獨立懸架中轉(zhuǎn)向驅(qū)動軸布置的仿真優(yōu)化

2017-03-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

利用MSC ADAMS軟件對獨立懸架式車輛的轉(zhuǎn)向驅(qū)動軸進(jìn)行運動分析,對可能影響驅(qū)動軸運動特性的各種因素進(jìn)行研究,重點考察了驅(qū)動軸外點與輪心的偏移距離對內(nèi)點萬向節(jié)的角度變化和軸向滑移的影響。以奇瑞某款轎車為例,分析得出其最優(yōu)的驅(qū)動軸位置,對新車型驅(qū)動軸的開發(fā)有指導(dǎo)作用。

1 前言
為了保證車輛有更好的動力性與操縱性,前驅(qū)動轎車的前輪必須具有轉(zhuǎn)向和驅(qū)動兩種功能。作為轉(zhuǎn)向輪,要求車輪能在一定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi),角度可任意偏轉(zhuǎn);作為驅(qū)動輪,則要求半軸在車輪偏轉(zhuǎn)過程中以相同的角速度不斷地把動力從主減速器傳到車輪。等速萬向節(jié)(Constant Velocity Universal Joint,CVJ)將車輪和半軸兩者聯(lián)接起來,使兩軸以相同的角速度傳遞運動。
非獨立懸架的驅(qū)動軸只需要在輪轂附近裝一個定心等速萬向節(jié)(以下稱外萬向節(jié)),在現(xiàn)代汽車上,驅(qū)動 (橋)軸不能制成整體而要分段,而獨立懸架驅(qū)動軸在靠近差速器處還需要一個軸向滑移型等速萬向節(jié)(以下稱內(nèi)萬向節(jié))。
對于轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪,由于左、右半軸間的夾角要隨轉(zhuǎn)向需要而改變,最大夾角往往在30度以上。這使得驅(qū)動軸內(nèi)萬向節(jié)的軸向滑移和角度變化都非常大。軸向滑移和角度變化不僅會產(chǎn)生滑動阻力,影響動力傳遞。還會帶來振動和噪聲,影響乘坐、駕駛舒適性,縮短萬向節(jié)的使用壽命。除了選用不同結(jié)構(gòu)的等速萬向節(jié)外,還可以優(yōu)化萬向節(jié)的位置來減少驅(qū)動軸的振動和噪音。
國內(nèi)有人做過關(guān)于驅(qū)動軸的研究工作,但是主要研究了單個驅(qū)動軸的性能,而不是從懸架總成甚至整車的角度來考慮設(shè)計驅(qū)動軸。本文應(yīng)用MSC ADAMS建立某前驅(qū)汽車的前懸架動力學(xué)分析模型,對影響驅(qū)動軸運動特性的因素進(jìn)行了全面考慮,考察驅(qū)動軸內(nèi)萬向節(jié)的運動特性,再對驅(qū)動軸外萬向節(jié)位置進(jìn)行優(yōu)化,從而得到驅(qū)動軸的最優(yōu)位置。
引入多體動力學(xué)分析軟件對驅(qū)動軸運動性能進(jìn)行仿真分析,并在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對驅(qū)動軸進(jìn)行位置的優(yōu)化,就可快速了解所設(shè)計驅(qū)動軸的技術(shù)性能,并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果來指導(dǎo)設(shè)計工作。
2 懸架多體動力學(xué)分析模型的建立
多體動力學(xué)是虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ),在多體動力學(xué)建模方法中,拉格朗日乘子法是常用的方法之一。選擇每個剛體質(zhì)心的笛卡爾坐標(biāo)和描述剛體方位的歐拉角,作為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)q,根據(jù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立如下約束方程:

Φ(q,t)=0 Φ∈Rm (1)
θ(q, q,t)=0 θ∈Rm (2)

式中,m為約束方程數(shù)。
對于完整約束方程,Φ(q,t)=0 ;而對于非完整約束方程,θ(q, q,t)= 0。
并計算出系統(tǒng)的雅可比矩陣Φq和θq,則得到系統(tǒng)的動力學(xué)方程為:

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式中:T為系統(tǒng)的動能;q為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)向量;Fq為廣義力列向量;λ1為對應(yīng)于完整約束的拉格朗日乘子列向量;λ2 為對應(yīng)于非完整約束的拉格朗日乘子列向量;Φq為對應(yīng)于完整約束的雅可比矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣;ΦTq為對應(yīng)于非完整約束的雅可比矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣。
利用約束方程的Bavmgrate穩(wěn)定化方法化簡(3)式,可以求出q,再通過適當(dāng)?shù)淖儞Q即可求出構(gòu)件的加速度,從而對時間積分求出構(gòu)件的速度和位移等參數(shù)。
基于上述多體動力學(xué)理論(4),利用 MSC ADAMS/Car模塊,詳細(xì)考慮懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎以及各連接之間彈性襯套的影響。在得到建模數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建了該車的前懸架仿真分析模型,如圖1所示。

圖1 懸架動力學(xué)仿真模型

3 驅(qū)動軸的位置分析與優(yōu)化
汽車在行駛過程中由于行駛狀況的多樣性,就會發(fā)生車輪的跳動,同時還會受到縱向力和側(cè)向力的作用。而汽車驅(qū)動軸影響最大的是車輪垂直跳動和轉(zhuǎn)彎工況。下面就分別針對上述兩種工況,進(jìn)行懸架的動力學(xué)分析并對驅(qū)動軸進(jìn)行優(yōu)化。
本次研究基于不改變動力總成懸置方式及位置的基礎(chǔ)上來優(yōu)化驅(qū)動軸的位置,此時驅(qū)動軸輪轂端點相對驅(qū)動軸差速器端點調(diào)整更容易,因此以驅(qū)動軸輪轂端點與輪心的距離提出了五種方案,考察目標(biāo)為伸縮等速萬向節(jié)的角度變化量和軸向滑移變化量。
應(yīng)用建立好的懸架動力學(xué)仿真模型,改變驅(qū)動軸外點與輪心的距離制定五種分析方案進(jìn)行仿真分析,得到兩種工況下驅(qū)動軸的運動特性,如圖2至圖5所示。

圖2 圖3

圖2和圖3為在垂直跳動試驗下,內(nèi)萬向節(jié)的角度變化量和軸向滑移變化與車輪的垂直跳動量之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,隨著驅(qū)動軸外點與輪心的距離增大,內(nèi)萬向節(jié)的角度變化增大,軸向滑移的變化也增大。

圖4 圖5

圖4和圖5為在轉(zhuǎn)向試驗下,內(nèi)萬向節(jié)的角度變化量和軸向滑移變化與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,隨著驅(qū)動軸外點與輪心的距離增大,內(nèi)萬向節(jié)的角度變化增大,而軸向滑移變化是先減小后增大。
上述五種方案的分析結(jié)果整理,如圖6和圖7所示。

圖6

圖6為平行跳動時,五種方案對應(yīng)的內(nèi)萬向節(jié)的最大角度和最大軸向滑移。可以看出方案 1對應(yīng)的最大角度和最大軸向滑移是幾種方案中最小的。

圖7

圖7為平行跳動時,五種方案對應(yīng)的內(nèi)萬向節(jié)的最大角度和最大軸向滑移。可以看出方案1對應(yīng)的最大角度是的幾種方案中最小。而最大軸向滑移則是方案2的最小。
萬向節(jié)角度變化過大,則萬向節(jié)磨損會比較嚴(yán)重,影響其使用壽命。因此我們希望萬向節(jié)的初始角度盡量小,變化范圍也小。從這個角度出發(fā),方案1是跳動工況和轉(zhuǎn)向工況下最優(yōu)化的驅(qū)動軸布置方案。
軸向滑移量設(shè)計變化量越小,則對于動力傳遞越理想,驅(qū)動軸的NVH性能也好些,同時還可以減少輪胎的非正常磨損。從這個角度出發(fā),跳動工況下,方案1是最理想的;而轉(zhuǎn)向工況下,方案2最理想。
綜合考慮上述兩種工況,結(jié)合實際的空間布置,保證車輛在高速轉(zhuǎn)向時的NVH性能和穩(wěn)定性,建議將驅(qū)動軸輪轂端點布置在距離輪心為75mm左右,即可保證等速萬向節(jié)角度的變化,又可保證軸向滑移變化均在期望的范圍內(nèi)。
4 結(jié)論
本文通過對前驅(qū)車輛轉(zhuǎn)向驅(qū)動軸運動特性的分析,發(fā)現(xiàn)內(nèi)端的伸縮型等速萬向節(jié)的軸向滑移和角度變化比較大,可導(dǎo)致轉(zhuǎn)向效果受到較大影響,同時還會產(chǎn)生震動、噪聲,從而降低乘坐舒適性能。以奇瑞某款轎車為例,對前驅(qū)車的驅(qū)動軸位置進(jìn)行優(yōu)化,并得到比較合理的驅(qū)動軸輪轂端點位置,以此為驅(qū)動軸設(shè)計的重要依據(jù)。最終在實車驗證中,發(fā)現(xiàn)該優(yōu)化結(jié)果,不僅提高了整車的NVH性能,減少輪胎的非正常磨損,而且提高驅(qū)動軸的使用壽命。

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