 第三代软垫

2.4.2 E点辅助支撑改进

E点辅助支撑改进前、后对比如图11、图12所示。改进后的辅助支撑采用衬套式结构，衬套内管通过两个支架连接到纵梁上，衬套外管通过横梁连接到变速箱上。衬套的外管在Z、Y方向具有360°软限位的功能。有效地防止其橡胶主簧受到动力总成过大位移的拉扯。

图11 辅助支撑改进前

图12 辅助支撑改进后

2.4.3 悬置刚度设计

考虑到A点预压量控制在3.5 mm以内，B点的预压量控制在4.5 mm以内，最终设定A点刚度为730 N/mm，B点刚度为1300 N/mm，E点刚度为350 N/mm。

改进后动力总成在上述工况下的位移量均在预期范围内，不仅可以有效地防止E点出现过大的位移，还可避免动力总成有明显的撞击感。

3 结语

E点仅仅承担约小于20%的动力总成载荷，否则将造成变速箱壳体的损坏。因此在E点辅助支撑橡胶弹性体的刚度设计上必须确保其仅仅承担变速箱的载荷，而不能引入发动机的载荷。原车悬置系统刚度分配不合理导致E点所承受的载荷和位移远超预期，而E点的载荷过大导致变速箱壳体所承受的载荷已超过材料的屈服极限并损坏。在本文中，通过精确设计悬置系统的载荷和设计线性段、硬限位段长度，并最终引入全新的A点、B点悬置结构和变速箱辅助悬置结构，良好地改进了现有产品的缺陷。