雷佳

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

動力總成運(yùn)動包絡(luò)的校核在繪制總布置圖與進(jìn)行各種性能計算方面占有重要地位，尤其是在總布置草圖設(shè)計與技術(shù)設(shè)計階段，對于有相對運(yùn)動的零部件應(yīng)進(jìn)行運(yùn)動校核，確定它們的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動空間，使之協(xié)調(diào)統(tǒng)一。為此要繪制運(yùn)動校核圖，確保運(yùn)動狀態(tài)下零部件的尺寸、參數(shù)及性能符合整車尺寸和性能要求。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)通過計算機(jī)模擬動力總成的運(yùn)動過程，文章介紹了3種動力總成運(yùn)動校核的計算機(jī)模擬法。

1 研究目的

動力總成運(yùn)動包絡(luò)就是通過模擬汽車在各種行駛工況狀態(tài)下的實(shí)際行駛狀況，確認(rèn)動力總成在懸置支撐下由于扭矩及慣性等作用形成的位移所占據(jù)的空間位置，校核發(fā)動機(jī)艙內(nèi)初步選定的各部件結(jié)構(gòu)和尺寸能否符合動態(tài)狀態(tài)下的尺寸和參數(shù)的要求。

2 前期準(zhǔn)備

動力總成運(yùn)動包絡(luò)是總體設(shè)計的前期工作，需要多個部門的共同配合。

2.1 坐標(biāo)系的定義

一般情況下整車與零部件使用的坐標(biāo)系是整車坐標(biāo)系，但在發(fā)動機(jī)測試時的質(zhì)心坐標(biāo)是動力總成坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)動慣量是質(zhì)心坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)動慣量。各個坐標(biāo)系不同，數(shù)據(jù)就不具有統(tǒng)一性和可比性，因此要明確各個坐標(biāo)系的定義。

1）動力總成坐標(biāo)系。以曲軸中心線與發(fā)動機(jī)后端面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸平行于曲軸中心線，指向發(fā)動機(jī)皮帶輪系端；Z軸平行于氣缸線，指向缸蓋；Y軸根據(jù)右手定則確定。

2）質(zhì)心坐標(biāo)系。質(zhì)心坐標(biāo)系與動力總成坐標(biāo)系的區(qū)別在于坐標(biāo)原點(diǎn)不同，質(zhì)心坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于質(zhì)心點(diǎn)，其三軸的確立與動力總成坐標(biāo)系完全相同。

3）整車坐標(biāo)系。整車坐標(biāo)系一般由客戶自定義，現(xiàn)階段大部分汽車企業(yè)都采用X軸從車頭指向車尾，Z軸垂直向上，Y軸按右手定則確定。

2.2 動力總成質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)換

根據(jù)動力總成在發(fā)動機(jī)坐標(biāo)系下的質(zhì)心坐標(biāo)、質(zhì)心坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)動慣量，及兩者在整車下的布置位置，利用ADAMS軟件，可以很方便地實(shí)現(xiàn)動力總成轉(zhuǎn)動慣量從質(zhì)心坐標(biāo)系到整車坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化，從而使得ADAMS建模和MATLAB編程變得更為簡便。當(dāng)然還需要把發(fā)動機(jī)坐標(biāo)系下的質(zhì)心位置，轉(zhuǎn)換到整車坐標(biāo)系下，這可借助CATIA等三維建模軟件[1]。

3 設(shè)計輸入

3.1 質(zhì)心坐標(biāo)

因為動力總成振動以動力總成的質(zhì)心為振動中心，所以需要輸入質(zhì)心坐標(biāo)。質(zhì)心位置由試驗部門通過實(shí)測獲得。由總布置科室根據(jù)動力總成姿態(tài)確定質(zhì)心在整車坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置。

3.2 懸置系統(tǒng)計算工況

動力總成的動態(tài)包絡(luò)需要有用ADAMS軟件模擬某車型X動力總成懸置系統(tǒng)得到的質(zhì)心位移量和旋轉(zhuǎn)角度。但根據(jù)坐標(biāo)系的不同，需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為整車坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。目前大部分汽車企業(yè)都采用通用汽車28種工況[1]作為動力總成懸置系統(tǒng)的計算工況，X車型獲得的28種工況中各極值數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 28種工況中各極值工況示例

4 動力總成3種運(yùn)動包絡(luò)方法

動力總成系統(tǒng)的數(shù)字化模擬是對實(shí)際振動的模擬，對動力總成在機(jī)艙內(nèi)的布置有重要意義。一般M1類汽車大都采用發(fā)動機(jī)前置前驅(qū)的布置法，這樣可最大程度地利用機(jī)艙內(nèi)空間布置車內(nèi)零部件，同時也可有效增大乘坐空間，提高乘坐舒適性。以X車型配置的橫置發(fā)動機(jī)為例講解如何通過動態(tài)模擬法來進(jìn)行動力總成的包絡(luò)校核。此款動力總成采用懸置為三點(diǎn)布置方式，左右懸置為承載懸置，后懸置為扭力桿懸置。

4.1 CATIA羅盤模擬動態(tài)包絡(luò)法

使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行動力總成的動態(tài)包絡(luò)模擬，羅盤是最基本最重要的工具。羅盤的使用也有自己的規(guī)則。將羅盤拖曳到欲移動的零件上，若羅盤變成綠色，證明已識別到該零件，可進(jìn)行移動操作。

用鼠標(biāo)拖曳羅盤到質(zhì)心點(diǎn)，抓取偏移面，待羅盤變成綠色，雙擊羅盤，出現(xiàn)用于指南針操作的參數(shù)表格，如圖1所示，輸入質(zhì)心移動的位移量，位移量中已有正負(fù)號，所以平移增量與旋轉(zhuǎn)增量均選擇正向。之后得到工況1的動態(tài)總成動態(tài)包絡(luò)。

圖1 指南針增量表

將羅盤恢復(fù)到初始狀態(tài)。將羅盤拖向顯視屏的右下角，點(diǎn)擊工具欄中視圖命令，選擇重置指南針，即可將羅盤回歸到標(biāo)準(zhǔn)位置。

重復(fù)操作至做完28種工況，將28種工況保存為一個整體，以便于查看動力總成系統(tǒng)與其他零部件的間隙大小。

此種傳統(tǒng)手工羅盤挪動法，方法簡單，操作方便，精確度高，各個工況的包絡(luò)能清楚辨析，屬于比較常用的方法。

4.2 運(yùn)用模擬動畫命令建立動力總成運(yùn)動機(jī)構(gòu)

模擬動畫是將圖形區(qū)的模型移動、旋轉(zhuǎn)和縮放等操縱步驟記錄下來，從而可以重復(fù)觀看的一種動畫形式。通過DMU運(yùn)動模擬工具，進(jìn)入編輯模擬命令，分步長插入動力總成每一個工況下的運(yùn)動變化數(shù)值。

創(chuàng)建模擬動畫時，選擇對象，編輯位置參數(shù)，在“操作”工具欄中單擊“編輯器”，系統(tǒng)會彈出如圖1所示的指南針操作參數(shù)對話框，單擊橡皮按鈕可重置增量參數(shù)，輸入一個工況的數(shù)值，在“記錄器”工具欄中單擊“記錄”按鈕，記錄此時的組件位置。重復(fù)此操作完成28種工況所有組件位置的編輯。選擇模擬里面的生成視頻命令使模擬對象生成動畫視頻。運(yùn)用掃掠包絡(luò)體命令生成動力總成運(yùn)動包絡(luò)。運(yùn)用模擬動畫與掃掠包絡(luò)體命令生成動力總成運(yùn)動包絡(luò)，方式新穎，精確度高，但需要精通DMU運(yùn)動仿真與分析命令，也屬于比較常用的方法。

4.3 CATIA振動包絡(luò)體命令法

CATIA V5在發(fā)展的過程中也有了生成包絡(luò)的命令，即采用CATIA V5中數(shù)字化裝配DMU優(yōu)化中的振動包絡(luò)體命令，即可簡單方便地生成運(yùn)動包絡(luò)。

1）按照振動包絡(luò)體的定義，選擇需要做包絡(luò)的動力總成；

2）將28種工況數(shù)值保存在記事本內(nèi)，選擇文件；

3）精確度可根據(jù)需求自行填寫，最小精確度可達(dá)小數(shù)點(diǎn)后1位，填完各項參數(shù)后點(diǎn)擊生成，即可自動得出動力總成包絡(luò)。

此種方法與羅盤法或DMU運(yùn)動模擬法相比，操作簡單方便，但由于CATIA軟件本身發(fā)展的限制，由此方法獲得的包絡(luò)體結(jié)果跟實(shí)際的狀態(tài)誤差偏大，可用于校核DMU運(yùn)動模擬的結(jié)果。

5 動力總成運(yùn)動包絡(luò)結(jié)果

使用3種不同的方法校核做出的動力總成運(yùn)動包絡(luò)結(jié)構(gòu)類似，在精度上第1種與第2種高于第3種。獲得動力總成的運(yùn)動包絡(luò)后，就可利用間隙測量命令分析動力總成在前機(jī)艙內(nèi)與各零部件的間隙。在X車型中，得到的運(yùn)動包絡(luò)，如圖2所示，其在前機(jī)艙的布置，如圖3所示。通過間隙測量命令得到的結(jié)果無干涉，且間隙符合經(jīng)驗值，表明X車型機(jī)艙布置中動力總成的布置符合要求。

圖2 動力總成動態(tài)包絡(luò)

圖3 某車型發(fā)動機(jī)運(yùn)動包絡(luò)載入機(jī)艙的狀態(tài)

6 結(jié)論

動力總成的動態(tài)包絡(luò)是通過發(fā)動機(jī)懸置的性能參數(shù)及限位結(jié)構(gòu)來進(jìn)行定義的，這些性能參數(shù)及限位結(jié)構(gòu)限制了發(fā)動機(jī)的前后、上下和左右運(yùn)動以及前后轉(zhuǎn)動的角度。為了確認(rèn)動力總成周邊零件布置的可靠性，根據(jù)發(fā)動機(jī)懸置的性能參數(shù)及限位結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力總成包絡(luò)體的模擬，從而得到動力總成和周邊零件的動態(tài)間隙。對于動力總成，可以通過懸置限位位移計算出動力總成最大位移量，再采用三維建模軟件生成動態(tài)包絡(luò)，進(jìn)行動態(tài)間隙檢查，確保動力總成包絡(luò)與各零部件不會干涉。