等速传动轴传动效率的虚拟样机分析与试验研究

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等速传动轴是传递动力和等速传递转动的重要部件，广泛应用于轴线不重合且位置经常变化的两轴间动力和运动的等速传递，尤其是在独立悬架车辆上用于传动系到驱动轮的动力和运动的等速传递I”。评价等速传动轴的主要性能指标是传动效率，传递运动的等速性、振动噪声性能和耐久性 。在汽车行驶过程中，由于车轮在不平路面激励下上下跳动及转向时绕主销转动，等速传动轴的2个万向节轴间夹角会经常发生变化，等速万向节零部件问存在滑动和滚动摩擦 ，在传动过程中产生能量损失，能量损失-方面会导致驱动力减少 、燃油消耗增加；另-方面会使万向节温度升高、润滑条件变差，严重时会造成万向节磨损、密封胶套破裂，可见传动效率是衡量等速传动轴丁作性能的重要指标之-，为了提高等速万向节的传动效率，减少摩擦和磨损，国外相继开展了低摩擦、高效等速传动轴的研发 1。以往研究等速传动轴的传动效率多采用试验方法，通过试验测量等速传动轴在不同输人转矩、转速和不同输入和输 轴夹角1二况下的传动效率，以便对其传动性能进行分析评价。这种研究方法需要有传动系统试验台架等试验装备，还需要大量的人力和时间 。

在对等速万向节进行动力学仿真分析和试验研究的基础上 ，利用虚拟样机技术建立等速万向节和传动轴的虚拟样机模型，通过仿真分析来评价等速传动轴在不同lT况下的传动效率及其主要影响因素，并通过相应的台架试验来验证等速传动轴虚拟样机分析结果的有效性，确定出影响等速传动轴传动效率的主要凶素。

2等速万向节和传动轴的虚拟样机建模在采用独立悬架的汽车上，车用等速传动轴的主要作用是把传动系统的动力从差速器半轴齿轮传递给驱动轮，当发动机前置前驱动汽车转向行驶时，内、外侧等速万向节输入和输J轴间会在水平面内产生较大夹角，当汽车在不平道路上行驶时受路面来稿日期：2012-09-11基金项目：国家863”计划资助项 目(2012AAll 1803) 、作者简介：滕 达.(1991-)，男，长春人，学士，主要研究方向：机械设计理论与方法；王登峰，(1963-)，男，长春人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：汽车系统动力学与控制第 7期 滕 达等：等速传动轴传动效率的虚拟样机分析与试验研究 l9随机激励作用，车轮会不断上下跳动，且为了使车轮跳动过程中能有效地传递运动和动力，并旧能保持左右两侧车轮间的轮距变化较小，以减少轮胎磨损，要求等速传动轴的轴向能产生-定的伸缩位移，并且输入和输出轴之间能以不同的夹角传递动力和运动。因此车用等速传动轴多由双等速万向节组成，靠近车轮的外侧-般用可产生较大输入和输出轴夹角的球笼式等速万向节，靠近差速器的内侧常采用能产生少量轴向位移的三销轴式等速万向节。

球笼式和三销轴式等速万向节虚拟样机建模是用ADAMS软件完成的，建模用三维实体在 CATIA软件中绘制并导入，为了叙述清楚和分析方便，对球笼式和三销轴式等速万向节的虚拟样机建模过程分别进行讨论 ，然后再合成为整个等速传动轴的虚拟样机模型。

建模时将球笼式等速万向节简化为输入轴、内球笼、6个钢球、外球笼和输出轴，共9个部件，54个刚体自由度，整个球笼式等速万向节只有 1个转动自由度，这样需要约束 53个自由度。钢球与内外球笼之间的滚动接触用球铰来模拟；为了保证球笼式等速万向节运动过程中六个钢球的中心在-个平面内用平面约束来模拟；输出轴端用转动铰链固定，输入轴和内球笼用固定铰链联接，输入端用两个平面约束来模拟。这样模型中共有 9个可移动部件，9个球铰 、1个转动铰、1个固定铰、8个平面约束、1个平面铰、1个线约束、1个平行约束，模型自由度为 户(9×6)(9×3)(1x5)(1x6)(8x1)(1x3)(1x2)(1x2)l。钢球与内外球笼的接触力是用点-曲线施加接触力来模拟，建立的球笼式等速万向节虚拟样机模型，如图 1所示。

图 l球笼式等速万向节虚拟样机模型Fig.1 Virtual Prototype Models of Bal Constant Velocity Joint图2三销轴式等速万向节虚拟样机模型Fig.2 Virtual Prototype Models of Tripod Constant Velocity Joint三销轴式等速万向节简化为输入轴 、三销轴 、3个滚轮、外钟形罩和输出轴，共7个部件，42个刚体自由度，整个三销轴式等速万向节只有 1个转动自由度，这样需要约束 41个自由度。由于3个滚轮与外钟形罩内部沟槽之间的只能进行轴向转动，用圆柱铰来模拟 ，输出轴端用转动铰来固定 ，输出轴与三销轴间用固定铰来联接，输人轴和外钟形罩之间同样用固定铰来联接，输入端用两个平面约束来模拟。这样模型中共有 7个可移动部件，5个圆柱铰、个转动铰、2个固定铰、2个平面约束、1个线约束，模型的自由度为f-(7x6(5x4)(1x5)(2x6)(2x1)(1x2)l。滚轮与外钟形罩间的接触力是用圆-圆施加接触力来模拟〃立的三销轴式等速万向节虚拟样机模型，如图2所示。

把上述球笼式和三销轴式等速万向节虚拟样机模型组合起来，即可得到等速传动轴的虚拟样机模型，可利用该模型对等速传动轴的传动效率进行分析评价。

3等速传动轴传动效率虚拟样机分析与试验传动轴的传动效率定义为输出功率与输入功率之比，通过分析或测量等速传动轴输入轴和输出轴的转速和转矩 ，即可按(1)式计算出其传动效率。

㈩ 式中：/， 、n厂输人和输出轴转速，r/min；、 人和输出轴扭矩，Nm。

等速传动轴传动效率仿真分析与试验工况是依据某轿车各档行驶时等速传动轴实际的工作转速和转矩确定的，如表 1所示。

表 1等速传动轴传动效率的仿真分析与试验工况Tab.1 Simulation Analysis and Test Case ofTransmission Eficiency for CVDS此外，当车轮转向和上下跳动时，等速传动轴内、外侧万向节输入和输出轴间存在不等夹角，依据实际工况下两万向节输入和输出轴间夹角的变化范围，确定分析和试验时内侧三销轴式万向节输入和输出轴间的夹角为 0。、5。、tO。，外侧球笼式万向节输入和输出轴间的夹角为 0。、10。、25。、38。(车轮最大转角)，考虑到车轮在大转角状态下行驶车速-般较低，因此外侧球笼式万向节夹角为 25。时不做4、5档、夹角为 38。时只做 1档工况的分析与试验。从而得到等速传动轴传动效率的仿真分析与试验方案，如表 2所示。

表 2等速传动轴传动效率的仿真分析与试验方案Tab.2 Simulation Analysis and Test Schemeof CVDS Transmission Eficiency按照表 2给出的工况 ，利用前述建立的汽车等速传动轴的虚拟样机模型进行传动效率的仿真分析，并利用从美国某公司引进的传动系试验台进行等速传动轴的传动效率试验，试验现场如图 3所示。得到的仿真分析和试验结果对比，如表 3，图4～图8所示。

20 机械设计与制造NO.7July.2013Fig.310lloo- 9998饕97越- 969594图3等速传动轴传动效率试验台Transmission Eficiency Test Rig of CVDS- - - r - -- ★2 3 4 5档位 夹角0-0仿真 夹角0-0试验- -夹角0-10仿真- ÷-夹角0-10试验- I夹角0-25仿真- -夹角0-25试验- -夹角0-38仿真- - 夹角0-38试验图4内侧万向节夹角为0。外侧万向节取不同夹角时传动效率仿真与试验结果对比Fig.4 Comparison Between Simulation and rest Results of TransmissionEficiency When Inner Joint Intersection Angle is 0。

从表3和图4～图6中可以看出，等速传动轴传动效牢的虚拟样机仿真分析和试验结果吻合较好，只有3档夹角50和4档夹角 1 O-1 0两点仿真分析和试验结果相差略大，两者间的相对误差分别为 0.82%和 0.67%，仍然满足工程分析精度要求 ，从而证实了所建等速传动轴虚拟样机模型的正确性；随着等速传动轴工作转速增加和传递扭矩的减小，即汽车变速器档位数增加，其传动效率略有减孝但变化不大；当内侧三销轴式等速万向节输入和输出轴间夹角不变、外侧球笼式等速万向节输人和输出轴间夹角增大时，等速传动轴的传动效率明显下降。

表 3不同工况下等速传动轴传动效率的仿真分析与试验结果对比(%)Tab.3 Comparison Between Simulation and TestTransmission Eficiency Under Diferent WorkingResults ofCondition1 999 9詈 0鲁 967 94- 94.69 99.88 99.76 98.78 98.60 8 3 7 7 7 6 。 2 9·9 詈 98·8 兽8 96·9 96- 9.76 99.65 98.64 98.32 。 5 9 5 9 。 3 99·9 99·9 98·8 98·7 96t9 96～ 99.59 98.78 98.47 98.07 8 9 4 3 0 8 。

4 詈 三 98.7 98- . 9.43 98.83 98.32 97.95 7 7 6 5 99-9 986 8.5 99.21 98.73 98.15 98.03 7 8 6 l 档 夹角 5--25夹角 5-38夹角 1O-o夹角 l0-lO夹角 10-25夹角 10-38位 仿真试验仿真试验仿真试验 仿真 试验 仿真 试验 仿真 试验1 9鲁 J 98 98.5 98～98.33 96.03 95.74 93.59 93.35 8 3 7 l 6 0 1 。 2 鲁 96I3 98·7 98-5 98. 98.13 95.97 96.O0 7 5 1 3 3 3 6.9 4 % ～ 97.91 95.85 95.922 l 4 5 5 4 5 鲁 98 .2 97.60 R 5 98-4 97·9 983 97.684 9 0褂督迎-r - - --五 .工士1 2 3 4 5档位 夹角5-0仿真 夹角5-0试验 夹角 5-1O仿真- 》÷-夹角5-IO试验- -夹角5-25仿真 夹角5-25试验 夹角5-38仿真- -0--央角5-38试验图5内侧万向节夹角为5。外侧万向节取不同夹角时传动效率仿真与试验结果对比Fig.5 Comparison Between Simulation and Test Results of TransmissionEfieieticy When Inner Joint Intersection Angle is 5。

1o099- 9897饕96959493， -- r-i：' - - -l 2 3 4 5档位 夹角 10-0仿真 夹角 IOo试验- r 夹角 lO-l0仿真- - 夹角 10-l0试验- - 夹角 l0-25仿真 夹角 10-25试验十 夹角 l0-38仿真- 夹角 l0-38试验图6内侧万向节夹角为 10o夕 侧万向节取不同央角时传动效率仿真与试验结果对比Fig.6 Comparison Between Simulation and Test Results of TransmissionEficiency When Inner Joint Intersection Angle is 1 01OllO09998饕97969594 - ～ e - 置 - 、 n --：：- j2、2 3 4 5档位 夹角0-0-- -.41，-夹角5-0 夹角 10-0--夹角0-l0- I 夹角5-10十 夹角 10-10- 9-夹角 0-25- - E夹角5-25夹角 l0-25图 7内侧万向节夹角变化外侧万向节夹角相同时传动效率试验曲线Fig.7 Test Curve of Fransmission Efficiency When Inner andOuter Joint Being of Diferent Intersection Angle Mateh.I；lL蒋迎0llo0999897- - - - 央角 0-0试验 夹角 10-1O试验、 1 。

2 3 4 5档位图8两万向节夹角相同时传动效率试验曲线Fig.8 Test Curve of Transmission Eficiency When TwoJoints Being of Same Intersection Angle叭∞ % 卯% 舛No.7July.201 3 机械设计与制造 2l图7表明当外侧球笼式等速万向节输入和输出轴问夹角不变 、内侧三销轴式等速万向节输入和输出轴间夹角增大时 ，等速传动轴的传动效率也明显降低。从图 8中可见，当内、外侧等速万向节输人和输出轴间夹角相等、随着夹角的增大，其传动效率明显降低。

综上所述，工作中球笼式和i销轴式等速万向节输入和输出轴间夹角的增大是导致等速传动轴传动效率下降的主要原因。

4结论通过上述对由球笼式和三销轴式等速万向节组成的等速传动轴进行传动效率的虚拟样机建模分析和试验研究，可以得到以下主要结论：(1)建立了l-销轴式等速万向节、球笼式等速万向节及其组成的等速传动轴的虚拟样机模型，分析了等速传动轴在实际使用工况下不同工作转速、传递不同扭矩与输入和输出轴在典型夹角范围内的传动效率；(2)完成了等速传动轴传动效率的台架试验，并与相应的虚拟样机仿真分析结果进行了对比，结果表明仿真分析与试验结果吻合较好，两者间的最大相对误差不超过 0.82%，证实了所建等速传动轴虚拟样机模型的有效性，表明可以用虚拟样机仿真分析方法替代台架试验来研究等速传动轴的传动效率。

(3)球笼式和三销轴式等速万向节输入和输出轴间夹角的增大是导致等速传动轴传动效率下降的主要原因。