王曉強(qiáng) 馬義超 江振偉 馬書(shū)林 林棟

摘要：利用動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/Car建立帶有驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)的乘用車前懸架分析模型，重點(diǎn)考察動(dòng)力總成位置調(diào)整對(duì)驅(qū)動(dòng)軸滑移、夾角特性的影響。以某車前懸架為例，通過(guò)對(duì)內(nèi)球節(jié)硬點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)化處理，得到在僅對(duì)動(dòng)力總成位置調(diào)整時(shí)的驅(qū)動(dòng)軸夾角及總滑移量變化趨勢(shì)，并結(jié)合布置要求，得到滿足驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)布置的內(nèi)節(jié)中心硬點(diǎn)可行域。該方法可有效避免動(dòng)力總成調(diào)整的盲目性，同時(shí)能極大減少布置校核次數(shù)，對(duì)整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)軸布置具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)軸;參數(shù)化;動(dòng)力學(xué)仿真

中圖分類號(hào)：U463.218+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(fèi)者在購(gòu)車時(shí)更加注重汽車行駛過(guò)程中的動(dòng)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(shí)用性更強(qiáng)的前置前驅(qū)方式，即前輪同時(shí)具備轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)角度的任意偏轉(zhuǎn);而作為驅(qū)動(dòng)輪，則要求驅(qū)動(dòng)軸能夠在車輪任意偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下仍將差速器輸出端動(dòng)力以等角速度傳遞至車輪。

在前驅(qū)型乘用車上，因獨(dú)立懸架具有更好的舒適性和布置空間而得到了廣泛的應(yīng)用，而為滿足獨(dú)立懸架上下跳動(dòng)（單輪跳動(dòng)或雙輪反向跳動(dòng)）的要求，驅(qū)動(dòng)軸不僅需實(shí)現(xiàn)等速運(yùn)轉(zhuǎn)，還需具有一定長(zhǎng)度的軸向滑移。目前應(yīng)用于獨(dú)立懸架上的驅(qū)動(dòng)軸，輪轂側(cè)多使用定心等速萬(wàn)向節(jié)（即外節(jié)），差速器側(cè)則為可伸縮型球籠萬(wàn)向節(jié)（即內(nèi)節(jié)）。

對(duì)于前置前驅(qū)車型，由于在行駛過(guò)程中車輪的轉(zhuǎn)向及上下跳動(dòng)，使得驅(qū)動(dòng)軸的球節(jié)夾角及滑移量在時(shí)刻改變。而在驅(qū)動(dòng)軸工作過(guò)程中，扭矩傳遞效率會(huì)隨著半軸夾角的增大而降低，同時(shí)當(dāng)滑移量和工作角度過(guò)大，萬(wàn)向節(jié)內(nèi)部會(huì)因摩擦而誘發(fā)軸向力的產(chǎn)生，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中易與汽車其他部件產(chǎn)生共振，引起車身抖動(dòng)，影響乘坐和駕駛的舒適性，因此在設(shè)計(jì)初期即需要對(duì)驅(qū)動(dòng)軸滑移擺角進(jìn)行分析。

國(guó)內(nèi)有些技術(shù)人員做過(guò)有關(guān)驅(qū)動(dòng)軸的研究工作，也有些技術(shù)人員進(jìn)行過(guò)虛擬運(yùn)動(dòng)分析，但其研究多集中在單個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的性能方面，而非從懸架或整車布置的角度來(lái)考慮優(yōu)化驅(qū)動(dòng)軸的布置狀態(tài)。本文應(yīng)用MSC/ADAMS建立某乘用車前懸架動(dòng)力學(xué)分析模型，對(duì)影響驅(qū)動(dòng)軸滑移、夾角特性的因素（如動(dòng)力總成）進(jìn)行了考慮，對(duì)動(dòng)力總成位置進(jìn)行參數(shù)化定義，結(jié)合驅(qū)動(dòng)軸滑移夾角設(shè)計(jì)要求，對(duì)動(dòng)力總成位置進(jìn)行優(yōu)化，以使得驅(qū)動(dòng)軸處于最佳工作區(qū)域，避免后續(xù)因驅(qū)動(dòng)軸位置姿態(tài)等帶來(lái)的整車振動(dòng)及噪音問(wèn)題。

1 建立懸架動(dòng)力學(xué)分析模型

多體動(dòng)力學(xué)是虛擬樣機(jī)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，基于多體動(dòng)力學(xué)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(diǎn)建立如下帶有驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)的麥弗遜獨(dú)立懸架模型（圖1）。

2 模型參數(shù)化設(shè)計(jì)

由于汽車在行駛過(guò)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(shè)計(jì)初期即需要對(duì)不同狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行分析以確保其工作的可靠性。

利用上述建立好的動(dòng)力學(xué)分析模型，根據(jù)整車輸入信息（即輪跳和轉(zhuǎn)向行程）可對(duì)懸架模型進(jìn)行快速仿真分析，得到驅(qū)動(dòng)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(dòng)軸設(shè)計(jì)要求。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，動(dòng)力總成初始布置位置往往不合理而使得驅(qū)動(dòng)軸分析結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求，從而需重復(fù)調(diào)整動(dòng)力總成位置。同時(shí)當(dāng)某一車型搭載多種不同動(dòng)力總成時(shí)，需進(jìn)行布置校核的次數(shù)將會(huì)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(chǔ)上，對(duì)動(dòng)力總成位置進(jìn)行參數(shù)化處理，如圖2所示。表中將對(duì)動(dòng)力總成位置的調(diào)整轉(zhuǎn)化至驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)球節(jié)中心點(diǎn)，即以內(nèi)球節(jié)中心點(diǎn)坐標(biāo)的變化反映動(dòng)力總成位置的調(diào)整。

3 動(dòng)力總成布置位置分析及優(yōu)化

應(yīng)用上述建立好的參數(shù)化懸架模型，通過(guò)對(duì)內(nèi)球節(jié)中心點(diǎn)坐標(biāo)（等同于動(dòng)力總成硬點(diǎn)）進(jìn)行系列化取值，得到在不同工況下驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)特性。圖3為對(duì)左驅(qū)動(dòng)半軸內(nèi)球節(jié)中心點(diǎn)X值進(jìn)行系列化取值，得到動(dòng)力總成在不同X值下外球節(jié)設(shè)計(jì)狀態(tài)（即半載狀態(tài)，下同）夾角變化趨勢(shì)（如圖4所示），從拋物線狀變化趨勢(shì)可知，當(dāng)差速器輸出軸線與前輪輪心線越接近，半軸外球節(jié)設(shè)計(jì)狀態(tài)夾角越小?；谕瑯拥姆椒?，可以得到在對(duì)半軸內(nèi)節(jié)中心點(diǎn)Y值、Z值進(jìn)行調(diào)整時(shí)，半軸內(nèi)、外球節(jié)設(shè)計(jì)狀態(tài)夾角的變化趨勢(shì)。

而對(duì)于在實(shí)際布置校核中同樣需十分關(guān)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(guān)，因此當(dāng)改變動(dòng)力總成某一坐標(biāo)值時(shí)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(shè)計(jì)要求。如圖5為對(duì)動(dòng)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(biāo)點(diǎn)），得到20條滑移量變化曲線（圖中每條曲線為無(wú)轉(zhuǎn)向、懸架進(jìn)行一個(gè)完整跳動(dòng)行程）。

但為得到與實(shí)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(shí)發(fā)生變化的變化情況。當(dāng)轉(zhuǎn)向不為零時(shí)，滑移量曲線也會(huì)與圖5中的曲線有所不同（初始時(shí)刻滑移量將不為零）。在實(shí)際校核過(guò)程中往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將轉(zhuǎn)向過(guò)程劃分為9個(gè)狀態(tài)，同時(shí)考慮在不同轉(zhuǎn)向時(shí)刻的輪跳行程（如當(dāng)前輪左轉(zhuǎn)向至極限位置時(shí)，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(shí)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(dòng)力總成Z向調(diào)整時(shí)的變化曲線，采用相同的方法也可以得到在對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)行X、Y值調(diào)整時(shí)，半軸球節(jié)極限夾角和總滑移量的變化情況。

在實(shí)際整車布置過(guò)程中，往往需要對(duì)驅(qū)動(dòng)半軸設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中半軸處于良好的工作狀態(tài)，當(dāng)布置狀態(tài)不佳時(shí)即可出現(xiàn)下述情況：

當(dāng)設(shè)計(jì)狀態(tài)夾角過(guò)大時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸傳遞效率將會(huì)明顯降低，并且在駕駛過(guò)程中容易產(chǎn)生整車抖動(dòng)、振動(dòng)噪音，影響乘坐舒適性，同時(shí)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(dāng)極限夾角過(guò)大時(shí)，萬(wàn)向節(jié)易因角度變化范圍過(guò)大而引起磨損，從而降低驅(qū)動(dòng)軸整體使用壽命。當(dāng)內(nèi)球節(jié)總滑移量過(guò)大時(shí)，半軸傳遞效率會(huì)下降，同時(shí)若滑移擺角曲線與球節(jié)特性框布置匹配不合理時(shí)，還易存在球節(jié)拉出或球節(jié)頂至殼體底部的風(fēng)險(xiǎn)，影響整車NVH性能。

結(jié)合各主機(jī)廠對(duì)半軸布置要求及上述動(dòng)力總成位置調(diào)整對(duì)校核結(jié)果影響關(guān)系，可以得到在不調(diào)整懸架硬點(diǎn)、僅通過(guò)調(diào)整動(dòng)力總成位置以達(dá)到滿足驅(qū)動(dòng)軸布置要求的硬點(diǎn)可行域，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)球節(jié)中心點(diǎn)在該空間可行域時(shí)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(lán)色部分為滿足要求的內(nèi)節(jié)中心點(diǎn)可行域。

4結(jié)論

通過(guò)上述基于ADAMS軟件建立的帶有驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)的前懸架參數(shù)化模型，將驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)位置參數(shù)化，分析了動(dòng)力總成各向調(diào)整對(duì)驅(qū)動(dòng)軸布置校核結(jié)果的影響關(guān)系，提供了動(dòng)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(dòng)力總成調(diào)整時(shí)的變化趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合半軸設(shè)計(jì)布置要求，可確定出滿足驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)布置狀態(tài)的硬點(diǎn)調(diào)整范圍，該空間可行域范圍可用于同車型不同動(dòng)力總成的搭載。

可行域范圍的求解對(duì)整車實(shí)際布置具有重要指導(dǎo)意義，使得在硬點(diǎn)調(diào)整過(guò)程中不再盲目，同時(shí)能夠給出半軸布置最佳位置，對(duì)減少實(shí)車NVH風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。同時(shí)該分析方法還可拓展至懸架硬點(diǎn)參數(shù)化，以研究懸架各硬點(diǎn)變化時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)軸夾角滑移量的影響關(guān)系。