第３期 机电技术 ８５ 多轴驱动车辆整车动力传动系统多体动力学建模研究 王福鹏李而康刘启佳 （中国北方车辆研究所，北京１０００７２） 摘要：针对某多轴全轮驱动重型特种车辆，利用ＡＤＡＭＳ开发了基于变速箱、分动器、差速器的８ｘ８整车动力传动系 多体动力学模型，并引人实际边界条件；在整车模型中，对其进行不同典型工况下的仿真分析，验证了模型的有效性。结 果表明：开发的动力传动系模型可以作为整车动力传动系统多体动力学研究的基础；同时可更改模型子系统实现不同零 部件匹配，进而指导之后的总体设计零部件选配工作。 关键词：多轴全轮驱动；多体动力学；ＡＤＡＭＳ；动力传动系统模型 中图分类号：ＴＨ２４３ ＴＨ１１３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—４８０１（２０１７）０３—０８５—０５ ＤＯＩ：ＩＯ．１９５０８／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７２—４８０１．２０１７．０３．０２６ 重型特种车辆为了具备合理的载荷分布和良 好的越野性能，一般采用多轴全轮驱动布局。在 多轴驱动车辆中动力传动系统直接决定了车辆机 动性和越野性等，因此动力传动系统模型是多轴 驱动整车辆建模中的最为关键子系统，而变速箱、 分动器、差速器则是传动系统建模中关键组件。 ＡＤＡＭＳ可运用自带零件库、约束库、力库，建立三 维参数化模型，并将系统中每个质心的３个欧拉 图１某８￣８整车转动链简图 角和３个直角坐标作为笛卡尔广义坐标，用带乘 子的拉格朗日第一类方程处理具有多余坐标的完 为保证简化后等效系统的扭振情况和实际的 一整约束系统或非完整约束系统 ，导出变量为笛卡 致性，使得简化后的模型能较好的反映实际系 尔坐标的动力学方程；并且运用了稀疏矩阵技术 统的扭振特性，在进行简化时需要遵循一些原 以及吉尔（Ｇｅａｒ）的刚性积分算法，使效率得到极 则『２Ｊ： １）各构件的转动惯量简化为刚性圆盘，用弹 大的提高。 性轴连接； 针对传动系统模型中的分动器、差速器等关 ２）对于变速箱，当变速箱挡位变化时，实际工 键组件，在整车模型中对其进行不同典型工况下 况中各轴参数也同时发生变化，模型中的参数也 仿真分析，验证整车动力传动系统模型的准确性 应随之变化，应分别对之进行分析； 和有效性。 ３）转动惯量大、扭转弹性小且集中的构件，简 １ 整车动力传动系统模型的建立 化为刚体惯性块； 为了建立较为真实的整车模型，根据整车传 ４）扭转弹性大、转动惯量小且分散的构件，简 动链简图（见图１），将动力传动系统分为变速箱、 化为无惯性的弹簧； 分动器、车桥、差速器、轮胎等不同子单元，并建立 ５）非等半径复杂轴，根据相应原则先求解各 各子单元模型。通过测算已有ＣＡＤ图纸和Ｐｒｏ／Ｅ 段扭转刚度，再计算轴等效扭转刚度。 组件确定各零部件尺寸和关键坐标点空间坐标位 １．１变速箱模块 置，在对应位置建立硬点（Ｐｏｉｎｔ点）作为各结构节 变速箱通过变换挡位来改变变速箱输入、输 点，其中包括传动系统、悬架系统、转向系统、车身 出转速和扭矩的变化范围，从而满足复杂的行驶 系统等。 条件。传动比变化时，变速箱内动力传递路线随 作者简介：王福鹏（１９９１一），男，在读研究生，研究方向：汽车动力学仿真与控制。 ８６ 机电技术 ２０１７年６月 之变化，模型的等效质量、转动惯量也同时变化， 因此需要对变速箱的不同挡位进行分析，在变速 箱模型中建立对应不同挡位的耦合副，分析某挡 位时即激活对应耦合副。 １．１．１转动惯量和质量的计算 运用ＣＡＴＩＡ对齿轮、轴等变速箱零部件建模， 可得到各零部件的质量及转动惯量参数，分析６ 个挡位时不同的动力传递路线，将齿轮、同步器、 锥体等简化到各轴上，计算出变速箱简化后６个 挡位下输入轴、中间轴、输出轴的等效质量和转动 惯量。表ｌ为不同挡位时的传动比。 表１变速箱各挡位传动比 挡位 传动比 挡位 传动比 Ｉ ７．７２ Ⅳ １．７９ Ⅱ４．４２ Ｖ １．２８ ＩｌＩ ２．６６ Ⅵ １．００ 各挡位动力传递路线如下： １挡：输入轴一中间轴一１挡被动齿轮一一二 挡同步器总成一输出轴； ２挡：输人轴一中间轴＿２挡被动齿轮一一二 挡同步器总成一输出轴； ３挡：输入轴一３挡主动齿轮一中间轴一３挡 被动齿轮一三、四挡同步器总成一三、四挡同步器 锥体一输出轴； ４挡：输入轴一４挡主动齿轮一中间轴－＿４挡 被动齿轮一三、四挡同步器总成一三、四挡同步器 锥体一输出轴； ５挡：输人轴一５挡主动齿轮一中间轴一５挡 被动齿轮一五六挡同步器总成一输出轴； ６挡：输入轴一输出轴。 １．１．２扭转刚度的计算 在变速箱主要零部件中齿轮刚度较大，一般 视为刚体，故只考虑轴的刚度。而变速箱内各轴 均为变半径轴，根据材料力学 １可知，在长为 的 等直轴两端施加扭矩 ，则轴段扭转角位移△ ： ＝ Ｍ＝Ｍｅ （１） 式中： 扭矩，Ｎ・ｍ； ｅ——柔度，ｒａｄ／Ｎ・ｍ； ￡ 长度，ｍ； 轴扭转刚度，Ｎ・ｍ／ｒａｄ； Ｇ——材料剪切弹性模量，Ｎ／ｍ２。 对等半径轴可直接按式（１）计算，对非等半径 轴则按下式求解，计算出等效扭转刚度。 轴串联时，各轴扭转变形量之和为总变形量： △ ＝△ １＋△ ２＋△ ３＋…＋△ ：（、Ｋ击＋ Ｋ走＋２ Ｋ去＋３ Ｋ．一＋去）ｎ … Ｍ（ Ｋ 、‘２ ） 即等效扭转刚度为： 击＋忐＋上Ｋ３ 一十上Ｋ （３） １．２分动器模块 多轴驱动车辆一般安装有分动器，从而将扭 矩按分扭比传递到各驱动桥。该车分动器具有１ 个输人轴、２个输出轴，输入轴与变速箱的二轴相 连，输出轴分别与前后轴间差速器相连，通过设置 行星齿轮与分前、分后齿轮传动比实现分扭比，分 动器简图如图２所示。设分动器分前、分后轴所 分配的扭矩比为 ：１，则分配到分前、分后轴的扭 矩满足： ，ｒ， 南 南 ： ＝ｉ：１ （４） 式中：卜分动器输人扭矩，Ｎ・Ｉ１３； 分动器分前轴输出扭矩，Ｎ・ｍ； ——分动器分后轴输出扭矩，Ｎ・ｍ。 一 图２分动器简图 １．３差速器建模 １＿３．１差速原理 轮问差速器可使车辆在转向或复杂路况条件 行驶时，两侧驱动轮能以不同角速度滚动，来实现 左右驱动轮和地面间的纯滚动，产生足够的驱动 力，从而提高重型特种车辆的机动性。 第３期 王福鹏等：多轴驱动车辆整车动力传动系统多体动力学建模研究 ８７ 轴间差速器应用于多轴驱动车辆，可消除各 桥驱动桥的滑动现象，使各驱动桥具有不同的输 入角速度，图３为差速原理图。 ｝ｆ ｃ Ｂ （ａ）差速器结构简图 （ｂ）无差速３点圆周速度 （ｃ）有差速３Ａ圆周速度 图３差速原理图 １、２．驱动轴齿轮；３．差速器壳；４．行星齿轮； ５．行星齿轮轴；６．主减速器从动齿轮 设差速器壳体、左右半轴齿轮角速度分别 。、 、 ，，行星齿轮与左、右半轴齿轮的啮合点 及行星齿轮中心点分别为 、 、Ｃ，３点到差速器旋 转轴线距离均为尺。当行星齿轮只绕差速器旋转 轴线公转时 ，Ａ、Ｂ、ｃ ３点因处于同一半径因而圆 周速度均为∞ Ｒ（见图３ｂ）；左、右半轴齿轮角速 度均为差速器壳角速度。 当行星齿轮４在公转时还绕行星齿轮轴以角 速度 Ｒ 自转（见图３ｃ），啮合点 、 的圆周速度 分另０为 Ｒ、 ，Ｒ： 】Ｒ ０Ｒ＋ ４Ｒ４ ２Ｒ ｏＲ一 ４Ｒ４ 于是： （￡，ｌＲ＋ ２Ｒ （（ｔ）ｏＲ＋（ｃＪ４ ４）＋（ ｏＲ一∞４Ｒ４） 即 ∞１＋（ｃＪ２＝２ｏ９ｏ （５） 式（５）为两相等直径半轴齿轮的对称式锥齿 轮差速器运动特性方程式，它指出两半轴齿轮转 速和与行星齿轮转速并无关，恒为差速器壳体转 速的２倍。故车辆在转弯等行驶状态下，均可通 过行星齿轮的自转使两侧驱动轮在地面上以不同 转速滚动。 １．３．２扭矩关系 轴间差速器上通过主减速器传递来的扭矩 ，先后经差速器壳体、行星齿轮轴和行星齿轮传 递给两半轴齿轮［４１。行星齿轮可等效于一等臂杠 杆，左、右半轴齿轮半径相等，则扭矩 总是被平 均分配给两半轴齿轮，即 Ｍ１＝Ｍ２：Ｍ／２ （６） 轮间差速器同样满足式（６），但当左、右半轴 齿轮同向不同速转动时，设左半轴转速比右半轴 转速小，则行星齿轮将以行星齿轮轴为自转轴发 生自转。行星齿轮孔与行星齿轮轴轴颈间所产生 的摩擦力矩 分别使转速较小的左半轴上的扭矩 。增大，转速较大的右半轴上的扭矩 减小；因 此，当两侧驱动车轮转速不同时 ， １＝（ ０一Ｍ，）／２，Ｍ２＝（Ｍｏ＋ ）／２ （７） １．４车身、悬架系统建模 悬架系统的主要作用是传递轮胎和车身间的 一切力和力矩并减缓车身振动，若把车辆视为一 个在弹性悬架上自由振动的质量块，则悬架自由 振动频率为： ＝ Ｊ ＝ Ｊ等 （８） 式中：广重力加速度，ｍ／ｓ ； 一悬架簧载质量，ｋｇ； Ｚ一悬架垂直变形，ｍ； Ｋ＿悬架刚度，Ｎ／ｍ。 由簧载质量和悬架刚度决定的车身自由振动 频率，是影响整车动力学特性的重要因素；为更真 实的描述整车动力传动系统，在模型中引入悬架 系统，并在车身质心处加一球体作为簧上质量和 转动惯量。 １．５转向系统建模 为对所建模型进行不同工况下的动力学和运 动学验证，建立转向系统以实现不同工况的切换； 该车采用双前桥转向，其机械结构和杆件的运动 关系相较于单前桥汽车更为复杂。为尽可能的满 足阿克曼原理 ，一方面要使前轴左右车轮轴线的 延长线交于后轴瞬时转向中心线，另一方面还需 满足各转向桥两侧 轮胎的转角关系。 在各转向轮均绕理 想转向中心Ｏ转动。 的情况下，才能使各后 转向轮在转向时作 １１ｔ４双前桥转向结构简图 纯滚动，转向简图如图４所示。 １．６动力传动系统模型的建立 根据简化原则和方法，将整车分为变速箱、分 动器、差速器、悬架、轮胎等不同子单元，因为模型 主要研究稳态工况，对离合器的结合、分离和滑摩 ８８ 机电技术 ２０１７年６月 并没有考虑，同时将飞轮等效到发动机曲轴上，并 引人轮胎系统、路面系统等建立如图５所示的整 车动力传动系统多体动力学模型。 图５整车动力传动系模型 该模型具有以下特点： １）模型中根据实车状态选用恒速度副和 Ｈｏｏｋｅ副，引人了万向节振动对整车模型的影响； ２）变速箱模型中对应６个挡位建立６个耦合 副，分析某挡位时激活对应耦合副方即可方便 切换； ３）建立了悬架模型，反映了悬架系统和传动 系统的耦合关系，也考虑了悬架自然振动对整车 动力学特性的影响； ４）将球体作为簧上质量加到车身质心处，体 现了簧上质量及惯量； ５）建立轮胎、路面模型，使得整车模型更加 真实； ６）７１人转向机构，可实现不同工况的切换。 由于这几点，该模型更为接近实际边界条件， 可作为之后扭振、不同路面谱对整车运动状态影 响等其他分析的模型基础；同时可扩展到其他多 轴全驱车辆的整车动力传动系模型。 ２典型工况下模型的验证 分动器、差速器为建模的关键部件，分别需要 满足各自使用特性，故对模型进行不同工况下的 验证分析，通过建立测量变量采集数据，将仿真数 据和理论计算数据对比，验证模型。 ２．１稳态圆周工况 ２．１．１分动器模型验证 分动器分前扭矩与分后扭矩之比等效于前两 桥轮胎纵向力之和与后两桥轮胎纵向力之比，对８ 个轮胎的轮胎纵向力建立测量变量采集数据，计 算分析轮胎纵向力之比为是否满足分扭比公式 （４）。 经验证，前两桥轮胎纵向力之和与后两桥轮 胎纵向力之比满足分扭比，轮胎纵向力采集数据 如图６所示。 Ｉ／ｓ 图６轮胎纵向力采集数据 ２．１．２差速器模型验证 对各差速器输入、输出转速建立测量变量采 集数据，经验证各差速器均满足差速器运动特性 方程式（５）。１桥轮间差速器转速采集数据如图７ 所示，３桥轴间差速器转速采集数据如图８所示。 ｔ／ｓ 图７ １桥轮间差速器转速采集数据 Ｎｔｉｓ 图８ ３桥轴间差速器转速采集数据 轴问差速器扭矩分配比等于前、后轴轮胎纵 向力之和的比值，对各轴轮胎纵向力建立测量变 量采集数据，经验证各轴间差速器扭矩分配满足 式（６）。３、ａｍ轮胎纵向力采集数据如图９所示。 ｔ／ｓ 图９ ３，４桥轮胎纵向力采集数据 轮间差速器扭矩比等效于左右侧轮胎纵向力 之比，对同轴轮胎纵向力建立测量变量采集数据， 验证各轮间差速器扭矩是否分配满足式（７）。１桥 轮胎纵向力采集数据如图ｌ０所示。 ２．２单轮轮边减速器断开工况 断开单轮轮边传动轴，由发动机施加恒定转 速，采集各差速器转速、轮胎纵向（下转第１０８页） １０８ 机电技术 新能源汽车以“节能、环保”为卖点，在同家政 策的大力支持下，新能源汽车呈爆发式增长，然而 鉴于消费者对新能源汽年的认知水平较低，且新 能源乍存在续航里程短、电池隐患大、充电难、维 修保养不方便等缺点。 而，目前新能源车的营 销策略为：应聚焦于 车等行业大客户；未来，随 着电动车续航里程的提升、充电基础设施的完善、 图４“快＋服务”的理念 电池安全性的提升及成本的下降，消费者对电动 的接受程度将提高，电动车企业应密切关注家 刚市场的发展。 ６结束语 参考文献： …邶晓娟．新能源汽１ 『ｆ『场 钔策略研究ｌＪ１．科技资 ．２０ｌ４（３０）：Ｉ２９． ２桑畅，张健明．新能源汽１ 的市场营销策略探究 Ｉ４ｌ叶楠，周梅花， 秀芳．新能源汽 策略．２０１４（１１）：２６—２７． Ｉ３ｌ徐困虎，许芳．新能源汽＾ｌ－购买决策的影响 素研究…．１ｆ１ 人口・资源与环境，２０１０，２０（１ １）：９１—９５． 期采１Ｌ｝ｊ营销策略研究【ＪＪ＿科技管理研究，２０１２（５）：１２８—１３１． Ｉ５Ｉ上｝Ｊ．超．我 新能源汽４－￣＇ｆｆｉＪ＇模式分析ｌＪ１．学术研究，２０ｌ４（２１）：２８１． Ｉ６ｌ李路遥．我同新能源汽１ｌ市场推广的现状及对策研究ｌＪ１＿经济视角，２０１５（４）：８３—８４． ９ ’ 阻９ ｊ ，－ｐｊ －３９ 妒 ９ ９ ， ， 旦≥ 蚋 氇９ 曲 ｉ 旦 ９ ９ ９９ 髓≥ Ｌ昱 ｉ （上接第８８页） 图１０ １桥轮胎纵向力采集数据 图１ １ ４桥左轮边传动轴和轮胎转速采集数据 力数据，将采集数据代入公式（４）（５）（６）（７），经验 证各差速器和分动器均满足各［１理论公式。 采集轮边传动轴和各轮胎转速，验证动力足 全部经Ｆ｝｛轮边传动轴断开处输 。对比数据， 统、转向系统、车身系统、轮胎系统、路面系统等建 立了较为真实的、接近于实际边界条件的８ｘ８多 轴驱动车辆整车动力传动系统模型。 通过对整车模型进行＿ｒ稳态圆周Ｔ况、断开 单轮轮边传动轴工况的仿真分析，验证了所建立 的多轴驱动车辆整车动力传动系统模型的有效 发现输入转速经过传动系统后全部经由轮边传动 轴断开处输 ．．车身保持静止不动，４桥左轮边传 动轴和各轮胎转速采集数据如图１ ｌ所示。 性，表明此模型可作为多轴驱动车辆动力传动系 统多体动力学研究的基础。同时模型具有一定的 通 性，可通过更改模型子系统参数实现不同零 部件匹配对整车模型机动性能影响，对之后总体 没汁选用零部件具有指导意义。 ３ 结束语 针对多轴驱动 辆动力传动系统多体动力学 建模中的一些父键组件，引入了传动系统、悬架系 参考文献： 【１１张东旭．差速耦食式混合动力汽＿乍系统建模与性能仿 【Ｄ１．Ｋ春：吉林大学，２００９． （２ｆ魂来生．某车传动系统扪ｆ振特性分析ｆＪＩ．牟辆与动力技术，２００３（１）：３７－４０． ｆ３１孙训方．材料力 ７：［ＭＩ．北京：高等教育ｍ版社。２００９． 罗卫平，基丁ＡＩ）ＡＭＳ／ＶＩＥＷ凸轮机构的没计及仿 制造、 信息化，２００３（１）：２８—２９ 【５Ｊ喻儿．车辆动力学及其挖￣ｉ１［Ｍ１．北京：人民交通川版｝ｆ：，２００４．