汽车传动轴弯曲振动分析

摘要： 商用车传动轴是商用车传动系统中的重要部件，因其振动频率低、刚度小，加上万向节附加力矩，使得传动轴的弯曲振动问题成为影响商用车振动和噪声的重要方面。本文对某商用车传动轴的弯曲振动问题进行了动力学仿真分析，对传动系统的隔振性能进行了分析，总结出中间支撑的刚度对整个转动系的隔振性能的影响规律，对于今后设计具有一定借鉴作用。

Abstract: Multi-Purpose Vehicles'transmission shaft is the important part of Multi-Purpose Vehicles' transmission system． Because of the low liberation frequency, small rigid degree and append bending moment of gimbals． The bending vibration of transmission shaft becomes one of the most important facets which affect the vibration and noises of Multi-Purpose Vehicles. Research is done to the bending vibration of commercial vehicle. The dynamics simulation of both multi-rigid body and multi-flexible body is done, and the rule of the effect of middle brace's rigid degree, dump to transmission system's swing and frequency are summarized，which help to the future design.

关键词： 传动轴；动力学模型；多柔体动力学模型；结构优化

Key words: transmission shaft；dynamic model；multi-flexible body model；construct optimization

中图分类号：U46文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）17-0024-02

0引言

车辆传动系统的振动、噪音问题一直是车辆研发过程中最关心的问题之一，长期以来车辆传动系统的研制一直采用古典动力学法，利用替换质量，传动比和传动效率等概念来对机构进行动力学分析配合大量反复的实验，测量来完成。这是一种简单，直观的分析方法，但是，随着市场经济的深入，中国加入WTO，汽车行业竞争日趋激烈，对汽车乘坐舒适性等提出了更高的要求。这样缩短汽车的研制开发周期，降低成本，提高效率显得尤为重要。因此改变传统的设计模式，将虚拟样机技术引入汽车传动系统设计及研制领域是很必要的[1,2]。动力传动系弯曲振动在很大的频段内对车辆振动和噪声有重要影响，动力传动系低频段内的刚体振动直接影响车辆的乘坐舒适性，而较高频段内的弹性振动将会引起车辆的结构共振和声学共振。

1传动轴模态分析概述

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。这里对单个传动轴轴管进行模态分析。其中考虑了两端万向节叉的质量以及转动惯量对固有频率的影响。用控制变量法分析总结了传动轴长度以及轴管厚度对固有频率的影响规律[3-5]。

1.1 传动轴模态分析三维模型的建立考虑到建模效率问题，本文在UG软件中建立传动轴模态分析的三维模型，然后导入到ANSYS软件中。建立模型时，应该注意以下几个方面的问题：

①用曲面来建立轴管的模型。②轴管两端用圆平面封闭，然后切割成两个半圆平面，便于后续有限元模型单元的加载。建立后的单根传动轴轴管三维模型。

1.2 传动轴模态分析有限元模型的建立在ANSYS软件中建立传动轴有限元分析模型，其要点如下：①主要考虑轴管变形，只对轴管进行离散；②需考虑轴管两侧万向节叉的惯性对固有频率的影响；③传动轴轴管采用壳单元离散；④轴管两侧平面采用壳单元，并设材料密度接近为零。⑤轴管两侧中心处采用质量单元，模拟两侧万向节叉的质量和转动惯量。

利用UG软件建立传动轴轴管三维模型，然后导入到ANSYS软件中建立有限元模型，计算分析了各种尺寸传动轴轴管的固有频率。为相关人员进行传动轴轴管设计和选型提供理论依据。分析总结出以下几点：①传动轴轴管的固有频率随着厚度的增加而增加，固有频率与厚度的关系基本上符合二次曲线关系，同时用最小二乘法给出拟合函数，通过比较，可以达到很高的拟合度。②传动轴的固有频率随着长度的增加而减小，固有频率与长度的关系基本上符合线性关系，同时，用最小二乘法计算出拟合函数，通过比较，发现拟合度较高。③在建立有限元模型时，应当注意几个问题：①与两端万向节叉相连的十字轴对于传动轴轴管固有频率的影响比较大，在分析中，应当考虑进去。②两端面的单元厚度取值大于25mm时，计算出来的传动轴轴管的固有频率趋于稳定。所以端面单元厚度取值应为25mm以上。

2传动轴虚拟样机模型关键技术分析

要对传动轴进行动力学仿真，首要的工作便是建立虚拟样机模型，施加各种运动副和载荷，建立一个与实际系统相符合的虚拟样机模型，然后就可以对虚拟样机模型进行仿真分析 [6-8] 。本文是在ADAMS中构建的仿真模型，它是由机械零部件的几何模型以及它们之间的载荷，运动以及约束关系构成的。创建机械零部件的几何模型的目的，一是为了获取其转动惯量，质量和质心位置等物理信息；一是为了给刚体之间的接触碰撞判断提供几何属性；三是为了更加形象的再现零部件的运动过程，增强仿真的可视化效果。

由于ADAMS的建模能力相对专业建模软件来说比较弱，ADAMS与建模软件之间的协作成为当今仿真分析领域的一个主导模式。因此本文所采用的三维实体模型是通过CATIA实体设计软件建立，然后通过ADAMS接口模块，将模型导入ADAMS，建立仿真模型。本文用到的传动轴模型零件是用CATIA软件建模的，主要零件包括：三个十字轴，四个万向节叉、一个主传动轴（一轴）、一个中间传动轴（二轴）、中间支撑和花键若干。然后按照实际的传动轴位置，对传动轴进行装配。

经过以上步骤，传动系统的虚拟样机基本建立完毕。在开始仿真分析之前，还应该对样机模型进行必要的检验，排除建模过程中隐含的错误，以保证仿真分析的顺利进行。本节主要从以下两个方面对样机模型进行了初步验证，以确保所建立的虚拟样机与实际模型的一致性。①样机模型参数的检验：主要包括对样机各零部件的质量，质心，参数单位以及基本装配位置进行检验，并修正与实际模型不相符合的部分。②用ADAMS自检工具检验：ADAMS提供了一个强大的样机模型自检工具“Model Verify”，可以检查样机是否存在没有约束或过约束的构件以及检查样机的自由度等，利用该命令进行模型自检。

需要注意的几点为：①在CAD软件中建立三维模型，导入ADAMS软件中后，不但需要观察导入的模型是否完整，同时确保每个导入部件都是一个完整的体，因为在建模过程，或通过格式转化的过程中很可能会造成曲面等信息的丢失，导致导入的某个部件只是一个未封闭的曲面集合体，而未能形成一个完整的体，最终造成计算错误，对于传动轴可以通过部件导航器，查看部件信息来确定部件的完整性。同时需要检查每个部件的密度等信息是否跟实际情况一致。②在建立约束副时，尽量用少的约束来表达传动系统的运动情况，同时，尽量用较简单的副，如固定副等，少用接触副等。为后续的计算带来便利。③在建立好完整的仿真模型后，需要通过一个工况进行试运算，同时对照实验数据，检验模型的合理性。

3动轴中间支撑的改进和建议

3.1 等效质量计算中间支撑的刚度及阻尼等参数对整个传动轴的振动有重要的影响。为了讨论中间支撑隔振性能，把整个传动轴等效成一个单自由度振动系统。单自由度振动系统是指在振动的过程中任一瞬间的振动形态只需要一个独立坐标就可以完全描述的系统。

单自由度振动系统对振动分析有重要意义：①工程意义：许多实际工程问题可以简化为单自由度系统进行研究并具有满意的工程效果（精度符合工程要求+简单方便）；②理论意义：任何线性多自由度振动系统在特殊的坐标下（模态坐标）表现出与单自由度系统类似的性态。

对于传动系统是否可以等效成一个单自由度系统，主要考察其在不同刚度和对应固有频率时，计算出的等效质量是否一致，为此，下面利用上面仿真的结果数据，计算了在不同刚度，固有频率情况下的等效质量，表1是计算结果。

由表1可以看出，在不同的刚度和固有频率下，计算出的等效质量基本保持不变，把中间支撑对传动轴组成的系统看作一个单自由度系统是合理的。这里取计算量的平均值m=13.09358kg作为等效质量应用。

3.2 隔振的计算系统的隔振能力可以通过位移的传递率来衡量。位移的传递率是振幅的比值，反应了单自由度系统削弱激励振幅的能力。传递率在70％以下有隔振效果，不同场合下对隔振性能要求不同，很多情况下要求传递率达到30％以下。将传动轴系统等效成单自由度模型。

对该模型进行分析，有：

对中间支撑的隔振性能进行了分析，把传动轴系统等效成单自由度系统。计算出相应的隔振率，并与中间支撑振幅曲线比较，总结出：①传递率随着刚度的增加而增加。②本例中，中间支撑刚度小于180N/mm时，传递率小于70％，满足隔振要求。同时，比较中间支撑振幅曲线，可知，刚度在180N/mm左右时振幅较小。所以，综合传递率和振幅，建议中间支撑刚度适当小于180N/mm。

4结语

虚拟样机技术作为一门新兴技术，已越来越广泛地应用于各个领域，它改变了传统的设计模式，大大提高了设计效率和产品质量。本文以某款商务车的传动轴系统作为研究对象，进行了动力学仿真分析。对传动系统的隔振性能进行了分析，总结出中间支撑的刚度对整个转动系的隔振性能的影响规律。通过分析的结果，对传动系统中间支撑提出了改进方案，期望改善传动轴系统的振动问题，也为相关行业处理类似问题提供一定借鉴。

参考文献：

[1]严骏，王建新，周朝霞等.小波消噪和AR谱技术在汽车传动轴故障诊断中的应用[J].理工大学学报（自然科学版），2005，6（3）.

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[3]Ping Lee，Electrometric Engine Mount With Hydraulic Damping，US Patent，No．4915365.

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