雙十字軸萬向節汽車傳動軸硬點布置優化設計

楊明，何云峰，尹幫奇，舒中強

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545000；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537000）

雙十字軸萬向節汽車傳動軸硬點布置優化設計

楊明1，何云峰1，尹幫奇2，舒中強2

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545000；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537000）

為了提高雙十字軸萬向節汽車傳動軸布置的準確性和合理性，優化設計中考慮了懸架的運動特性，然后建立空載、設計、滿載狀態下的當量夾角數學模型，并確定優化目標，然后通過insight優化軟件中NLPQL算法對目標進行優化，然后通過實例計算分析。該方法可一次性獲得傳動軸三種狀態的理想布置，提高了傳動軸布置效率，為傳動軸的布置提供理論指導作用。

傳動軸；懸架；運動特性；當量夾角；Insight 優化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.032

CLC NO.: U463.216 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-95-03

前言

萬向傳動軸是汽車傳動系統中一個重用的部件[1]。由于懸架的變形，傳動軸的位置將隨輪跳的變化而變化，若布置不合理直接對整車傳動效率和NVH（噪聲、振動與舒適性）產生影響，傳動軸的布置越來越受到主機廠的重視，以往文獻涉及傳動軸硬點優化方法大多只針對空載下的當量夾角進行優化，可能造成傳動軸在其它工況下不是很合理，也有文獻忽略了懸架的變形的影響，利用經驗算法估算板簧運動中心[2～3]，這些都對傳動軸數學優化模型造成影響。本文針對以上問題，利用adams建立懸架的動力性模型，通過平行輪跳獲得輪心軌跡，然后建立空設滿載狀態下的當量夾角數學模型，確定優化目標，然后通過insight軟件中NLPQL算法對目標進行優化。

1、雙十字軸萬向節汽車傳動軸優化設計

1.1 兩萬向節傳動軸的當量夾角的計算

考慮計算的方便性，將雙十字軸萬向節汽車傳動軸布置如圖1，將中間軸前點作為坐標系的原點，傳動軸最終的位置由3個點坐標和中間軸后萬向節叉平面，硬點O和硬點A為中間軸節叉中心點，其初始位置分別由變速器輸出軸的角度和后橋偏移距及仰角來決定，其中硬點A的坐標是優化的主要內容。

圖1 兩萬向節傳動示意圖

兩萬向節節傳動軸的當量夾角公式[4]如下：

式中：θ1、θ2輸入軸、輸出軸與中間軸的夾角，τ為中間傳動軸、輸出軸與主動軸之軸線所在平面沿旋轉方向導前于輸入軸與中間傳動軸軸線所在平面的角度，ψ中間軸節叉平面相位角。

1.2 優化方法

為了使布置的硬點同時滿足傳動軸在空設滿載三種工況下的當量夾角，利用各硬點初始的位置坐標和平面解析幾何的方法，求輸入軸、輸出軸分別與中間軸的夾角和導前角，下面具體介紹空載和后橋跳動h后傳動軸各硬點的求解方法，傳動軸A點到后橋中心C點的長度為lA，主減偏移距為e。

①空載傳動軸各硬點的位置確定

設O A0的長度為l0，中間軸與X軸的夾角為α0

對于A0點，由幾何關系可以得到

對于B0點，A0B0之間的距離為，中間軸與輸出軸的夾角為θ2，由式2關系可以得出B0點坐標。

②后橋運動到h時傳動軸各硬點的位置

對于B1點，當后橋從空載位置運動到h時，即C0運動到C1，由于點A0、B0、C0屬于同一剛體，所以B1的位置相對B0位置高度方向上升了h，點B1到點C1的距離不變，由式3關系可以得出B1點坐標。

對于A1點，點A1到點B1的距離不變，A1的位置相對A0位置高度方向上升了h，由式4關系可以得出A1點坐標。

2、優化模型的建立

2.1 設計變量

在雙十字軸萬向節的傳動軸布置中，一般硬點O和硬點B0是由總布置給定，通常選擇計算硬點A0的坐標的相關參數和中間軸節叉的相位角為設計變量，相位角通常取0°或90°，因而可以當做常量處理，本文選擇OA0的長度l0，A0C0的長度lA，主減偏移距為e，中間軸與X軸的夾角為α0，中間軸與輸出軸的夾角為θ2作為設計變量。

2.2 優化目標

采用當量夾角的平均值最小為優化目標，構造目標函數：

式中的θe1θe2θe3分別代表空載設計滿載工況下的當量夾角

2.3 約束條件

傳動軸總成在工作過程中，三軸的角加速度都不應太大，中間軸和輸入軸角加速度過大會產生過大的慣性扭矩，在傳動軸連接部件產生振動和噪音，各軸最大角加速度應小于一個界限值A1max，一般取A1max=1000rad/s，θ1中間軸相對于輸入軸的夾角。對于輸出軸，輸出軸最大角加速度應小于界限值Acmax，對于貨車取Acmax=650rad/s。

同時為了避免傳動軸共振[5]，傳動軸應有一個臨界轉速式中L為兩十字軸中心的長度，D，d為中間軸的外徑和內徑，一般要求傳動軸的最高轉速約束空載設計滿載工況下的當量夾角θe1θe2θe3分別小于3。

2.4 優化方法

文章以isight為優化工具，集成excel，在isight中關聯excel中的設計變量，給定變量的初始值和約束范圍，根據優化的問題選擇合適的優化算法。

3、優化計算實例

3.1 輪心的運動軌跡

利用adams/car建立后懸架的動力學模型，然后對懸架進行平行輪跳仿真分析，獲得輪心的運動軌跡，輪心的水平位移量隨輪跳的關系如圖2所示。

圖2

3.2 傳動軸的優化結果

該車發動機的最高轉速為5600r/min，變速器最高檔速比為0.778，傳動軸最高轉速n=7197.9r/min，軸管外徑Φ50，內徑Φ46，傳動軸初始布置下各硬點的坐標，A(577.33,0,-55.59), B(865.785,0, -62.134),C(971.996, 0, -76.73)。

該傳動軸的空載，設計、滿載下的當量夾角分別為3.55 °、1.59°、3.678°，一般設計時，應使空載和滿載兩種工況下的當量夾角不大于3°，所以傳動軸的布置位置需要優化。

在isight環境中集成excel應用組件，以AB長度、AE長度、主減偏移距e、AB與X軸、BC的夾角為設計變量，給定設計變量的初始值和約束范圍，以空設計滿載當量夾角作為約束函數，采用NLPQL算法對空設計滿載當量夾角三者的和平均值進行優化計算，優化后的結果如表1。

表1 傳動軸優化前后相關參數

4、結論

提出了利用adams建立懸架的動力性模型，準確獲得輪心的運動軌跡，然后通過空間幾何關系建立空載、設計、滿載狀態下的當量夾角數學模型，然后通過isight軟件一次性優化出傳動軸在空載、設計、滿載狀態下較理想的當量夾角，快捷準確的找到較理想的硬點位置，通過該技術方案可以實現一次性獲得傳動軸三種狀態的理想布置，提高了傳動軸布置的效率。

[1] 陳靜等,重型汽車傳動軸模態分析與中間支撐剛度設計研究[J].汽車技術,2014,（1）:7-10.

[2] 王智華,汽車傳動軸跳動圖解析計算法[J].汽車技術,1994,（9）:7-10.

[3] 王望予,汽車設計[M].北京:機械工業出版社,2003:50-52

[4] 馮振東,空間多萬向節傳動布置的優化設計[J].汽車工程,1992,14（8）:138-143.

[5] 毛務本,汽車空間多萬向節傳動的動態優化設計[J].江蘇理工大學學報,1997,18（2）:22-27.

Double universal joint cross shaft automobile transmission shaft hard point layout optimization design

Yangming1, Heyunfeng1, Yinbangqi2, Shuzhongqiang2
(1.SAIC-GM-Wuling Automobile TDC, Guangxi Liuzhou 545000; 2.Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd; Guangxi Yulin 537000)

In order to improve the Double universal joint cross shaft automobile transmission shaft layout accuracy and rationality, considering the motion characteristic of the suspension in optimization design, establish an equivalent angle mathematical model of the curb design full load, determine the optimization goal, and use NLPQL algorithm to optimize the target, and use for example calculation, this method can get ideal layout of three states at a time, improve the efficiency of the drive shaft arrangement, provide theoretical guidance for the layout of the transmission shaft.

Transmission shaft; Suspension; Kinetic characteristic; Equivalent Angle; Insight optimization

U463.216

A

1671-7988 (2016)12-95-03

楊明，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心。