王曉強 馬義超 江振偉 馬書林 林棟
摘要:利用動力學軟件ADAMS/Car建立帶有驅(qū)動軸系統(tǒng)的乘用車前懸架分析模型,重點考察動力總成位置調(diào)整對驅(qū)動軸滑移、夾角特性的影響。以某車前懸架為例,通過對內(nèi)球節(jié)硬點坐標參數(shù)化處理,得到在僅對動力總成位置調(diào)整時的驅(qū)動軸夾角及總滑移量變化趨勢,并結(jié)合布置要求,得到滿足驅(qū)動軸系統(tǒng)布置的內(nèi)節(jié)中心硬點可行域。該方法可有效避免動力總成調(diào)整的盲目性,同時能極大減少布置校核次數(shù),對整車開發(fā)過程中驅(qū)動軸布置具有重要的指導意義。
關鍵詞:驅(qū)動軸;參數(shù)化;動力學仿真
中圖分類號:U463.218+.6 文獻標識碼:A 文章編號:1005-2550(2018)02-0068-04
引言
隨著現(xiàn)有乘用車種類的不斷增多,消費者在購車時更加注重汽車行駛過程中的動力性、操控性以及行駛穩(wěn)定性。為滿足該需求,現(xiàn)代乘用車多采用實用性更強的前置前驅(qū)方式,即前輪同時具備轉(zhuǎn)向和驅(qū)動的功能。作為轉(zhuǎn)向輪,要求車輪能在一定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)實現(xiàn)角度的任意偏轉(zhuǎn);而作為驅(qū)動輪,則要求驅(qū)動軸能夠在車輪任意偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下仍將差速器輸出端動力以等角速度傳遞至車輪。
在前驅(qū)型乘用車上,因獨立懸架具有更好的舒適性和布置空間而得到了廣泛的應用,而為滿足獨立懸架上下跳動(單輪跳動或雙輪反向跳動)的要求,驅(qū)動軸不僅需實現(xiàn)等速運轉(zhuǎn),還需具有一定長度的軸向滑移。目前應用于獨立懸架上的驅(qū)動軸,輪轂側(cè)多使用定心等速萬向節(jié)(即外節(jié)),差速器側(cè)則為可伸縮型球籠萬向節(jié)(即內(nèi)節(jié))。
對于前置前驅(qū)車型,由于在行駛過程中車輪的轉(zhuǎn)向及上下跳動,使得驅(qū)動軸的球節(jié)夾角及滑移量在時刻改變。而在驅(qū)動軸工作過程中,扭矩傳遞效率會隨著半軸夾角的增大而降低,同時當滑移量和工作角度過大,萬向節(jié)內(nèi)部會因摩擦而誘發(fā)軸向力的產(chǎn)生,在運轉(zhuǎn)過程中易與汽車其他部件產(chǎn)生共振,引起車身抖動,影響乘坐和駕駛的舒適性,因此在設計初期即需要對驅(qū)動軸滑移擺角進行分析。
國內(nèi)有些技術人員做過有關驅(qū)動軸的研究工作,也有些技術人員進行過虛擬運動分析,但其研究多集中在單個驅(qū)動軸的性能方面,而非從懸架或整車布置的角度來考慮優(yōu)化驅(qū)動軸的布置狀態(tài)。本文應用MSC/ADAMS建立某乘用車前懸架動力學分析模型,對影響驅(qū)動軸滑移、夾角特性的因素(如動力總成)進行了考慮,對動力總成位置進行參數(shù)化定義,結(jié)合驅(qū)動軸滑移夾角設計要求,對動力總成位置進行優(yōu)化,以使得驅(qū)動軸處于最佳工作區(qū)域,避免后續(xù)因驅(qū)動軸位置姿態(tài)等帶來的整車振動及噪音問題。
1 建立懸架動力學分析模型
多體動力學是虛擬樣機技術的理論基礎,基于多體動力學理論,利用ADAMS/Car模塊,采用自下而上的建模順序建立懸架系統(tǒng)仿真分析模型。以某款乘用車為例,根據(jù)前懸架硬點建立如下帶有驅(qū)動軸系統(tǒng)的麥弗遜獨立懸架模型(圖1)。
2 模型參數(shù)化設計
由于汽車在行駛過程中因路況、駕駛操作的不同而使懸架處于各種不同狀態(tài),因此在設計初期即需要對不同狀態(tài)下的驅(qū)動軸進行分析以確保其工作的可靠性。
利用上述建立好的動力學分析模型,根據(jù)整車輸入信息(即輪跳和轉(zhuǎn)向行程)可對懸架模型進行快速仿真分析,得到驅(qū)動軸的布置結(jié)果(包括球節(jié)夾角及總滑移量)并以此判斷該結(jié)果是否符合驅(qū)動軸設計要求。但在實際設計過程中,動力總成初始布置位置往往不合理而使得驅(qū)動軸分析結(jié)果不滿足設計要求,從而需重復調(diào)整動力總成位置。同時當某一車型搭載多種不同動力總成時,需進行布置校核的次數(shù)將會成倍增加,這極大的增加了產(chǎn)品工程師的工作量。
鑒于此,本文在上述建立的前懸架模型的基礎上,對動力總成位置進行參數(shù)化處理,如圖2所示。表中將對動力總成位置的調(diào)整轉(zhuǎn)化至驅(qū)動軸內(nèi)球節(jié)中心點,即以內(nèi)球節(jié)中心點坐標的變化反映動力總成位置的調(diào)整。
3 動力總成布置位置分析及優(yōu)化
應用上述建立好的參數(shù)化懸架模型,通過對內(nèi)球節(jié)中心點坐標(等同于動力總成硬點)進行系列化取值,得到在不同工況下驅(qū)動軸的運動特性。圖3為對左驅(qū)動半軸內(nèi)球節(jié)中心點X值進行系列化取值,得到動力總成在不同X值下外球節(jié)設計狀態(tài)(即半載狀態(tài),下同)夾角變化趨勢(如圖4所示),從拋物線狀變化趨勢可知,當差速器輸出軸線與前輪輪心線越接近,半軸外球節(jié)設計狀態(tài)夾角越小?;谕瑯拥姆椒?,可以得到在對半軸內(nèi)節(jié)中心點Y值、Z值進行調(diào)整時,半軸內(nèi)、外球節(jié)設計狀態(tài)夾角的變化趨勢。
而對于在實際布置校核中同樣需十分關注的半軸內(nèi)球節(jié)極限夾角、外球節(jié)極限夾角以及內(nèi)節(jié)總滑移量,因其最大值往往與轉(zhuǎn)向行程及懸架姿態(tài)有關,因此當改變動力總成某一坐標值時即可得到一條或數(shù)條曲線,根據(jù)曲線極限值判斷夾角和滑移量是否滿足設計要求。如圖5為對動力總成Z值調(diào)整(在一定數(shù)值范圍內(nèi)均勻選取20組坐標點),得到20條滑移量變化曲線(圖中每條曲線為無轉(zhuǎn)向、懸架進行一個完整跳動行程)。
但為得到與實際情況接近的內(nèi)節(jié)總滑移量,還需考慮轉(zhuǎn)向與懸架同時發(fā)生變化的變化情況。當轉(zhuǎn)向不為零時,滑移量曲線也會與圖5中的曲線有所不同(初始時刻滑移量將不為零)。在實際校核過程中往往根據(jù)經(jīng)驗將轉(zhuǎn)向過程劃分為9個狀態(tài),同時考慮在不同轉(zhuǎn)向時刻的輪跳行程(如當前輪左轉(zhuǎn)向至極限位置時,外側(cè)車輪上跳行程僅為上跳定義行程的80%,內(nèi)側(cè)車輪上跳行程為上跳定義行程的70%,下跳行程則仍為100%),根據(jù)9組曲線數(shù)據(jù)的極值得到與實際情況一致的內(nèi)球節(jié)總滑移量。如圖6為內(nèi)節(jié)總滑移量隨動力總成Z向調(diào)整時的變化曲線,采用相同的方法也可以得到在對動力總成進行X、Y值調(diào)整時,半軸球節(jié)極限夾角和總滑移量的變化情況。
在實際整車布置過程中,往往需要對驅(qū)動半軸設計狀態(tài)夾角、極限夾角以及總滑移量加以限制,以使車輛在運動過程中半軸處于良好的工作狀態(tài),當布置狀態(tài)不佳時即可出現(xiàn)下述情況:
當設計狀態(tài)夾角過大時,驅(qū)動軸傳遞效率將會明顯降低,并且在駕駛過程中容易產(chǎn)生整車抖動、振動噪音,影響乘坐舒適性,同時在車輛急加速狀態(tài)下還可能產(chǎn)生扭矩轉(zhuǎn)向不良的情況。當極限夾角過大時,萬向節(jié)易因角度變化范圍過大而引起磨損,從而降低驅(qū)動軸整體使用壽命。當內(nèi)球節(jié)總滑移量過大時,半軸傳遞效率會下降,同時若滑移擺角曲線與球節(jié)特性框布置匹配不合理時,還易存在球節(jié)拉出或球節(jié)頂至殼體底部的風險,影響整車NVH性能。
結(jié)合各主機廠對半軸布置要求及上述動力總成位置調(diào)整對校核結(jié)果影響關系,可以得到在不調(diào)整懸架硬點、僅通過調(diào)整動力總成位置以達到滿足驅(qū)動軸布置要求的硬點可行域,當驅(qū)動軸內(nèi)球節(jié)中心點在該空間可行域時校核得到的結(jié)果均滿足布置要求。圖7為以三段式半軸為例,藍色部分為滿足要求的內(nèi)節(jié)中心點可行域。
4結(jié)論
通過上述基于ADAMS軟件建立的帶有驅(qū)動軸系統(tǒng)的前懸架參數(shù)化模型,將驅(qū)動軸系統(tǒng)位置參數(shù)化,分析了動力總成各向調(diào)整對驅(qū)動軸布置校核結(jié)果的影響關系,提供了動力總成位置調(diào)整優(yōu)化方案。根據(jù)球節(jié)夾角、滑移量隨動力總成調(diào)整時的變化趨勢,同時結(jié)合半軸設計布置要求,可確定出滿足驅(qū)動軸系統(tǒng)布置狀態(tài)的硬點調(diào)整范圍,該空間可行域范圍可用于同車型不同動力總成的搭載。
可行域范圍的求解對整車實際布置具有重要指導意義,使得在硬點調(diào)整過程中不再盲目,同時能夠給出半軸布置最佳位置,對減少實車NVH風險具有重要意義。同時該分析方法還可拓展至懸架硬點參數(shù)化,以研究懸架各硬點變化時對驅(qū)動軸夾角滑移量的影響關系。