轻卡动力总成悬置系统故障分析及改进
杨猛
长城汽车股份有限公司 河北省汽车工程技术研究中心 保定 071000 摘要：随着汽车行业竞争日趋激烈，汽车消费更加合理，汽车需求从基本性能、经济性到动态高端舒适性都将日益扩大，所有汽车企业都在努力提高产品质量，以赢得消费者的青睐。其中，驾驶员和乘客的出行舒适性是消费者关注的重要指标之一。并在此基础上，阐述了轻卡车型动力总成悬置系统故障分析及改进，供参考。
关键词：动力总成；悬置系统故障分析；改进
引言 动力总成悬置是汽车动力总成的主要组成部件，主要有悬置支架和橡胶组成，一端使用螺栓安装在车架或者车身上，另一端使用螺栓连接到发动机和变速器上。其主要功能是支撑动力总成，限制动力总成的运动位移，以及隔离动力总成或路面生产的振动激励向车身驾驶室的传递。当车辆行驶在坑洼路面上时，动力总成悬置会受到不同的激励和振动的影响。如果设计不当，容易导致故障风险，直接影响到车辆的安全和舒适性，因此其强度性能必须符合设计要求。
1故障原因分析 某款车的发动机为直列四缸发动机，纵置布置在机舱里，动力总成悬置采用的是A+D结构（A：发动机前端，D：发动机后端），属于常规轻卡车辆布置状态。对于直列四缸发动机，它的主要激励是低速区段的二阶扭矩波动和高速区段的二阶惯性力。动力总成在空间的运动中有六个自由度，即通过质心三个坐标轴的平动和绕此三个轴线的转动。因此动力总成悬置系统有六个振动模式，相应有六个固有频率。车辆产生抖动情况，当发动机输出动力，通过前后悬置软垫传递给车架，车架再通过车身悬置传递给驾驶室，还会传递给底盘上的其他零部件。当隔振效果不好，大量的振动会传递给车架，当车架的固有频率和动力输出的激励相同时就会产生共振现象，严重时会产生抖动，导致该款车辆出现的抖动问题。
2轻卡动力总成悬置系统故障的改进
2.1悬置材料研究
轻卡动力总成悬置需要承受极高的动力总成往复载荷，其材料需要具有极强的抗疲劳性能。底座的材料通常采用铸铁材料，在兼顾性能与成本的情况下牌号一般选择QT450。对于一些重载的应用，底座的材料通常选用ZG310-570或者更高。对于一些对轻量化要求较高的车辆，也有采用铸铝结构。前者的屈服强度较高，能较好地承受往复的载荷冲击；后者重量轻，且可以铸造出复杂的结构特征。在悬置的隔振单元选取上，为了能承受极高的载荷冲击和极高的可靠性要求，轻卡的动力总成悬置隔振材料通常都采用纯橡胶结构（天然橡胶NR），很少有采用液阻结构的悬置系统。采用纯橡胶结构的发动机悬置系统，优点是结构可靠性性高，没有液体的存在，不出现液体泄露的风险，但是缺点是没办法在所有工况下都能有较好的隔振性能，更无法实现整车对于悬置系统的“大刚度大阻尼，小刚度小阻尼”的要求。
2.2实车验证 方案制定好后，为验证方案的有效性和可靠性，通过在轻卡车上更换新刚度的发动机前后悬置软垫，分别在发动机前后悬置端，和车架端布置传感器，采集发动机悬置的隔振数据，采集脚踏板、方向盘和左后后视镜的振动最大加速度数据。经过前后悬置的实测数据对比，经过试装验证，车辆的抖动已不明显，优化效果明显。
2.3建立有限元模型 轻型卡车发动机安装支架包括前安装支架(与发动机相连)和后安装支架(与变速器相连)。前装配支架属于铸件，后装配支架属于钣金零件。前后装配支架导入有限元预处理软件Hypermesh。首先清洗并简化前安装支架的表面。然后用3mm壳涂抹前安装支架的表面，生成四面体元素。橡胶垫模型是用十六进制元素构建的，其刚度属性是固定的。然后将后装配支架的中性表面吸干。同样，大小为3 mm的四边形元素被用于离散化，橡胶垫是用六面体建模的。发动机和变速器质量为320 kg，其重量特征用质量点进行仿真。
2.4悬置系统动刚度的优化目标 在优化装配时，应考虑装配的动态刚度应与当前装配零件企业的现有加工能力相匹配，满足车身装配系统动态刚度及其3向刚度比的一般工程要求。在此基础上，车身3维动态刚度目标如下:(1)左右前支架3维动态刚度相同，左右后支架3维动态刚度相同；(2)所有支架的三维动态刚度必须至少为10N/mm。(3)装配三维动态刚度比的差不应过大，一般应介于3至8倍之间。
2.5技术路线 根据工程要求和现状，在轻卡车型动力平台的基础上，对悬置系统进行了载荷加载，并制定了具体的轻卡车型载荷加载措施。关注动力总成悬置系统的橡胶部件和支承件，悬置系统必须满足正常道路条件下安全行驶和正面碰撞的规定要求。主要包括:(1)确定正常道路条件下安装系统的极限荷载和碰撞过程中的最大冲击荷载；2)根据不同工作条件下的负荷计算最低支撑部分(节)；3)支架由较大拉伸材料组成，以增加支架碰撞后的变形。
2.6悬置系统优化 采用PPMLAB悬置系统设计分析软件，对车身悬置系统进行了优化设计，并寻求了前后左右四个车身悬置三维动态刚度的合理匹配，使新悬置系统的刚性连接模式不仅能有效避免空载电机激励和泵激励，而且能与零部件企业现有的设计加工能力相匹配，获得符合技术实践和应用要求的可实现装配。悬置系统的优化过程主要分为两个步骤:首先，给出悬置系统刚体模态频率和悬置系统整体三维动态刚度的边界面积，通过PPMLAB软件结合车身悬置组件的坡度和位置对每次悬置的三维动态刚度值进行优化，同时计算并输出车身动力学参数和车身悬置系统刚体模态。
