CN112989492B - 一种汽车传动轴中间支承动态特性的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车传动轴中间支承刚度的优化方法。所述方法包括以下步骤：建立传动轴总成三维模型及获取传动轴的特性参数；进行有限元仿真，建立传动轴模态分析模型；获取传动轴中间支承的优化区间；传动轴总成三维模型中的主要部件导入到动力学仿真软件ADAMS中；建立传动轴总成动力学模型；以传动轴中间支承支承座的振动加速度均方根RMS的最小值为优化目标表征传动轴的振动特性，以传动轴中间支承刚度为设计变量进行仿真，得到传动轴中间支承的动态特性结果，并选取出传动轴中间支承的最优刚度值。本发明结合了振动理论分析和Adams动力学仿真分析，解决了直接使用理论分析无法考虑实际使用过程中传动轴随转速变化引起振动的问题。

Description

一种汽车传动轴中间支承动态特性的优化方法

技术领域

本发明涉及汽车传动轴中间支承刚度优化设计领域，具体涉及一种汽车传动轴中间支承动态特性的优化方法。

背景技术

在汽车可变轴向传动系统中，分段式传动轴的动力输出是变化的，在一定程度上影响了后桥振动。中间支承作为传动轴系的重要组成部件，对于降低传动轴振动传递路劲及后桥系统的振动具有重要影响。

汽车传动轴中间支承是传动轴系统的主要隔振装置，由刚性支架和弹性橡胶焊合而成的一种刚柔耦合结构。在文献“雷玉莲.基于虚拟样机技术的汽车传动轴振动研究[D].重庆大学,2013”中，作者简化了传动轴系统动力学模型，仅用水平和垂直两个方向的弹簧代替中间支承，且在仿真过程中对弹簧的振动进行测量，以反应传动轴总成振动的大小，不能真实反应中间支承的隔振作用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种汽车传动轴中间支承刚度的优化设计方法，将理论分析和仿真分析相结合，由理论分析得到中间支承刚度的优化区间，再通过动力学仿真分析确定中间支承的最优刚度值。在此过程中，以传动轴中间支承支承座的振动加速度均方根RMS的最小值为优化目标，以中间支承橡胶内衬套刚度为设计变量进行动力学仿真分析，真实反应出中间支承的隔振效果，对以后传动轴中间支承的设计具有重要参考价值。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，包括以下步骤：

S1、建立传动轴总成三维模型及获取传动轴的特性参数；

S2、对建立的传动轴总成三维模型进行有限元仿真，建立传动轴模态分析模型，计算传动轴临界转速；

S3、根据振动力学的隔振理论，获取传动轴中间支承的优化区间；

S4、保留传动轴总成三维模型中的主要部件，导入到动力学仿真软件ADAMS中，并检查传动轴总成三维模型的完整性；

S5、在动力学仿真软件ADAMS中，根据传动轴总成各个部件之间的实际连接情况，设置对应的约束关系，添加相应的约束副和驱动，并添加中间支承与传动轴间连接的弹性元件，建立传动轴总成动力学模型；

S6、对建立的传动轴总成动力学模型进行验证；

S7、以传动轴中间支承支承座的振动加速度均方根RMS的最小值为优化目标表征传动轴的振动特性，真实反应中间支承的隔振效果，以传动轴中间支承刚度为设计变量进行仿真，得到传动轴中间支承的动态特性结果，并选取出传动轴中间支承的最优刚度值。

进一步地，步骤S1中，根据图纸要求建立传动轴总成三维模型，设置好刚体部件的材料参数，并提取传动轴总成各个刚体部件相应的质量、惯性参数和质心位置。

进一步地，采用三维建模软件UG建立传动轴总成三维模型。

进一步地，步骤S2中，将传动轴总成三维模型导入到有限元前处理软件中，对导入的传动轴总成三维模型进行几何清理后，根据传动轴各部件的结构尺寸划分不同单元大小的网格，并检查网格单元质量，添加相对应的材料参数，最后将网格模型导入到有限元分析软件中，建立传动轴有限元模态分析模型，计算传动轴临界转速。

进一步地，采用的有限元前处理软件为HYPERMESH。

进一步地，采用的有限元分析软件为ABAQUS。

进一步地，步骤S3中，计算传动轴中间支承与传动轴旋转时的共振区域，传动轴中间支承刚度公式具体如下：

式中，K表示传动轴中间支承刚度；ω是临界转速圆频率；频率比λ＝ω/ω_n，ω_n是传动轴中间支承的固有频率，λ的取值范围为2-2.5；m是传动轴中间支承的承载，是传动轴质量的一半；将数据代入公式中进行计算，即可获取传动轴中间支承的优化区间。

进一步地，步骤S4中，将传动轴总成三维模型导入到动力学仿真软件ADAMS前，剔除数模中小零件，只留下主要部件；主要部件包括前后传动轴管、花键轴、三个主动叉、三个被动叉、三个中间十字轴；按部件分别保存为Parasolid的.x_t文件，然后再依次导入到动力学仿真软件ADAMS中，最后检查传动轴总成三维模型的完整性。

进一步地，步骤S5中，根据传动轴总成各个部件之间的实际连接情况，在动力学仿真软件ADAMS中设置对应的约束关系，添加相应的约束副和驱动，添加传动轴中间支承与传动轴间连接的弹性元件：用Bushing单元代替传动轴中间支承内橡胶衬套，支承座安装孔位置的橡胶垫由弹簧代替。

进一步地，步骤S6具体如下：

S6.1、利用动力学仿真软件ADAMS自带的检测功能对传动轴总成动力学模型设置的约束及自由度进行检测，检查传动轴总成动力学模型的约束及自由度的详细信息，是否出现过度约束，如果没有过度约束，检测结果会显示‘无过度约束’，执行步骤S6.2；否则返回步骤S5重新设置传动轴总成动力学模型的约束，直到检测结果显示‘无过度约束’为止；

S6.2、给传动轴总成动力学模型中的驱动添加一个驱动转速，对比传动轴前端输入万向节叉和后端输出万向节叉的转速；

S6.3、若是在验证过程中无过度约束，并且输入和输出万向节叉的转速波动在±5％之内，则说明建立的传动轴总成动力学模型正确，能满足传动轴动力学的仿真要求；否则，说明建立的传动轴总成动力学模型不够准确，不能满足仿真要求，需要返回步骤S5重新建立模型。

本发明与传统设计方法相比，具有以下优点：

(1)本发明结合了振动理论分析和Adams动力学仿真分析，解决了直接使用理论分析无法考虑实际使用过程中传动轴随转速变化引起振动的问题，根据仿真结果使理论计算结果更加准确，并实现了仿真过程中的可视化调节；

(2)本发明以传动轴中间支承支承座的振动加速度均方根RMS的最小值为优化目标，在仿真过程中可以真实的反应出中间支承的隔振效果

(3)通过本发明的方法，可以针对不同车型的传动轴总成进行建模，通过对模型进行仿真分析可以指导传动轴中间支承刚度匹配方案的设计。

附图说明

图1是本发明实施例中一种汽车传动轴中间支承刚度的优化方法的流程图；

图2是本发明实施例中传动轴中间支承结构示意图；

图3是本发明实施例中优化迭代计算结果示意图；

图4是本发明实施例中中间支承支承座的振动加速度均方根RMS曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例：

一种汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、建立传动轴总成三维模型及获取传动轴的特性参数；

根据图纸要求在三维建模软件UG中建立传动轴总成三维模型，设置好刚体部件的材料参数，并提取传动轴总成各个刚体部件相应的质量、惯性参数和质心位置。

S2、对建立的传动轴总成三维模型进行有限元仿真，建立传动轴模态分析模型，计算传动轴临界转速；

将传动轴总成三维模型导入到有限元前处理软件HYPERMESH中，对导入的传动轴总成三维模型进行几何清理后，根据传动轴各部件的结构尺寸划分不同单元大小的网格，并检查网格单元质量，添加相对应的材料参数，最后将网格模型导入到有限元分析软件ABAQUS中，建立传动轴有限元模态分析模型，计算传动轴临界转速。

在一个实施例中，传动轴轴管的网格单元大小设置为3mm，采用六边体实体单元划分网格；万向节叉的网格单元大小则为2.5mm，划分为四面体单元。本实施例中，软件ABAQUS设置的材料参数分别是：弹性模量206Gpa、泊松比0.3、密度7850kg/m³，不添加任何约束，即无边界条件，进行传动轴有限元自由模态分析，得到传动轴的非刚体一阶模态频率为32.766HZ，对应的传动轴临界转速为1966r/min。

S3、根据振动力学的隔振理论，获取传动轴中间支承的优化区间；

计算传动轴中间支承与传动轴旋转时的共振区域，传动轴中间支承刚度公式具体如下：

式中，K表示传动轴中间支承刚度；ω是临界转速圆频率；频率比λ＝ω/ω_n，ω_n是传动轴中间支承的固有频率，在工程应用中λ的取值范围为2-2.5；m是传动轴中间支承的承载，是传动轴质量的一半6.27kg；中间支承结构如图2所示。

将数据代入公式中进行计算，即可获取传动轴中间支承的优化区间(86-200)N/mm，取中间支承刚度的动静比为1.4，则在ADAMS中的中间支承刚度优化区间为(120-300)N/mm。

S4、保留传动轴总成三维模型中的主要部件，导入到动力学仿真软件ADAMS中，并检查传动轴总成三维模型的完整性；

将传动轴总成三维模型导入到动力学仿真软件ADAMS前，剔除数模中小零件，只留下主要部件；主要部件包括前后传动轴管、花键轴、三个主动叉、三个被动叉、三个中间十字轴；按部件分别保存为Parasolid的.x_t文件，然后再依次导入到动力学仿真软件ADAMS中，最后检查传动轴总成三维模型的完整性。

S5、在动力学仿真软件ADAMS中，根据传动轴总成各个部件之间的实际连接情况，设置对应的约束关系，添加相应的约束副和驱动，并添加中间支承与传动轴间连接的弹性元件，建立传动轴总成动力学模型；

如图2所示，根据传动轴总成各个部件之间的实际连接情况，在动力学仿真软件ADAMS中设置对应的约束关系，添加相应的约束副和驱动，添加传动轴中间支承与传动轴间连接的弹性元件：用Bushing单元代替传动轴中间支承内橡胶衬套2，中间支承支承座3安装孔位置的橡胶垫1由弹簧单元代替，保证传动轴总成动力学模型建立的准确性。

S6、对建立的传动轴总成动力学模型进行验证，具体如下：

S6.1、利用动力学仿真软件ADAMS自带的检测功能对传动轴总成动力学模型设置的约束及自由度进行检测，检查传动轴总成动力学模型的约束及自由度的详细信息，是否出现过度约束，如果没有过度约束，检测结果会显示‘无过度约束’，执行步骤S6.2；否则返回步骤S5重新设置传动轴总成动力学模型的约束，直到检测结果显示‘无过度约束’为止；

S6.2、在一个实施例中，给传动轴总成动力学模型中的驱动添加一个驱动转速3600deg/s(600r/min)，对比传动轴前端输入万向节叉和后端输出万向节叉的转速；

S6.3、若是在验证过程中无过度约束，并且输入和输出万向节叉的转速波动在±5％之内，则说明建立的传动轴总成动力学模型正确，能满足传动轴动力学的仿真要求。反之，说明建立的传动轴总成动力学模型不够准确，不能满足仿真要求，需要返回步骤S5重新建立模型；

S7、以传动轴中间支承支承座的振动加速度均方根RMS的最小值为优化目标表征传动轴的振动特性，真实反应中间支承的隔振效果，以传动轴中间支承刚度为设计变量进行仿真，得到传动轴中间支承的动态特性结果，并选取出传动轴中间支承的最优刚度值。

仿真迭代结果如图3所示，可以看出，传动轴中间支承的最优刚度为260N/mm。

在一个实施例中，优化结果验证如下：

在优化仿真迭代得到中间支承的最优刚度值附近取值(250N/mm、260N/mm、270N/mm、280N/mm)，以传动轴的临界转速(11796deg/s(1966r/min))为驱动，对比不同刚度值下的中间支承支承座的振动加速度曲线，如图4所示：中间支承刚度为260N/mm时，中间支承支承座的振动加速度均方根RMS曲线的最大振幅最小，波动范围也最小，从而验证了ADAMS传动轴动力学模型的优化结果。

Claims (10)

1.一种汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立传动轴总成三维模型及获取传动轴的特性参数；

S2、对建立的传动轴总成三维模型进行有限元仿真，建立传动轴模态分析模型，计算传动轴临界转速；

S3、根据振动力学的隔振理论，获取传动轴中间支承的优化区间；

S4、保留传动轴总成三维模型中的主要部件，导入到动力学仿真软件ADAMS中，并检查传动轴总成三维模型的完整性；主要部件包括前后传动轴管、花键轴、三个主动叉、三个被动叉、三个中间十字轴；

S5、在动力学仿真软件ADAMS中，根据传动轴总成各个部件之间的实际连接情况，设置对应的约束关系，添加相应的约束副和驱动，并添加中间支承与传动轴间连接的弹性元件，建立传动轴总成动力学模型；

S6、对建立的传动轴总成动力学模型进行验证；

S7、以传动轴中间支承支承座的振动加速度均方根RMS的最小值为优化目标表征传动轴的振动特性，真实反应中间支承的隔振效果，以传动轴中间支承刚度为设计变量进行仿真，得到传动轴中间支承的动态特性结果，并选取出传动轴中间支承的最优刚度值。

2.根据权利要求1所述的汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，其特征在于：步骤S1中，根据图纸要求建立传动轴总成三维模型，设置好刚体部件的材料参数，并提取传动轴总成各个刚体部件相应的质量、惯性参数和质心位置。

3.根据权利要求2所述的汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，其特征在于：采用三维建模软件UG建立传动轴总成三维模型。

4.根据权利要求2所述的汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，其特征在于：步骤S2中，将传动轴总成三维模型导入到有限元前处理软件中，对导入的传动轴总成三维模型进行几何清理后，根据传动轴各部件的结构尺寸划分不同单元大小的网格，并检查网格单元质量，添加相对应的材料参数，最后将网格模型导入到有限元分析软件中，建立传动轴有限元模态分析模型，计算传动轴临界转速。

5.根据权利要求4所述的汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，其特征在于：采用的有限元前处理软件为HYPERMESH。

6.根据权利要求4所述的汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，其特征在于：采用的有限元分析软件为ABAQUS。

7.根据权利要求4所述的汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，其特征在于：步骤S3中，计算传动轴中间支承与传动轴旋转时的共振区域，传动轴中间支承刚度公式具体如下：

式中，K表示传动轴中间支承刚度；ω是临界转速圆频率；频率比λ＝ω/ω_n，ω_n是传动轴中间支承的固有频率，λ的取值范围为2-2.5；m是传动轴中间支承的承载，是传动轴质量的一半；将数据代入公式中进行计算，即可获取传动轴中间支承的优化区间。

8.根据权利要求7所述的汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，其特征在于：步骤S4中，将传动轴总成三维模型导入到动力学仿真软件ADAMS前，剔除数模中小零件，只留下主要部件；按部件分别保存为Parasolid的.x_t文件，然后再依次导入到动力学仿真软件ADAMS中，最后检查传动轴总成三维模型的完整性。

9.根据权利要求8所述的汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，其特征在于：步骤S5中，根据传动轴总成各个部件之间的实际连接情况，在动力学仿真软件ADAMS中设置对应的约束关系，添加相应的约束副和驱动，添加传动轴中间支承与传动轴间连接的弹性元件：用Bushing单元代替传动轴中间支承内橡胶衬套，支承座安装孔位置的橡胶垫由弹簧代替。

10.根据权利要求1～9任一项所述的汽车传动轴中间支承刚度的优化方法，其特征在于：步骤S6具体如下：

S6.1、利用动力学仿真软件ADAMS自带的检测功能对传动轴总成动力学模型设置的约束及自由度进行检测，检查传动轴总成动力学模型的约束及自由度的详细信息，是否出现过度约束，如果没有过度约束，检测结果会显示‘无过度约束’，执行步骤S6.2；否则返回步骤S5重新设置传动轴总成动力学模型的约束，直到检测结果显示‘无过度约束’为止；

S6.2、给传动轴总成动力学模型中的驱动添加一个驱动转速，对比传动轴前端输入万向节叉和后端输出万向节叉的转速；

S6.3、若是在验证过程中无过度约束，并且输入和输出万向节叉的转速波动在±5％之内，则说明建立的传动轴总成动力学模型正确，能满足传动轴动力学的仿真要求；否则，说明建立的传动轴总成动力学模型不够准确，不能满足仿真要求，需要返回步骤S5重新建立模型。

Images