動力總成懸置剛度測試設(shè)備及方法

姜潤男，岳峰麗，王楷焱，朱 軍

（1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.上汽通用（沈陽）北盛汽車有限公司，遼寧 沈陽 110044）

零件的剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈 性變形的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。動力總成通過懸置系統(tǒng)固定在車架上，具有支撐和減振的作用，良好的動力總成懸置系統(tǒng)剛度可以有效地減小來自動力總成的振動，提高汽車乘坐的舒適性，并且可以避免動力總成與車身其他部件發(fā)生共振，延長汽車的使用壽命。

懸置系統(tǒng)這類減振裝置若由于疲勞破壞引起性能的失效則會嚴(yán)重影響汽車的行駛平順性和安全性。而良好的懸置剛度可以有效增強車輛的行駛平順性與安全性。

發(fā)動機懸置傳遞載荷與振幅的大小主要由復(fù)合元件的幾何形狀和所使用彈性體材料的物理性質(zhì)決定。彈性體特性強烈依賴于負(fù)載類型（預(yù)載荷、主應(yīng)力、剪切應(yīng)力）、振動頻率及溫度。

在測量過程中，確定發(fā)動機懸置傳遞特性最重要的參數(shù)是動剛度。動剛度為零件在動態(tài)載荷下所具有的剛度值，這可以用符合彈性靜態(tài)試驗VDA675480標(biāo)準(zhǔn)的合適實驗臺進行測量和評估。以預(yù)定頻率的穩(wěn)態(tài)正弦位移信號激勵測試樣品，并測量相關(guān)的反作用力與位移導(dǎo)出遲滯回線，從中可以為每個測試頻率確定剛度和阻尼。

此種主流的懸置動剛度試驗臺在考慮了負(fù)載類型及振動頻率的同時，也忽略了溫度對于彈性體特性的影響。

在懸置元件的設(shè)計后必須按規(guī)范要求確保結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。車輛發(fā)動機懸置件作為發(fā)動機與車架的連接，懸置件的剛性直接影響著車輛總體的噪聲、振動與聲振粗糙度性能，因此，對于懸置件剛度的測試方面應(yīng)該精益求精。同時，懸置零件的剛度測量通常在檢測其豎直方向位移時也缺少對其余兩個方向位移的監(jiān)測。因此，目前針對市場上的懸置剛度試驗臺架無法監(jiān)控另外兩向位移與無法控制溫度的這一缺陷，本文提出一種可控制溫度的剛度試驗臺架。

1 實驗臺設(shè)計建模

1.1 實驗臺整體模型

懸置元件的剛度測試實際上是將懸置固定后，使用激振臺讓其發(fā)生形變，再利用拉壓傳感器測量其具體型變量下所需要的載荷，通過單位位移比單位力即可得出當(dāng)前型變量下的剛度。根據(jù)發(fā)動機懸置的剛度測量原理，使用三維建模軟件對所設(shè)計的試驗臺進行建模。同時根據(jù)懸置原件的靜剛度測試原理可知，在懸置零件被固定的基礎(chǔ)上施加以穩(wěn)定的力使得懸置元件發(fā)生變形，以所需位移測量當(dāng)下所施加的力。因此，需要相關(guān)測量懸置位移以及壓力的傳感器。加載力的施加裝置試驗臺體包括激振器底座、激振器、激振器連接臺面、橫梁。通常在剛度測試中剛度分為靜剛度與動剛度，因此，所需設(shè)備應(yīng)滿足既可以施加靜載荷也可施加動態(tài)載荷這一條件。

激振器內(nèi)設(shè)加載裝置與上方橫梁支架兩者通過橫梁支架底部的底板用螺栓剛性連接。此處為方便展示保溫倉內(nèi)部零件，因此，將保溫倉外殼部分用亞克力硬質(zhì)塑料板做透明材料建模?？傮w結(jié)構(gòu)建模如圖1所示。

1.2 保溫倉設(shè)計建模

目前市面上的發(fā)動機動力總成懸置有純橡膠懸置及液壓懸置，由橡膠材料的材料特性可知，溫度條件對橡膠材料的剛度具有不可忽略的影響。實驗臺的梁架會橫跨激振臺體上方，因此，要以梁架操作臺為基礎(chǔ)，在兩側(cè)保溫倉邊緣建立與梁架緊密配合的缺口。

設(shè)有暖風(fēng)風(fēng)道與冷風(fēng)風(fēng)道以控制保溫倉內(nèi)溫度。同時，其材質(zhì)為雙層玻璃，以此提高保溫性能。

保溫倉要與外部隔離，但相關(guān)線束仍要與外部相連，因此，保溫倉壁面設(shè)有線束過孔密封圈及壓力調(diào)節(jié)裝置，保溫倉CATIA結(jié)構(gòu)建模如圖2所示。由于為了方便安裝，保溫倉設(shè)計為左右兩個部分，將保溫倉缺口與操作臺卡住后通過鎖扣將兩部分保溫倉鎖緊。保溫倉各部分建模如圖2所示。

為保證保溫倉的安裝方便，設(shè)計與操作臺H型鋼橫截面相同的工字凹槽口配合工作，其與操作臺配合的缺口及操作臺截面如圖3所示。

1.3 保溫倉溫度流場仿真

由于保溫倉大體模型并不復(fù)雜，因此，可以直接在ANSYS中進行建模。對于流場分析而言，本文中的保溫倉采用簡化模型，構(gòu)建其保溫倉壁與進風(fēng)口即可，主要研究對象為保溫倉內(nèi)的溫度。

完成網(wǎng)格劃分后將反正條件參數(shù)進行設(shè)定，由于保溫倉體積較小，設(shè)定進氣速度不宜過大（0.3 m/s）。

此處進氣口溫度設(shè)為40 ℃，輸入換算開式溫度為313.15°，設(shè)置界面環(huán)境溫度為25 ℃，迭代次數(shù)為500，隨后提交作業(yè)進行仿真。

由圖4可知，保溫倉經(jīng)過仿真最后可達(dá)到基本溫度為313 K，即約40 ℃，因此，保溫倉可以達(dá)到保溫效果。

2 測試方法及設(shè)備要求

2.1 測試方法

為保證雙層真空玻璃的密封性，提前測量實驗臺梁架的尺寸數(shù)據(jù)，并使得保溫倉與實驗臺梁架貼合，保溫層設(shè)計包含左右兩部分，從側(cè)方卡入試驗臺梁架后通過鎖扣鎖死。

測試前先將水平操作臺與操作臺底座間的調(diào)整片進行高度調(diào)節(jié)及操作臺找平。

橫跨試驗臺上方設(shè)有縱向操作臺，通過操作臺支架與地面連接，操作臺兩側(cè)裝有滑軌，滑塊卡具卡于滑軌上方并且通過滑塊手柄調(diào)節(jié)至被測零件位置，拉壓傳感器下方鎖死。

測試時，臺架槽內(nèi)的激振臺體通過液壓抬降裝置帶動橫梁支架下降，調(diào)整好被測件與上卡具及拉壓傳感器的位置后，將上卡具與滑塊及下卡具連接，使得橫梁支架、拉壓傳感器、下卡具、滑塊與上卡具及操作臺成剛性連接。

保溫倉內(nèi)部線束通過保溫倉線束過口及密封圈與外部電源與設(shè)備相連。測量時，保溫倉內(nèi)的線束通過線束密封圈與保溫倉外器械電源連接，從而保證密封性。

通過熱風(fēng)管口或冷風(fēng)管口調(diào)節(jié)保溫倉內(nèi)的溫度后，對被測懸置零件進行剛度測試。通過激振器的振動，橫梁支架下端面的拉壓傳感器可測得被測懸置件和橫梁支架之間的拉壓力。通過橫梁支架一側(cè)的位移傳感器可測得此時位移變化，從而得到該懸置件的法向剛度。

2.2 設(shè)備要求及技術(shù)參數(shù)

軸向最大試驗載荷為10 kN；電液伺服作動器最大位移為±15 mm；控制方式為力、位移兩個閉環(huán)控制回路；全數(shù)字內(nèi)部信號發(fā)生器為正弦波、方波、三角波、斜波、組合波等。

3 結(jié)構(gòu)模態(tài)強度仿真

3.1 梁架模態(tài)分析

本文中所設(shè)計的試驗臺上方的操作臺橫向較長，橫梁中間受彎矩較大，因此，需要對臺架進行模態(tài)分析及強度分析。

支架采用H型鋼，因此，材料屬性中材料密度為7.85 g/cm，楊氏模量為210 000 Pa，泊松比為0.3。創(chuàng)建截面并賦予梁架材料截面屬性后進行裝配。添加分析步。在step模塊中設(shè)置分析步，類型選擇線性攝動-頻率。設(shè)置最大頻率為500 Hz，設(shè)置相互作用，進入interaction模塊定義梁與架之間的接觸。

首先創(chuàng)建梁的下表面和兩支架的上表面的surface面集合，然后選擇兩支架上表面作為主面，橫梁下表面為從面，在接觸類型中創(chuàng)建surfacesurface接觸，接觸面之間的基本參數(shù)如摩擦系數(shù)等設(shè)置添加默認(rèn)值。

劃分網(wǎng)格使用Hypermesh進行梁架的網(wǎng)格劃分。梁架整體尺寸較大，因此，設(shè)置單元長度為20 mm。臺架相比于其他零件來說體積較大，且結(jié)構(gòu)相對來說較為簡單。與六面體網(wǎng)格相比，四面體網(wǎng)格與等價的六面體網(wǎng)格相比單元要少得多，因此，單元類型選擇為四面體網(wǎng)格。

在完成網(wǎng)格劃分、材料設(shè)定、施加載荷后進入Job模塊。梁架500 Hz下的自由模態(tài)如圖5所示。

3.2 梁架強度分析

由圖6可知，所設(shè)計的試驗臺H形鋼臺在最大載荷下的Mises應(yīng)力為47.25 MPa，而所使用的H型鋼為Q235鋼，其屈服強度為235 MPa，根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則可知，極限載荷下的操作臺架強度符合設(shè)計要求。

橫梁架中間部分在測量靜態(tài)剛度時所施加的靜態(tài)壓力較大，因此，需要對其進行最大靜態(tài)力下的工況仿真。在之前的模態(tài)分析基礎(chǔ)上，增加分析步，并添加通用靜態(tài)分析步，初始增量步改為0.1 s。進入Load模塊，添加載荷，類型選擇pressure。

需要注意的是在從欄中需要換算臺面壓力壓強數(shù)值。懸置件的靜態(tài)剛度測試的常規(guī)向最大加載力為4 500 N左右，換算接觸面積后壓強約為0.45 MPa，輸入pressure欄。

再添加與地面相連的兩個底面邊界條件，限制其6方向自由度。設(shè)置好載荷與邊界條件后提交作業(yè)進入后處理查看云圖。

進入后處理，Mises應(yīng)力云圖與位移云圖顯示如圖7所示。

通過位移云圖可知，所選H型鋼所受最大型變量為0.079 5 mm，相對于懸置施加的位移激勵幾乎可以忽略。綜上，說明此時梁架的中間部分撓度并不會影響懸置零件的剛度測試，因此，梁架選材與結(jié)構(gòu)符合實驗要求。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的懸置剛度試驗臺在對懸置零件進行剛度測試時，可以通過保溫倉的冷暖風(fēng)道，實現(xiàn)對懸置零件測試時的環(huán)境溫度控制。在對懸置零件進行豎直方向剛度測試的同時，通過其他兩個方向的位移傳感器監(jiān)測其另兩個方向的偏移情況。同時使用有限元軟件對整體設(shè)計中所受壓強較大的部分進行模態(tài)分析及強度分析，驗證了其剛度強度符合實驗最大載荷下的剛度強度標(biāo)準(zhǔn)。