基于ADAMS整車動(dòng)力學(xué)模型的中間支承剛度優(yōu)化研究*

常光寶 陸嘉敏 陸星陽 魯統(tǒng)利

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

據(jù)消費(fèi)者反映，國產(chǎn)某款前置后驅(qū)MPV車在急加速工況下車身及后橋處振動(dòng)較大，帶來了不舒適的人體感受。應(yīng)廠商要求，本文將從優(yōu)化中間支承剛度的角度出發(fā)，優(yōu)化并改善整車NVH性能。

軸距較長的車往往將傳動(dòng)軸分段并加設(shè)中間支撐以緩和傳動(dòng)軸的振動(dòng)。目前中間支承廣泛采用如圖1所示的橡膠彈性中間支承，用以吸收傳動(dòng)軸的振動(dòng)并降低噪聲。該類型的中間支撐結(jié)構(gòu)簡單，但橡膠性能會對整車振動(dòng)產(chǎn)生較大影響，因此需要對橡膠剛度進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)以提升整車NVH表現(xiàn)。

圖1 橡膠彈性中間支承

1 ADAMS模型的建立

多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS具有強(qiáng)大的建模與仿真功能，極大地簡化了工程師們處理動(dòng)力學(xué)問題的時(shí)間。建立一個(gè)準(zhǔn)確合理的傳動(dòng)系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型，是能否解決問題的關(guān)鍵。改款MPV車傳動(dòng)系的簡化模型如圖2所示。

教學(xué)認(rèn)知是教師對“教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)任務(wù)、學(xué)習(xí)者特點(diǎn)、教學(xué)方法與策略以及教學(xué)情境的分析判斷”[14]．其構(gòu)成包括學(xué)科知識、教學(xué)法知識、關(guān)于學(xué)生的知識和教育情境知識等要素．這些要素彼此統(tǒng)一，相互依附．其中，學(xué)科知識“居于基礎(chǔ)地位”，學(xué)科教學(xué)知識對教學(xué)開展具有關(guān)鍵性作用[15]．基于此，擬通過問卷調(diào)查、內(nèi)容分析、視頻分析與訪談相結(jié)合的研究方法，從數(shù)據(jù)分析的學(xué)科認(rèn)知和教學(xué)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面考察入手，研究職前數(shù)學(xué)教師數(shù)據(jù)分析教學(xué)的認(rèn)知發(fā)展現(xiàn)狀，以此管窺職前教師面向教學(xué)的數(shù)據(jù)分析知識發(fā)展的實(shí)然狀態(tài)．相信，這不僅是數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)由理念向教學(xué)現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)化的必然要求，而且對于深化數(shù)學(xué)教師職前教育具有積極意義．

1-離合器 2-手動(dòng)變速器 3-萬向傳動(dòng)裝置 4-驅(qū)動(dòng)橋 5-差速器 6-半軸 7-主減速器 8-中間支承

1.1 動(dòng)力傳動(dòng)系多剛體模型

在動(dòng)力傳動(dòng)系的建模過程中，需要對系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡化：去掉一些細(xì)小的零部件，只留下關(guān)鍵部件；將齒輪副簡化為傳動(dòng)比；將差速器固接到主減速器齒輪上。將企業(yè)提供的UG模型導(dǎo)入到ADAMS中，根據(jù)各部件間的實(shí)際連接情況設(shè)置約束關(guān)系。建模完畢的傳動(dòng)軸模型如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)軸模型

運(yùn)算完畢的輸出結(jié)果如圖11所示，其中中間支承剛度敏感度分析試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

本算例結(jié)構(gòu)如圖7所示，該系統(tǒng)含有33個(gè)節(jié)點(diǎn)，37條支路，5個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)[11](圖中虛線所示)，基準(zhǔn)電壓為12.66 kV，網(wǎng)絡(luò)總負(fù)荷為5.084 26+j2.547 32 MVA[12]。

圖4 中間支承模型

1.2 整車模型的集成

將以上各部件組裝集合成的綜合整車動(dòng)力學(xué)模型如圖10所示。

圖5 中間支承徑向剛度曲線

圖6 中間支承軸向剛度曲線

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器模型

圖8 麥弗遜式前懸架模型

汽車是一個(gè)綜合的系統(tǒng)，為了考察中間支承對整車產(chǎn)生的影響，僅有動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的建模是不夠的，還需要將懸架、輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)等模型包含在內(nèi)，并集成為整車模型。由于這些部件不是本文的重點(diǎn)考察對象，因此不再贅述其詳細(xì)建模過程。建立完畢的各部件模型的如圖7至圖9所示。

圖9 后懸架模型

圖10 整車動(dòng)力學(xué)模型

2 仿真分析與優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)仿真

對計(jì)算的認(rèn)識可以追溯到古希臘時(shí)代對“數(shù)”的認(rèn)識。畢達(dá)哥拉斯學(xué)派對“數(shù)”的探索最為“癡迷”。他們認(rèn)為，世界的本源并非原初物質(zhì)，而是其結(jié)構(gòu)形式，可以用“數(shù)”來衡量，用“數(shù)”來描述世界萬物，由此奠定了其“萬物皆數(shù)”的世界觀。但是，畢達(dá)哥拉斯學(xué)派所說的“數(shù)”是一種關(guān)于世界本體的哲學(xué)思考，沒有指向人類心理活動(dòng)的探索。在那個(gè)時(shí)代，計(jì)算和心智彼此孤立、尚未結(jié)合。

表1 仿真結(jié)果輸出目標(biāo)RMS值

2.2 敏感度分析

本文重點(diǎn)考察中間支承剛度對整車NVH性能產(chǎn)生的影響。應(yīng)用ADAMS中的Insight模塊對中間支承的徑向剛度和軸向剛度與整車振動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行敏感度分析。設(shè)計(jì)變量選取中間支撐的徑向剛度及軸向剛度；設(shè)計(jì)目標(biāo)選取車身前后振動(dòng)加速度RMS、車身上下振動(dòng)加速度RMS、車身俯仰角加速度RMS以及后橋橋殼處俯仰角速度RMS作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

其中中間支承處的建模關(guān)系如圖4所示，用彈簧代替中間支承的徑向剛度及軸向剛度。其中軸向剛度與徑向剛度均通過實(shí)測得到，測量曲線及擬合數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示。

由于Insight中提供的試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊無法對非線性曲線進(jìn)行優(yōu)化，因此需要對中間支承剛度曲線進(jìn)行線性化處理。根據(jù)擬合曲線，取徑向剛度為40 N/mm，軸向剛度為7.37 N/mm，對整車模型進(jìn)行四檔急加速工況仿真。該工況下選用的路面為水泥路面，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在15 s內(nèi)從900 r/min提升到2500 r/min，仿真結(jié)束后輸出車身前后振動(dòng)加速度、車身俯仰振動(dòng)角加速度、車身上下振動(dòng)加速度及后橋橋殼俯仰振動(dòng)角速度隨時(shí)間歷程曲線，并計(jì)算其均方根值(RMS)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖11 敏感度分析結(jié)果

設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)目標(biāo)中間支承徑向剛度中間支承軸向剛度車身上下振動(dòng)加速度RMS-3.14%-0.85%車身俯仰振動(dòng)角加速度RMS-31.33%-7.39車身前后振動(dòng)加速度RMS-141.05-27.82%后橋前后俯仰振動(dòng)角速度RMS-60.81%-12.52%

利用Insight中提供的優(yōu)化功能對中間支承剛度進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化變量選取為中間支承徑向剛度與軸向剛度，變化范圍取為±50%。優(yōu)化目標(biāo)選取最小化車身上下振動(dòng)加速度RMS、前后振動(dòng)加速度RMS、俯仰振動(dòng)角加速度RMS以及后橋橋殼俯仰振動(dòng)角速度RMS四個(gè)變量。約束范圍則選取為傳動(dòng)軸跳動(dòng)范圍不超過中間支承外鋼圈。優(yōu)化結(jié)果如圖12所示，從中可以看出，優(yōu)化變量的最終結(jié)果為徑向剛度60 N/mm，軸向剛度11.06 N/mm。

2.3 優(yōu)化計(jì)算

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，中間支承徑向剛度對車身前后振動(dòng)加速度RMS、俯仰角加速度RMS及上下振動(dòng)加速度RMS貢獻(xiàn)度分別為-3.14%、-31.33%和-141.05%，對后橋橋殼角速度RMS為-60.81%；中間支承軸向剛度對車身前后振動(dòng)加速度RMS、俯仰角加速度RMS及上下振動(dòng)加速度RMS貢獻(xiàn)度分別為-0.85%、-7.39%和-27.82%，對后橋橋殼角速度RMS為-12.52%。由此可知，車身上下、前后及俯仰振動(dòng)及后橋橋殼俯仰振動(dòng)與中間支承剛度成反比；中間支承軸向剛度對車身上下振動(dòng)、俯仰振動(dòng)以及后橋橋殼俯仰振動(dòng)有較大影響；中間支承軸向剛度則對車身上下振動(dòng)及后橋橋殼俯仰振動(dòng)有輕微影響。

走進(jìn)滕王閣公園，就和清新的空氣撞了個(gè)滿懷。里面有婀娜的翠柳、碧綠的池塘、紅紅的金魚和灰褐的鴛鴦。再往里走，便看見一個(gè)廣場，上面畫著陰陽太極圖，抬頭望去，只見一座高大雄偉的閣樓聳立在廣場上，那就是滕王閣。

圖12 Insight中優(yōu)化工具

各優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化歷程如圖13至圖16所示。

圖13 車身前后振動(dòng)加速度優(yōu)化歷程

圖14 車身俯仰振動(dòng)角加速度優(yōu)化歷程

圖15 車身上下振動(dòng)加速度優(yōu)化歷程

優(yōu)化前后的各優(yōu)化目標(biāo)值對比如表3所示，從中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后，各優(yōu)化目標(biāo)均得到了改善。其中車身上下振動(dòng)加速度及后橋橋殼俯仰振動(dòng)角速度有了明顯的改善，優(yōu)化幅度在30%以上。由此可知原車車身及后橋處振動(dòng)較大的部分原因在于中間支承剛度過低，因此廠商可以作為中間支承的橡膠材料或改變結(jié)構(gòu)以提升中間支承的徑向剛度及軸向剛度，最終可以實(shí)現(xiàn)改善整車NVH表現(xiàn)的目的。

圖16 后橋橋殼俯仰振動(dòng)角速度優(yōu)化歷程

優(yōu)化目標(biāo)RMS值優(yōu)化前優(yōu)化后變化幅度車身前后振動(dòng)加速度(mm/s2)650.77640.20-1.62%車身俯仰振動(dòng)角加速度(°/s2)0.110.09-18.18%車身上下振動(dòng)加速度(mm/s2)581.76160.50-72.41%后橋橋殼俯仰振動(dòng)角速度(°/s)7.755.37-30.71%

3 結(jié)論

本文對研究的MPV車型進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)建模，針對中間支承剛度優(yōu)化部分，主要形成了以下研究結(jié)果：

1) 應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS建立了包含傳動(dòng)系、懸架、后橋等在內(nèi)的整車多體動(dòng)力學(xué)模型。

2) 應(yīng)用ADAMS中的Insight模塊對中間支承的徑向剛度與軸向剛度進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到了設(shè)計(jì)變量對整車主要NVH性能指標(biāo)的敏感程度。

國內(nèi)部分煙區(qū)在引進(jìn)部分煙葉生產(chǎn)機(jī)械化設(shè)備方面做了一定的工作，取得一定的成果。云南玉溪、福建省三明、河南許昌等煙區(qū)在研制推廣煙葉生產(chǎn)先進(jìn)機(jī)械方面做了引進(jìn)和探討工作。福建省的三明煙區(qū)引進(jìn)了煙葉自動(dòng)烘烤機(jī)，并在進(jìn)一步研制和推廣煙葉自動(dòng)化烘烤設(shè)備。但在煙葉生產(chǎn)各環(huán)節(jié)全面研制推廣實(shí)用機(jī)械方面，國內(nèi)尚在起步階段。

3) 基于以上分析對中間支承徑向與軸向剛度進(jìn)行了優(yōu)化，最終得到了該車中間支承剛度過小，需要適度增大其徑向剛度及軸向剛度的結(jié)論。