乘用車驅(qū)動軸布置參數(shù)化動力學仿真分析

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。