某車(chē)左前輪輪邊傳動(dòng)軸故障問(wèn)題分析

劉啟佳，　李而康，　馮　宇，　趙春霞，　肖岳峰，　丁秀娟

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072)

?

某車(chē)左前輪輪邊傳動(dòng)軸故障問(wèn)題分析

劉啟佳，李而康，馮宇，趙春霞，肖岳峰，丁秀娟

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072)

在ADAMS軟件環(huán)境中對(duì)某車(chē)左前懸掛進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)干涉校核分析，并對(duì)輪邊傳動(dòng)軸角度在極限工況下的變化情況及懸掛限位裝置的工作情況進(jìn)行了分析.分析的結(jié)果表明，該車(chē)輛懸掛系統(tǒng)在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉校核分析過(guò)程中所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題與車(chē)輛在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題基本吻合，該方法可以為輪邊傳動(dòng)軸角度的變化及懸掛限位裝置的設(shè)計(jì)提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，值得在車(chē)輛設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中推廣使用.

輪邊傳動(dòng)軸；懸掛；運(yùn)動(dòng)干涉

轉(zhuǎn)向、懸掛及輪邊傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)校核是車(chē)輛設(shè)計(jì)初期必須要開(kāi)展的工作.由于設(shè)計(jì)人員對(duì)Pro/E軟件的使用水平參差不齊，使得部件三維模型在創(chuàng)建過(guò)程中都很少定義其互相的約束關(guān)系.因此，總體拿到三維模型后無(wú)法進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)學(xué)及干涉校核分析，無(wú)法對(duì)部件設(shè)計(jì)提出有效的設(shè)計(jì)指標(biāo).如果設(shè)計(jì)指標(biāo)過(guò)于嚴(yán)格會(huì)增加部件設(shè)計(jì)的難度和成本，設(shè)計(jì)指標(biāo)過(guò)于寬松則部件在實(shí)車(chē)上不能滿(mǎn)足使用要求，會(huì)造成故障頻發(fā)，最終會(huì)影響整車(chē)的研制進(jìn)度.針對(duì)這種問(wèn)題，本文將Adams和Pro/E軟件結(jié)合使用，對(duì)某車(chē)左前懸掛及輪邊傳動(dòng)軸的干涉和運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析.以輪邊傳動(dòng)軸為例，通過(guò)計(jì)算得到了輪邊傳動(dòng)軸工作角度實(shí)際變化范圍，找到了前期試驗(yàn)過(guò)程中前橋軸輪邊傳動(dòng)軸在轉(zhuǎn)彎掉頭過(guò)程中頻繁損壞的主要原因是輪邊傳動(dòng)軸最大工作角度過(guò)小無(wú)法滿(mǎn)足使用要求.

1　左前懸掛系統(tǒng)模型的建立

1.1建模過(guò)程

確定Pro/E中要導(dǎo)出的組件，并將其它組件隱含，在導(dǎo)出過(guò)程中參照原點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)出，并另存為*.stp格式；在Adams中導(dǎo)入該*.stp文件，導(dǎo)入?yún)⒖甲鴺?biāo)為(0，0，0).逐一導(dǎo)入各個(gè)運(yùn)動(dòng)組件，并在Adams中建立各組件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系[1]，如圖1所示.

圖1　模型中各部件間的約束關(guān)系

1.2測(cè)量變量的定義

這里主要關(guān)注車(chē)輪在極限轉(zhuǎn)角下輪邊傳動(dòng)軸角度的變化，因此需要定義的變量如表1所示[2]，左前懸掛模型參考坐標(biāo)系如圖2所示.

圖2　左前輪懸掛模型

表1　測(cè)量變量說(shuō)明

2　左前懸掛運(yùn)動(dòng)校核及其輪邊傳動(dòng)軸　角度變化分析

2.1運(yùn)動(dòng)干涉校核

根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算結(jié)果，在最大轉(zhuǎn)彎半徑時(shí)前輪最大轉(zhuǎn)角為23°和-30°，因此在轉(zhuǎn)向搖臂上加相應(yīng)的初始轉(zhuǎn)角，使左前輪轉(zhuǎn)角能達(dá)到23°和-30°.由于車(chē)輪在行駛過(guò)程中是不斷跳動(dòng)的，這個(gè)過(guò)程中伴隨著車(chē)輪前束角的變化，相應(yīng)地也會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)的車(chē)輪轉(zhuǎn)角.

由于車(chē)輪跳動(dòng)的設(shè)計(jì)值為±120 mm，因此在車(chē)輪驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上加振幅為120 mm的正弦輸入，來(lái)模擬車(chē)輪的整個(gè)跳動(dòng)過(guò)程，從整個(gè)仿真的動(dòng)畫(huà)來(lái)看，當(dāng)左前輪最大轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，上擺臂與上下限位塊剛好接觸，如圖3所示，考慮限位塊的壓縮變形，車(chē)輪的上跳動(dòng)行程要大于120 mm，會(huì)造成輪邊傳動(dòng)軸角度的增加，加速輪邊傳動(dòng)軸的損壞，因此，需要重新調(diào)整限位塊到實(shí)際的設(shè)計(jì)位置；當(dāng)前輪最大轉(zhuǎn)角為-30°時(shí)，車(chē)輪與車(chē)體無(wú)干涉情況出現(xiàn)，如圖4所示.

圖3　左前車(chē)輪轉(zhuǎn)角為0°時(shí)在上下極限位置限位塊碰撞情況

圖4　左前車(chē)輪轉(zhuǎn)角為-30°時(shí)上下極限位置干涉校核

2.2左前輪邊傳動(dòng)軸角度變化分析

根據(jù)懸掛及轉(zhuǎn)向的初始設(shè)計(jì)輸入，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸角度的變化進(jìn)行分析.圖5～圖7分別為當(dāng)左前車(chē)輪轉(zhuǎn)角分別為23°、0°和-30°時(shí)，傳動(dòng)軸角度隨車(chē)輪動(dòng)行程(±120 mm)的變化曲線(xiàn).

從圖5可以看出，右轉(zhuǎn)向到極限位置，當(dāng)輪心位移為0時(shí)，左前側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角最大為23°；當(dāng)輪心位移分別位于+120 mm、-120 mm時(shí)，左側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角都會(huì)小于23°；當(dāng)輪心位移為-120 mm時(shí)，輪邊傳動(dòng)軸角度最大，傳動(dòng)軸外側(cè)合成最大轉(zhuǎn)角為35.4°、內(nèi)側(cè)合成最大轉(zhuǎn)角為24.8°.

從圖6可以看出,方向盤(pán)在中間位置時(shí)，車(chē)輪轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，當(dāng)輪心位移為-120 mm時(shí)，輪邊傳動(dòng)軸角度最大，傳動(dòng)軸外側(cè)合成最大轉(zhuǎn)角的絕對(duì)值為25.7°，內(nèi)側(cè)合成最大轉(zhuǎn)角為24.6°.

從圖7可以看出，左轉(zhuǎn)向到極限位置時(shí)，左側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角為-30°，當(dāng)輪心位移分別位于+120 mm、-120 mm時(shí)，左側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角的絕對(duì)值都會(huì)小于30°；當(dāng)輪心位移為-120 mm時(shí)，輪邊傳動(dòng)軸角度最大，輪邊傳動(dòng)軸外側(cè)合成最大轉(zhuǎn)角為37.5°、內(nèi)側(cè)合成最大轉(zhuǎn)角為23.5°.

以上分析結(jié)果可以看出，左前輪在最大轉(zhuǎn)角為30°時(shí)，輪邊傳動(dòng)軸外側(cè)合成角度最大為37.5°，遠(yuǎn)大于給廠(chǎng)家33°的設(shè)計(jì)值，這與試驗(yàn)過(guò)程中，外側(cè)輪邊傳動(dòng)軸球籠頻繁損壞相符.若再考慮懸掛限位塊的變形，輪邊傳動(dòng)軸外側(cè)最大角度會(huì)更大.因此，需要嚴(yán)格控制懸掛限位塊的位置和轉(zhuǎn)向限位的位置.

圖5　左前輪轉(zhuǎn)角為23°時(shí)輪邊傳動(dòng)軸角度變化

圖6　左前車(chē)輪轉(zhuǎn)角為0°時(shí)輪邊傳動(dòng)軸角度變化

圖7　左前車(chē)輪轉(zhuǎn)角為-30°時(shí)輪邊傳動(dòng)軸角度變化

3　結(jié)束語(yǔ)

首先，通過(guò)將多體動(dòng)力學(xué)分析軟件和三維建模軟件相結(jié)合，不僅可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的干涉校核和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過(guò)設(shè)置合適的彈簧剛度和阻尼還可以對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析.

其次，從傳動(dòng)軸和懸掛限位塊設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)校核的

分析結(jié)果所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題來(lái)看，基本與車(chē)輛在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題吻合，很好地找到了設(shè)計(jì)缺陷所在.

最后，通過(guò)建立所關(guān)注的狀態(tài)變量可以很快地得到所需要的計(jì)算結(jié)果，還可以通過(guò)更改設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo).

總之，只要在車(chē)輛設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)前期做足夠細(xì)致的工作就可以把車(chē)輛研發(fā)后期所出現(xiàn)的問(wèn)題提前發(fā)現(xiàn)，并更及時(shí)有效的更改到設(shè)計(jì)當(dāng)中去.

[1]張?jiān)浇?計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]陳立群，張?jiān)魄?機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

Analysis of the Wheel-drive Shaft Damage for a Vehicle

LIU Qi-Jia，LI Er-kang，F(xiàn)ENG Yu，ZHAO Chun-xia，XIAO Yue-feng，DING Xiu-juan

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

The kinematics interfere，working angle of the wheel-drive shaft and the working position of the bump stop component are checked for the front suspension in the ADAMS software environment. The analysis shows that there is a perfect consistency between the problems that were found in the calculation of the kinematic interference check and the faults that occurred in the field test for the front suspension. The method can also be used for the design of the wheel-drive shaft and bump stop component and worth to be applied in the process of the vehicle design and development.

wheel-drive shaft；suspension；kinematics interfere check

1009-4687(2016)01-0048-03

2015-05-14.

劉啟佳(1980-)，男，副研究員，研究方向?yàn)槠?chē)動(dòng)力學(xué)仿真與控制.

U463.216+.2

A