乘用车驱动轴布置参数化动力学仿真分析

王晓强 马义超 江振伟 马书林 林栋

摘要：利用动力学软件ADAMS/Car建立带有驱动轴系统的乘用车前悬架分析模型，重点考察动力总成位置调整对驱动轴滑移、夹角特性的影响。以某车前悬架为例，通过对内球节硬点坐标参数化处理，得到在仅对动力总成位置调整时的驱动轴夹角及总滑移量变化趋势，并结合布置要求，得到满足驱动轴系统布置的内节中心硬点可行域。该方法可有效避免动力总成调整的盲目性，同时能极大减少布置校核次数，对整车开发过程中驱动轴布置具有重要的指导意义。

关键词：驱动轴;参数化;动力学仿真

中图分类号：U463.218+.6 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）02-0068-04

引言

随着现有乘用车种类的不断增多，消费者在购车时更加注重汽车行驶过程中的动力性、操控性以及行驶稳定性。为满足该需求，现代乘用车多采用实用性更强的前置前驱方式，即前轮同时具备转向和驱动的功能。作为转向轮，要求车轮能在一定的转角范围内实现角度的任意偏转;而作为驱动轮，则要求驱动轴能够在车轮任意偏转状态下仍将差速器输出端动力以等角速度传递至车轮。

在前驱型乘用车上，因独立悬架具有更好的舒适性和布置空间而得到了广泛的应用，而为满足独立悬架上下跳动（单轮跳动或双轮反向跳动）的要求，驱动轴不仅需实现等速运转，还需具有一定长度的轴向滑移。目前应用于独立悬架上的驱动轴，轮毂侧多使用定心等速万向节（即外节），差速器侧则为可伸缩型球笼万向节（即内节）。

对于前置前驱车型，由于在行驶过程中车轮的转向及上下跳动，使得驱动轴的球节夹角及滑移量在时刻改变。而在驱动轴工作过程中，扭矩传递效率会随着半轴夹角的增大而降低，同时当滑移量和工作角度过大，万向节内部会因摩擦而诱发轴向力的产生，在运转过程中易与汽车其他部件产生共振，引起车身抖动，影响乘坐和驾驶的舒适性，因此在设计初期即需要对驱动轴滑移摆角进行分析。

国内有些技术人员做过有关驱动轴的研究工作，也有些技术人员进行过虚拟运动分析，但其研究多集中在单个驱动轴的性能方面，而非从悬架或整车布置的角度来考虑优化驱动轴的布置状态。本文应用MSC/ADAMS建立某乘用车前悬架动力学分析模型，对影响驱动轴滑移、夹角特性的因素（如动力总成）进行了考虑，对动力总成位置进行参数化定义，结合驱动轴滑移夹角设计要求，对动力总成位置进行优化，以使得驱动轴处于最佳工作区域，避免后续因驱动轴位置姿态等带来的整车振动及噪音问题。

1 建立悬架动力学分析模型

多体动力学是虚拟样机技术的理论基础，基于多体动力学理论，利用ADAMS/Car模块，采用自下而上的建模顺序建立悬架系统仿真分析模型。以某款乘用车为例，根据前悬架硬点建立如下带有驱动轴系统的麦弗逊独立悬架模型（图1）。

2 模型参数化设计

由于汽车在行驶过程中因路况、驾驶操作的不同而使悬架处于各种不同状态，因此在设计初期即需要对不同状态下的驱动轴进行分析以确保其工作的可靠性。

利用上述建立好的动力学分析模型，根据整车输入信息（即轮跳和转向行程）可对悬架模型进行快速仿真分析，得到驱动轴的布置结果（包括球节夹角及总滑移量）并以此判断该结果是否符合驱动轴设计要求。但在实际设计过程中，动力总成初始布置位置往往不合理而使得驱动轴分析结果不满足设计要求，从而需重复调整动力总成位置。同时当某一车型搭载多种不同动力总成时，需进行布置校核的次数将会成倍增加，这极大的增加了产品工程师的工作量。

鉴于此，本文在上述建立的前悬架模型的基础上，对动力总成位置进行参数化处理，如图2所示。表中将对动力总成位置的调整转化至驱动轴内球节中心点，即以内球节中心点坐标的变化反映动力总成位置的调整。

3 动力总成布置位置分析及优化

应用上述建立好的参数化悬架模型，通过对内球节中心点坐标（等同于动力总成硬点）进行系列化取值，得到在不同工况下驱动轴的运动特性。图3为对左驱动半轴内球节中心点X值进行系列化取值，得到动力总成在不同X值下外球节设计状态（即半载状态，下同）夹角变化趋势（如图4所示），从抛物线状变化趋势可知，当差速器输出轴线与前轮轮心线越接近，半轴外球节设计状态夹角越小。基于同样的方法，可以得到在对半轴内节中心点Y值、Z值进行调整时，半轴内、外球节设计状态夹角的变化趋势。

而对于在实际布置校核中同样需十分关注的半轴内球节极限夹角、外球节极限夹角以及内节总滑移量，因其最大值往往与转向行程及悬架姿态有关，因此当改变动力总成某一坐标值时即可得到一条或数条曲线，根据曲线极限值判断夹角和滑移量是否满足设计要求。如图5为对动力总成Z值调整（在一定数值范围内均匀选取20组坐标点），得到20条滑移量变化曲线（图中每条曲线为无转向、悬架进行一个完整跳动行程）。

但为得到与实际情况接近的内节总滑移量，还需考虑转向与悬架同时发生变化的变化情况。当转向不为零时，滑移量曲线也会与图5中的曲线有所不同（初始时刻滑移量将不为零）。在实际校核过程中往往根据经验将转向过程划分为9个状态，同时考虑在不同转向时刻的轮跳行程（如当前轮左转向至极限位置时，外侧车轮上跳行程仅为上跳定义行程的80%，内侧车轮上跳行程为上跳定义行程的70%，下跳行程則仍为100%），根据9组曲线数据的极值得到与实际情况一致的内球节总滑移量。如图6为内节总滑移量随动力总成Z向调整时的变化曲线，采用相同的方法也可以得到在对动力总成进行X、Y值调整时，半轴球节极限夹角和总滑移量的变化情况。

在实际整车布置过程中，往往需要对驱动半轴设计状态夹角、极限夹角以及总滑移量加以限制，以使车辆在运动过程中半轴处于良好的工作状态，当布置状态不佳时即可出现下述情况：

当设计状态夹角过大时，驱动轴传递效率将会明显降低，并且在驾驶过程中容易产生整车抖动、振动噪音，影响乘坐舒适性，同时在车辆急加速状态下还可能产生扭矩转向不良的情况。当极限夹角过大时，万向节易因角度变化范围过大而引起磨损，从而降低驱动轴整体使用寿命。当内球节总滑移量过大时，半轴传递效率会下降，同时若滑移摆角曲线与球节特性框布置匹配不合理时，还易存在球节拉出或球节顶至壳体底部的风险，影响整车NVH性能。

结合各主机厂对半轴布置要求及上述动力总成位置调整对校核结果影响关系，可以得到在不调整悬架硬点、仅通过调整动力总成位置以达到满足驱动轴布置要求的硬点可行域，当驱动轴内球节中心点在该空间可行域时校核得到的结果均满足布置要求。图7为以三段式半轴为例，蓝色部分为满足要求的内节中心点可行域。

4结论

通过上述基于ADAMS软件建立的带有驱动轴系统的前悬架参数化模型，将驱动轴系统位置参数化，分析了动力总成各向调整对驱动轴布置校核结果的影响关系，提供了动力总成位置调整优化方案。根据球节夹角、滑移量随动力总成调整时的变化趋势，同时结合半轴设计布置要求，可确定出满足驱动轴系统布置状态的硬点调整范围，该空间可行域范围可用于同车型不同动力总成的搭载。

可行域范围的求解对整车实际布置具有重要指导意义，使得在硬点调整过程中不再盲目，同时能够给出半轴布置最佳位置，对减少实车NVH风险具有重要意义。同时该分析方法还可拓展至悬架硬点参数化，以研究悬架各硬点变化时对驱动轴夹角滑移量的影响关系。