基于ADAMS的传动轴-桥壳系统的振动分析

周海超，翟辉辉，杨 建

(1. 江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2. 镇江高等专科学校 汽车工程学院，江苏 镇江 212000)

基于ADAMS的传动轴-桥壳系统的振动分析

周海超1，翟辉辉2，杨 建1

(1. 江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2. 镇江高等专科学校 汽车工程学院，江苏 镇江 212000)

根据某车型传动系参数和桥壳数模，利用ADAMS软件建立了传动轴-桥壳系统动力学模型。分析了传动轴当量夹角和转速的变化对驱动轴和桥壳的振动响应。结果表明，增加传动轴当量夹角和转速不仅会加剧左右半轴的振动响应，也会影响到驱动桥壳表面的振动响应，研究结果为进一步优化传动系参数匹配奠定基础。

车辆工程；ADAMS；传动轴；后桥；动力学模型；振动响应

0 引 言

汽车动力传动系统是汽车重要的组成部件之一，其性能匹配参数对车辆燃油经济性、平顺性、NVH等整体性能有决定性的影响[1-2]。传动系的扭转振动是车内振动噪声的重要根源之一。

许在文等[3]建立传动系扭振仿真模型，发现传动系中存在较为明显的扭振成分，采用参数灵敏度分析修改对扭振有重要作用的部件，实现扭振降低。胡乃杰等[4]以传动轴中间支撑力和位移响应为约束，优化分析传动轴的布置形式。郭彦颖等[5]利用矢量分析方法获得了后桥上、下跳动时传动轴长度和角度的变化特性，为整车总布置设计提供理论依据。驱动桥壳是传动系统的核心部件，在受到传动轴振动和不平路面的冲击及悬架的共同作用下产生振动，从外向外辐射噪声。孟庆华等[6]研究表明驱动桥噪声根本原因是主从动锥齿轮在传动轴的驱动下啮合时产生的啮合冲力和振动引起的，噪声产生的直接原因是驱动桥表面受到各种动态力的激励而产生的振动。陈亮[7]对驱动桥壳振动噪声进行了分析，提出了增加后盖厚度和在桥弓上设置加强筋来降低振动噪声。

传动轴在高速旋转时，由于本身质量的不平衡、刚度不足以及传动轴当量夹角和转速的变化等都会引起驱动轴和驱动桥壳的振动。笔者主要研究了传动轴当量夹角的变化和转速变化对传动轴和桥壳振动响应的影响。

1 ADAMS模型建立及约束

1.1 传动轴-桥壳系统参数获取

建立传动轴-桥壳系统模型中所需要的几何参数是由某面包车企业提供，其主要参数如表1。

构件及其性能参数由该面包车企业试验测试所提供(如弹簧刚度、减震器的特性参数、传动轴尺寸参数等)。

表1 传动轴-桥壳系统参数Table 1 Systerm parameters of the propeller shaft and the rear axle

1.2 传动轴-桥壳系统模型建立

ADAMS软件不仅能够进行刚体动力学建模分析，也可用来研究车辆零部件的振动分析[8]。传动轴-桥壳系统多体动力学仿真模型包括以下几个部件：传动轴、主减速器主动齿轮、主减速器从动齿轮、行星齿轮、行星齿轮轴、左半轴齿轮、右半轴齿轮、左半轴、右半轴、桥壳等，如图1。模型中除了桥壳由CATIA模型导入外，其余各部件都在ADAMS/view模块下创建。

图1 传动轴-桥壳系统多体动力学仿真模型Fig.1 Multi-body dynamic model of the propeller shaft and axle housing system

依据实车中各个部件的链接状况，在传动轴-桥壳系统多体动力学仿真模型中设置共计18个约束副，分别为7个旋转副，5个齿轮副，2个花键副，1个固定副，1个万向节副以及2个柔性连接等，如图2，图3；坐标选择如图2。

图2 传动轴-桥壳系统多体动力学仿真模型的约束Fig.2 The constraints of the multi-body dynamic model

图3 传动轴-桥壳系统多体动力学仿真模型约束示意Fig.3 The scheme of the model constraints

2 仿真结果分析

2.1 传动轴当量夹角变化的影响

当传动轴转速为2 000 r/min时，分析传动轴当量夹角变化对驱动轴和桥壳振动影响。

2.1.1 对驱动轴角加速度的影响

由图4可看出，传动轴当量夹角为0°时，左右半轴的最大角加速度为197.74 deg/s2，当量夹角为1.5°时，左右半轴角加速度为699.42 deg/s2，随着传动轴当量夹角的增大，驱动轴的角加速度也增大。

图4 传动轴当量夹角变化对驱动轴角速度影响Fig.4 Effects of propeller shaft angle variation on driving shaft’s angular speed

2.1.2 对驱动轴和桥壳振动的影响

图5为传动轴当量夹角的变化对驱动轴和桥壳振动加速度的影响曲线。由图5可知：当传动轴当量夹角为0°时，左右半轴的最大振动加速度分别为0.391 8 m/s2和0.366 2 m/s2，桥壳的最大振动加速度为0.192 8 m/s2；传动轴当量夹角为1.5°时，左右半轴的最大振动加速度分别为0.392 4 m/s2和0.363 9 m/s2，桥壳最大振动加速度为0.192 4 m/s2，随着传动轴当量夹角的增大，左右半轴以及桥壳的振动加速度都有不同程度的增大。也就是说随着传动轴当量夹角的增大驱动轴和桥壳的振动也随之加剧，但是，桥壳的振动响应对传动轴当量夹角变化小于驱动轴振动响应。

图5 传动轴当量夹角变化对驱动轴和桥壳振动加速度影响Fig.5 Effects of propeller shaft angle on the propeller shaft and the rear axle housing’s vibration acceleration

2.2 传动轴转速的变化

当传动轴当量夹角为6°时，分析传动轴转速变化对驱动轴和桥壳振动的影响。

2.2.1 对驱动轴角加速度的影响

由图6可知，当传动轴转速为1 311 r/min时，左右半轴的最大角加速度均为4 468.82 deg/s2，当传动轴转速为2 000 r/min时，左右半轴的最大角加速度为10 399.19 deg/s2，随着传动轴转速增大，左右半轴的角加速度也随之增大。也就是说随着传动轴转速的增大驱动轴和桥壳的振动也随之剧烈。

图6 传动轴转速变化对驱动轴角速度影响Fig.6 Effects of propeller shaft’s rotating speed variation on the driving axle’s angular speed

2.2.2 对驱动轴和桥壳振动加速度的影响

由图7可知，当传动轴转速为1 311 r/min时，左右半轴的最大振动加速度分别为0.267 1 m/s2和0.249 2 m/s2，桥壳最大振动加速度为0.131 3 m/s2；当传动轴转速为2 000 r/min时，左右半轴的最大振动加速度分别为0.421 8 m/s2和0.394 2 m/s2，桥壳最大振动加速度为0.207 5 m/s2。随着传动轴转速增大，左右半轴以及桥壳的振动加速度也随之增大。也就是说随着传动轴转速的增大驱动桥的振动也随之剧烈。

图7 传动轴转速变化对驱动轴和桥壳振动加速度影响Fig.7 Effects of propeller shaft’s rotating speed variation on the vibration acceleration of propeller shaft and the rear axle housing

3 结 论

1)随着传动轴当量夹角的增大，驱动轴的角加速度也增大，驱动轴以及桥壳的振动加速度也随之增大。也就是说随着传动轴当量夹角的增大，驱动轴和桥壳的振动也随之剧烈。但是，桥壳的振动响应对传动轴当量夹角变化小于驱动轴振动响应。

2)随着传动轴转速的增大，驱动轴的角加速度也增大，驱动轴以及桥壳的振动加速度也随之增大，也就是说随着传动轴转速的增大驱动轴和桥壳的振动也随之剧烈。

[1] 黄大星,何仁,李丽群.微混合动力城市客车动力系统的参数匹配[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2009,28(6):1118-1120. HUANG Daxing,HE Ren,LI Liqun.Parameters matching of power system of micro hybrid electric city bus [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2009,28(6):1118-1120.

[2] 吴先友,刘仁.一种微型车用半轴全浮支承式动力储备驱动后桥[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2011,30(4):864-867. WU Xianyou,LIU Ren.Half shaft & full floating power reserved drive axle for micao-automobile [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2011,30(4):864-867.

[3] 许在文,万海桥,黄东东,等.汽车传动系扭转振动建模与仿真分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2012,35(1):13-16. XU Zaiwen,WAN Haiqiao,HUANG Dongdong,et al.Modeling and simulation analysis of vehicle transmission torsional vibration[J].JournalofHefeiUniversityofTechnology(NaturalScience),2012,35(1):13-16.

[4] 胡乃杰,黄波.微车用传动轴中间支撑的刚度分析和改进[J].机床与液压,2011,39(18):18-19. HU Naijie,HUANG Bo.Analysis and improvement of stiffness of microcar drive shaft center support[J].MachineToolandHydraulics,2011,39(18):18-19.

[5] 郭彦颖,孙中辉,孙中红,等.传动轴长度和角度的校核计算[J].汽车技术,2008,5:34-37. GUO Yanhui,SUN Zhonghui,SUN Zhonghong,et al.The check on length and angle of propeller shaft[J].AutomobileTechnology,2008,5:34-37.

[6] 孟庆华,周晓军,庞茂.车辆驱动桥噪声分析及试验研究[J].振动与冲击,2006,25(1):136-139. MENG Qinghua,ZHOU Xiaojun,PANG Mao.Analysis and investigation on vehicle driver axle’s noise[J].JouranlofVirationandShock,2006,25(1):136-139.

[7] 陈亮.驱动桥壳体结构声振分析与改进[D].成都:西南交通大学,2013 . CHEN Liang.AnalysisandImprovementofVibrationandNoiseofaDrivingAxleHousing[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2013.

[8] 杨志刚,田浪,单少华.基于ADAMS与MATLAB自平衡双轮车混合模型建模[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2013,32(1):112-116. YANG Zhigang,TIAN Lang,SHAN Shaohua.Multi-body dynamic model building of self-balancing dual-wheeled vehicle using ADAMS and MATLAB[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2013,32(1):112-116.

Propeller Shaft and Rear Axle Housing System Vibration Analysis Based on ADAMS

ZHOU Haichao1，ZHAI Huihui2，YANG Jian1

(1. School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, P. R.China;2. College of Automotive Engineering, Zhenjiang College, Zhenjiang 212000, Jiangsu, P. R.China)

According to the powertrain parameter and numerical model simulating axle housing of some motorcar type , a dynamic model simulating propeller shaft-Rear Axle Housing system was established by ADAMS and an analysis was made on the impact of variations of equivalent angle and rotational speed of propeller shaft on vibration response of driving shaft and rear axle housing. The results show that increasing of propeller shaft angle and rotational speed may not only intensify the vibration response of the half axles left and right but also may affect the vibraton response of surface of driving axle housing. The study result lays a foundation for further optimization of powertrain parameters matching.

vehicle engineering; ADAMS; propeller shaft; rear axle; dynamic model; vibration response

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.35

2014-10-31；

2015-05-19

江苏省汽车工程重点实验室开放基金项目(QC201303)；江苏省2013年度普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX13_676)

周海超(1984—)，男，河南许昌人，博士，讲师，主要从事车辆动态控制及汽车现代轮胎学方面的研究。E-mail: haichaozhou999@163.com。

U463.2

A

1674-0696(2016)02-174-05