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《吉林大学》 2004年
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等速驱动轴运动学和动力学仿真及试验分析

刘峰  
【摘要】:现代经济型轿车大都采用前轮驱动的布置型式,等速万向节是其中的关键部件之一。目前,汽车传动系统中使用最多的是球笼式和三枢轴式等速万向节连接在一起组成的等速驱动装置。由于等速万向节结构复杂、加工制造精度高、难度大,目前我国主要是引进国外专用设备生产,投资费用很大。为此,国家将等速万向节列为重点扶持的汽车关键零部件项目之一。 为了加快等速万向节国产化的步伐,改进其设计方法就显得尤为重要。由于传统的设计方法开发周期太长,不利于市场竞争,而逐渐被现代设计方法所替代。CAD/CAE技术作为现代汽车设计方法的重要组成部分,不依赖于实物及样车试验,可以从设计初期就开始对设计进行分析、评价和优化,而且随着计算机技术的发展,其计算精度越来越高,因而得到了越来越广泛的认可。特别是应用多体系统动力学理论和计算机算法的有机结合而产生的ADAMS软件,能够自动生成运动学和动力学方程,并利用软件内部的数学求解器准确地求解,不需要人工建立和求解方程,编写程序,因而能够节省大量时间,提高工作效率。现在我们已经可以通过在计算机上的虚拟试验来进行各种汽车整车及其零部件的研究和开发。 本文采用多体系统动力学的理论方法,在分析球笼式和三枢轴式等速万向节工作原理及各种接触碰撞模型的基础上,运用大型通用动力学分析软件ADAMS建立了马自达(MPV)CA6430M发动机前置前驱动轿车L/R8710型等速驱动轴含间隙机构运动副的动力学分析模型,通过对所建等速万向节驱动轴模型进行运动学和动力学的仿真,排除了模型的运动干涉现象的发生,同时可以动态观察等速万向节传动轴的等速传动的运动情况,清楚地看到传动钢球的运动轨迹;通过对仿真曲线的研究,可以得到等速万向节驱动轴输入轴和输出轴的转速差和扭矩差的变化情况,进而了解驱动轴的传递转速和扭矩的工作性能。在ADAMS/Solver中,进一步对仿真曲线进行数学处理,可 WP=78 以得到等速万向节驱动轴输入轴和输出轴的转角差曲线,通过所作曲线评价其等速性和动力学特性。对于等速驱动轴动力学仿真模型所需的结构和质量参数,本文使用三维实体建模软件PRO/E建立了等速万向节驱动轴的实体模型,计算出所建模型的质量和结构尺寸等技术参数,这样使模型更加精确。另外本文通过ADAMS和PRO/E的无缝接口Pro/Mechanism,将等速驱动轴三维实体模型直接导入ADAMS/View中,以三维实体为依据,形成运动构件,合理定义运动副和运动条件,并施加正确的约束,这样所建立的模型精度更高,更接近于实体;并且节省了在ADAMS中建模所需花费的时间,减少了产品的研发周期。 为了验证等速驱动轴计算机虚拟仿真的正确性,本文在汽车电控动力传动系T型实验台上对国产和进口等速驱动轴进行了台架试验,主要检测等速驱动轴以下几个方面的内容: 检测其不同工作夹角时的等速性 测量其不同工作夹角时的传动效率 测试被试等速传动轴的临界转速 通过试验测出在某些设定工况下的等速驱动轴输入轴和输出轴的角速度和扭矩,通过数学处理得到其传动的等速性和传动效率以及扭矩差等特性。通过台架试验主要得到以下结论: 在试验转速、转矩和输入与输出轴间的夹角变化时,两轴间转速差变化不大,最大转速差不超过6rpm,说明这两种驱动轴具有良好的等速性。随着两轴间夹角和输入转矩的增加,转速的波动范围变大,并且国产驱动轴的转速差比进口驱动轴大; 随着等速驱动轴输入与输出轴间夹角的增大,其扭矩差逐渐增大。国产等速驱动轴在相同的夹角下的扭矩差变化较大。在输入条件相同时,国产驱动轴比进口驱动轴的扭矩差要大; 根据该等速驱动轴的参数,计算出该等速驱动轴的最高转速在 WP=79 1500rpm以内,在台架试验中,转速在1500rpm以内没有出现共振现象,说明在1500rpm以下等速驱动轴不会达到其临界转速; 实验过程中,国产等速驱动轴的橡胶护套以及传动轴产生的热量很大,当工作夹角增大,运转速度升高时,这种情况更加严重,说明国产等速驱动轴在工作中摩擦损失大于进口驱动轴。这不利于汽车长时间行驶,同时对于驱动轴的使用寿命也有很大影响。 一方面,比较国产和进口等速驱动轴传动性能差异,并分析产生这些差异的因素;另一方面,将台架试验结果与动力学仿真分析结果进行对照,论证所建模型的正确性和等速万向节驱动轴虚拟试验仿真的可行性,为等速万向节驱动轴的进一步研究和开发开拓新的思路和方法,提高我国等速万向节的设计生产水平,实现其真正国产化。 本文研究表明,应用PRO/ENGINEER和ADAMS结合的CAD/CAE分析系统能够对等速万向节驱动轴进行有效的虚拟试验研究,具有一定的可行性和实用价值,其应用必将大大提高等速驱动轴的的开发水平。但是,应用这种方法设计汽车零部件并进行性能研究分析,目前还处在探索阶段,研究时间还不长,其相关的理论和实践在我国发展还不够成熟。又由于时间和其它客观条件的限制,所以本论文仅是一个探索和尝试,其中某些环节还有一定的欠缺,需要进一步的充实和完善。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:U463

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