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摘 要：发动机相当于汽车的心脏，在车辆整车总布置设计中，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，会使其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，恶化整车平顺。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；参数化设计；传动轴夹角；动力优化
引言：
动力传动系统的弯曲共振是导致动力总成或传动系统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悬置系统数学模型
动力总成悬置系统的固有模态频率一般在20Hz以下，动力总成的最低阶弹性体模态频率一般在150Hz以上，可将动力总成和车身视为刚体，动力总成悬置系统简化为刚体六自由度振动系统。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，其广义坐标的向量形式为[Q]T=[xyzθxθyθz]，利用拉格朗日方程可推导系统的振动微分方程为
忽略怠速工况下悬置系统的阻尼影响，式（1）可写成
式中：[M]，[K]——系统质量矩阵和刚度矩阵。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。
1.2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。根据（2）式求得的系统模态频率ωi（i=1，...，6）及振型矩阵准，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。
1.3弹性轴-扭矩轴理论
扭矩轴（Torque-Roll-Axis），定义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。根据上边式求得沿曲轴方向作用一单位扭矩时，动力总成关于扭矩轴的响应为
式中：fTA——沿曲轴方向的单位扭矩激励向量，fTA=[0，0，0，0，1，0]T。弹性轴（ElasticAxis），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。根据（2）式求得沿曲轴方向作用一单位扭矩时，无质量刚体的响应为
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，表示为：
由式可知，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。在CATIA软件零部件设计模块中，用Formula（f（x））命令输入这些参数。参数化模型包括2部分：基础草图和传动系三维参数化模型。基础草图是整车布置的参考基准和校核基准，该草图基于XOZ平面绘制（图1）。对于越野车辆，基础草图包括以下内容：坐标O点、X轴、Z轴、地线、长度界限、高度界限、接近角界限、离去角界限、车轮简化线、离地间隙界限、垂直越障能力校核线、纵向通过角校核线及涉水尺寸界限等。基础草图可以作为整车布置的基准，用于初步布置各主要总成，初步校核车辆通过性。同时，可以基于YOZ平面绘制车辆横向基础草图校核整车各尺寸是否满足设计要求。
3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。综合考虑底盘主要总成的布置空间，选取发动机横摆角、中桥的俯仰角、分动箱的俯仰角、横摆角及侧倾角作为变量因素一、二、三、四、五，每个变量因素根据布置空间选取4个水平，选取主传动轴的8个夹角为目标，构建5因素4水平正交试验表（表1）。
8个作为指标的传动轴夹角分别为：变速器分动器之间前夹角、变速器分动器之间后夹角、分动器中桥之间前夹角、分动器中桥之间后夹角、分动器前桥之间前夹角、分动器前桥之間后夹角、中后桥间前夹角、中后桥间后夹角。
结束语：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（二轴、四轴等），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].航空科学技术，2013（04）：34-37.
[4] 王象武，侯之超.发动机前端附件带传动系统固有频率算法的研究[J].汽车工程，2012，34（10）：943-947
[5] 许兆棠.直升机传动系统扭转振动的分析[J].工程力学，2012，29（09）：330-336.
[6] 苏建强，马晓军，刘秋丽，廖自立.电传动装甲车辆发动机发电机系统动态模型[J].装甲兵工程学院学报，2012，26（03）：42-45.
关键词：发动机；参数化设计；传动轴夹角；动力优化
引言：
动力传动系统的弯曲共振是导致动力总成或传动系统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悬置系统数学模型
动力总成悬置系统的固有模态频率一般在20Hz以下，动力总成的最低阶弹性体模态频率一般在150Hz以上，可将动力总成和车身视为刚体，动力总成悬置系统简化为刚体六自由度振动系统。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，其广义坐标的向量形式为[Q]T=[xyzθxθyθz]，利用拉格朗日方程可推导系统的振动微分方程为
忽略怠速工况下悬置系统的阻尼影响，式（1）可写成
式中：[M]，[K]——系统质量矩阵和刚度矩阵。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。
1.2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。根据（2）式求得的系统模态频率ωi（i=1，...，6）及振型矩阵准，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。
1.3弹性轴-扭矩轴理论
扭矩轴（Torque-Roll-Axis），定义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。根据上边式求得沿曲轴方向作用一单位扭矩时，动力总成关于扭矩轴的响应为
式中：fTA——沿曲轴方向的单位扭矩激励向量，fTA=[0，0，0，0，1，0]T。弹性轴（ElasticAxis），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。根据（2）式求得沿曲轴方向作用一单位扭矩时，无质量刚体的响应为
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，表示为：
由式可知，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。在CATIA软件零部件设计模块中，用Formula（f（x））命令输入这些参数。参数化模型包括2部分：基础草图和传动系三维参数化模型。基础草图是整车布置的参考基准和校核基准，该草图基于XOZ平面绘制（图1）。对于越野车辆，基础草图包括以下内容：坐标O点、X轴、Z轴、地线、长度界限、高度界限、接近角界限、离去角界限、车轮简化线、离地间隙界限、垂直越障能力校核线、纵向通过角校核线及涉水尺寸界限等。基础草图可以作为整车布置的基准，用于初步布置各主要总成，初步校核车辆通过性。同时，可以基于YOZ平面绘制车辆横向基础草图校核整车各尺寸是否满足设计要求。
3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。综合考虑底盘主要总成的布置空间，选取发动机横摆角、中桥的俯仰角、分动箱的俯仰角、横摆角及侧倾角作为变量因素一、二、三、四、五，每个变量因素根据布置空间选取4个水平，选取主传动轴的8个夹角为目标，构建5因素4水平正交试验表（表1）。
8个作为指标的传动轴夹角分别为：变速器分动器之间前夹角、变速器分动器之间后夹角、分动器中桥之间前夹角、分动器中桥之间后夹角、分动器前桥之间前夹角、分动器前桥之間后夹角、中后桥间前夹角、中后桥间后夹角。
结束语：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（二轴、四轴等），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].航空科学技术，2013（04）：34-37.
[4] 王象武，侯之超.发动机前端附件带传动系统固有频率算法的研究[J].汽车工程，2012，34（10）：943-947
[5] 许兆棠.直升机传动系统扭转振动的分析[J].工程力学，2012，29（09）：330-336.
[6] 苏建强，马晓军，刘秋丽，廖自立.电传动装甲车辆发动机发电机系统动态模型[J].装甲兵工程学院学报，2012，26（03）：42-45.