基于ADAMS的四驱商用车传动轴系统 振动特性研究

刘子萌，谢建新

（青岛黄海学院，山东 青岛 266427）

引言

具有多个振动特性的多自由度振动系统是汽车传动轴系统的固有特点。汽车各系统中振动的最主要激振源是传动轴系统的振动与驱动桥的振动相耦合的结果[1]。传动轴是将一对轴线相交且相对位置不断变化的转轴用以把动力传递给驱动车轮。该四驱商用车的传动轴主要是将发动机产生的动力经分动器传递至前、后车桥上，从而实现轴距较长车辆的动力长距离传递。然而传动轴的振动问题直接影响着驾驶者的乘坐舒适性，故对其振动研究是整车设计的一个重要环节[2]。

本文以四驱商用车传动轴系统的振动优化这一任务，运用动力学仿真方法，建立传动轴系统的动力学模型。在随机不平路面激励影响下利用验证仿真模型，对该车在车速60 km/h的行驶车速下，对分动器与车架支承处的动反力进行分析。

1 动力学模型的建立

由于分析时考虑长度较长的前、后桥输出轴轴管的变形，故需将ADAMS中的刚性轴管替换为柔性轴管。利用ANSYS软件将前、后桥输出轴轴管部分进行网格划分，模态分析后将模态中性文件直接读取到ADAMS中建立传动轴的柔性体[3]，如图1所示。

图1 四驱商用车传动轴系统刚柔耦合动力学模型

2 仿真分析

2.1 工况的确定

四驱商用车采用的发动机最高输入转速3000 r/min。考虑到该车的行驶环境，行驶车速为60 km/h。该分动器分别基于高低挡两种传动比下进行仿真分析，分动器的高挡传动比iH=1.2，低挡传动比iL=2.05，主减速器传动比i0=4.86。由此根据公式（1）可得到高、低挡输入转速。

式中：R为车轮半径，R=0.525 m；iF为分动器传动比；i0为主减速器传动比；V为汽车行驶车速。

2.2 最大负载扭矩的确定

四驱商用车的传动轴所传递的最大扭矩是由地面摩擦产生的驱动力所决定。对传动轴系统最大负载扭矩的确定方法，通过地面最大附着力计算的传动轴的额定负荷与发动机最大扭矩计算出的传动轴的额定负荷进行比较得出地面最大附着力计算传动轴的额定负载，如公式（2）所示：

式中：r为车轮的滚动半径（mm）；ψ为车轮与地面的附着系数；m'为汽车最大车速时负载转移系数；i0为主减速器传动比。

按照发动机输出的最大扭矩计算传动轴的额定负载，车身质量通过动能守恒简化为一个转动惯量，平均分配到车辆的前、后桥，如公式（3）所示：

式中：M为汽车发动机最大扭矩；i1为变速器一挡传动比；Ip为分动器低速挡传动比；N为驱动轴数。

2.3 路面随机激励模型的建立

评定汽车平顺性最主要的实验是随机输入试验，利用Matlab中的Simulink模块的限带白噪声，使用基于有理函数滤波白噪声生成法建立了路面不平度的时域模型[4]。路面不平度位移可写为时域表达的形式：

将式（4）两边积分得：

选取白噪声ω(t)的采样时间为0.01 s，车速u为16.67 m/s（60 km/h），B级路面下不平度系数的几何平均值Gq(n0)=64×10-6m2/m-1，在Simulink中建立随机路面不平度的仿真模型。将k0=2*pi*0.1*sqrt（64e-006*16.7）代入Gain模块进行仿真分析，得到B级路面的随机路面不平度结果如图2所示。

图2 路面不平度仿真结果

2.4 传动轴系统动力学仿真分析

汽车在路面上行驶时，对传动轴产生振动的影响因素主要有两方面，一是在生产时传动轴本身的尺寸、安装夹角、制造误差等问题所造成的振动影响，这类影响因素可人为的减少或避免；二是汽车发动机传递的转速、扭矩对传动轴振动的影响，这类影响需要通过仿真分析改善[5]。

在发动机匀速行驶工况下，仿真输入发动转速为1200 r/min，输入扭矩为1000 N·m。在ADAMS/View界面中，通过设置合适的仿真布置参数对传动轴系统的刚柔耦合模型进行动力学仿真分析，在考虑动挠度和不考虑动挠度的作用下对其进行仿真分析，得到二者的比较关系曲线如图3所示。

图3 考虑动挠度与不考虑动挠度时动反力大小对比

得到四驱商用车在考虑动挠度和不考虑动挠度时动反力均方根值大小分别为为3270 N、2957 N。很明显在悬架动挠度的影响下车架与分动器支承处的动反力均方根值较大，所以应对在悬架动挠度影响下汽车在高速挡和低速挡的情况下进行仿真分析。

在考虑悬架动挠度的影响情况下，再通过仿真分析得到汽车在低速挡车速30 km/h和高速挡车速60 km/h匀速直线行驶时，在ADAMS中进行仿真分析，得到分动器与车架连接处动反力与时间的关系曲线如图4、5所示。

图4 低速挡分动箱与车架支承处的动反力

得到四驱商用车传动轴系统在低速挡和高速挡时所受到的最大动反力均方根值分别为567 N、1012 N，汽车在高速挡行驶时的动反力均方根值大小远远大于低速挡。

3 结论

首先确定了传动轴系统模型的输入工况，通过计算公式确定了传动轴前、后桥输出轴所承受的最大负载。然后在Simulink里建立了路面随机激励模型，对分动器与车架支承处的动反力均方根值进行仿真分析，分析比较二者产生较大动反力均方根值的情况，最后在该情况下对汽车在高速挡和低速挡匀速直线行驶时动反力均方根值的大小比较，最终确定了最大振动状况。