发动机传动系统动力总成优化设计

发动机传动系统动力总成优化设计

摘要：发动机就相当于汽车的心脏，发动机与传动系统的匹配研究一直是关于

汽车行业的重大研究方向，二者之间的配合程度，直接影响整个车的动力和燃油

经济性。在车的布置设计中，对发动机传动系统传动轴角度的校核是一项重要工作。如果发动机传动轴初始工作角度选取不当，会使工作夹角很容易超出合理范围，造成传动轴零件的损坏，降低其使用寿命，使得整车的平顺变差。所以汽车

发动机与传动系的合理匹配，要根据车辆的使用条件和要求，通过改进发动机、

选择适当的传动系参数，最后使发动机的经常工作区尽量与理想工作区相吻合，

以达到整车动力性和燃油经济性的改善。为保证传动轴设计寿命和整车性能，在设计初期就应对各传动轴夹角进行校核。

关键词：发动机；传动轴夹角；参数化设计；动力优化

引言：

动力传动系统的弯曲共振是导致传动系统或动力总成的失效及车内振动噪声

大的重要原因之一。系统的约束方式和状态对其固有频率和振型有重要影响。针

对某轻卡在高速行驶工况出现的动力总成附件失效问题进行试验诊断，确定为动

力传动系统弯曲共振导致。通过研究不同约束方式对动力转动系弯曲模态的影响，建立最符合整车实际运行状态的弯曲模态识别步骤及方法。悬置系统设计理论人

体对低频振动比较敏感，在车辆前期开发过程中，对整车怠速工况下方向盘及座

椅的振动进行预估并进行优化控制对于整车厂尤为重要，也是悬置系统前期开发

设计时主要考虑的问题。

1 整车动力性能评价

汽车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。动力性通常是汽车各种性能中最基本、最重要性能，主要由汽车的最高车速和汽车的加速时间以及汽车的最大爬坡度三方面的指

标来进行评价。最高车速是指在水平良好的路面（混凝土或沥青）上汽车能达到

的最高行驶车速；加速时间表示汽车的加速能力，汽车的上坡能力是用满载（或

某一载质量）时汽车在良好的路面上的最大爬坡度表示的。

2.悬置系统数学模型

发动机悬置系统可简化模型为：通过三个或四个三维的粘—弹性元件悬置支

承在车架上，具有六个自由度。建立动力总成质心坐标系，X轴与发动机曲轴线

平行并指向发动机前端，Z轴与气缸中轴线平行并垂直向上，Y轴按右手定则确定。动力总成空间刚体的6个自由度为沿动力总成质心坐标系x、y、z轴3个方

向的平动及绕x、y、z轴的转动角θx、θy、θz利用动力总成质量、转动惯量、质

心位置及悬置刚度参数，可求得系统的模态频率及振型。

2.1能量解耦理论动力总成

六自由度之间的振动一般是耦合的，施加在动力总成上的激励会激起系统的

多个模态，使发动机的振幅加大，共振频率带变宽。用系统在各阶振动时各自由

度方向振动能量占该阶振动总能量的百分比作为系统模态解耦的评价指标，用矩

阵形式表示，可得到系统的能量分布矩阵。系统以第j阶模态频率振动时的最大

能量为此值越大，代表系统的解耦程度就越高，有利于悬置系统获得良好的

隔振性能。

2.2弹性轴-扭矩轴理论

扭矩轴为当一扭矩作用在曲轴时，无约束刚体的实际旋转轴，扭矩轴的方向

仅与动力总成的质量和惯性参数有关，而与悬置的安装位置和刚度无关。定义为

当一扭矩作用在曲轴时，由悬置支承的无质量刚体的实际旋转轴，弹性轴的位置

仅与悬置的位置、刚度和角度有关。由弹性轴及扭矩轴定义可知，由悬置支承的

动力总成的实际运动响应与系统的质量矩阵和刚度矩阵有关，在低频段，动力总

成的运动响应主要受刚度影响，表现为绕弹性轴旋转；在高频段，动力总成的运

动响应主要受频率影响，表现为绕扭矩轴旋转。

2.3模型建立

整车模型，在车辆建模器窗口下，从模块库中选择适当模块建立整车模型；

信号连接，模块机械连接完成之后，要建立模块之间的信号连接；参数输

入，由于车辆模型的建立参考了Cruise软件本身自带的Man RWD模型，所

以缺少很多模块的数据，而大部分数据是可以直接从原模型中导入的。

3传动系统参数化模型的建立

在整车的设计过程中，根据整车性能指标定义，通过计算将整车级性能指标

分解到各主要总成，初步选取动力系统主要总成，根据所选总成的几何尺寸与整

车布置空间，初步确定各总成的布置位置，建立各总成的参数化模型，最后建立

传动系统的参数化三维模型。在建立计算任务的时候，要设置很多参数包括行驶

工况、驾驶员、换挡规律、车载状态、起动设置等信息。这些参数的设置不同得

到的曲线和结果有很大差别。在建立参数化模型时，传动系主要部件与校核

有关的尺寸及相关约束尺寸均用直线或点表示。各参数可根据设计输入、各系统

初步设计结果和三维模型中测量得到。

4传动系统的试验优化设计

传动轴的布置受底盘主要总成布置的影响。由于此次的研究对象采用了整体

式驱动桥，前桥在发动机正下方，发动机俯仰角受前桥上跳极限与驾驶室中鼓包

高度限制，因此仅选取其横摆角作为变量因素。变速器与发动机飞轮壳相连，与

发动机姿态完全一致。分动箱俯仰角、侧倾角受车架上平面高度、纵向通过角、

离地间隙限制，横摆角受车架宽度限制。

结束语：就目前车辆行业来说，按其用途分类可大致分为民用与军用两种。民用汽车多采用混合动力，往往是将电动与传统燃油相结合使用；军用汽车

其动力方式较为复杂，但就发展趋势来看，全电化是军用汽车未来发展的必经之路，而电传动技术成为其发展道路上不可忽视的重点技术之一。在过去动力

传动系统的匹配，由于测试手段和计算工具的限制，一直都采用定性分析和简单

计算，靠大量积累的试验数据和反复测试的结果进行设计，试验周期长、试制费

用高。现在通过建立该车发动机传输出的动力总成及传动轴的参数化模型，采用

试验优化设计方优化动力总成姿态角能有效减小传动轴夹角。改善传动轴的工作

状态，延长使用寿命。所建立的传动系三维参数化模型通过修改相关参数即可应

用在同类越野车辆的总布置中。同时，根据越野车辆的种类，采用相同方法可以

提前建立多个参数化模型，形成参数化模型数据库，以便后期在设计时调

用。

参考文献

[1] 葛龙岭，史晓燕.单发动机清扫车两种节能型传动系统[J].工程机械与维修，2013（11）：172-173.

[2] 孙冬野，王聪.发动机负扭矩工况下的DCT传动系统换挡控制策略[J].中国

机械工程，2013，24（19）：2692-2697.

[3] 侯明曦，信琦，王飞鸣.开式转子发动机齿轮传动系统设计技术研究[J].航