[发明专利]一种适用于乘用车不同工况传动系扭振分析的建模方法

说明书

技术领域

本发明属于机械传动与振动噪声技术领域，涉及一种汽车动力传动系扭转振动的研究技术，具体涉及一种适用于乘用车不同工况、可对整车动力传动系扭振特性进行准确预测与分析的建模方法。

背景技术

汽车动力传动系主要由发动机、变速箱、传动轴、主减速器和车轮等部分组成，是以旋转运动为主的轴系扭转系统。在汽车行驶过程中，来自发动机、路面以及变速箱内部的激励力变化会引起传动系的扭转振动，当外界激励的频率与系统固有频率接近时，将会发生扭转共振，此时系统部件中产生很大的扭振载荷，这将直接影响动力传动系部件的工作可靠性和耐久性。因此，对汽车传动系扭振特性的研究与改进具有重要意义。

在汽车动力传动系扭转振动的研究中，建模方法以集中参数方法居多，建模的思路主要是将旋转轴系的各轴简化为离散转动惯量、无质量的扭转弹簧组成的力学模型，简化具体原则如下：

(1)忽略轴系的弯曲、轴向振动及其与扭转振动的耦合，只考虑轴系的扭转振动；

(2)离合器处于结合状态且没有发生过载，即离合器主动部分与从动盘之间没有相对转动；

(3)由发动机驱动的附属设备对传动系的影响没有考虑在内；

(4)转动惯量较大且集中的部件视为惯性元件，如驱动轮；转动惯量较小且分散的部件视为弹性元件，如驱动半轴；

(5)相邻两质量之间的连接轴的转动惯量，平分到两个质量集中点上，比如相邻齿轮间的轴段的转动惯量可转化到两端齿轮简化的集中质量上；

(6)相邻两质量之间的连接轴，按照其弹性来计算刚度，作为该集中质量间的当量刚度；

(7)对于由几个轴段组成的复合轴，可先分别计算各轴段的扭转刚度，然后再合成该复合轴的总刚度；

(8)变速箱中的空套齿轮转动惯量按照传动比转化到带动起运转的承载齿轮所在轴上。

在实际中，转动惯量的参数通常通过三维建模，定义参考坐标系并赋予材料属性得到，也可以通过实验测试的方法获得。轴段的扭转刚度利用材料力学的相关知识计算得到

式中，K为该轴段扭转刚度，单位Nm/rad，M是施加于相应轴段两端的静扭矩，单位N·m，θ为在该静扭矩作用下轴的扭转角，单位rad，G为轴段材料的剪切模数，单位N/m²，I_p为轴截面极惯性矩，单位m⁴，l为轴段长度，单位m。对于圆形截面的实心轴，极惯性矩由下式计算

对于轴径变化的阶梯轴，总的扭转刚度为各段扭转刚度串联后的值；

图2中：

I_n(n＝1,2,3,…,14)为传动系各部分等效转动惯量，

K_m,m+1(m＝1,2,3,…,13)为传动系各轴段等效扭转刚度，

C_i(i＝1,2,3,4)为四缸四冲程发动机各缸的外部阻尼，

C_1,2是曲轴扭转减振器的阻尼，

C_7,8是离合器扭转减振器阻尼，

C_9,10、C_11,12分别为传动系中承载齿轮副的扭转阻尼，C_13,14为轮胎扭转阻尼。

在运动过程中，活塞连杆机构相对于曲轴中心的转动惯量是随转角而变化的，活塞连杆机构相对曲轴中心的转动惯量为

I_eq＝I_d+m₁r²+(m₂+m_p)r²f₁(θ)+I₀f₂(θ) (3)

式中，I_d为单个曲拐的转动惯量，m_p为活塞质量，r是曲柄旋转半径，m₁、m₂和I₀是连杆二自由度等效模型的两个等效质量和等效转动惯量。f₁(θ)、f₂(θ)如下式所示

f₁(θ)＝[sin(θ)+α(sin(2θ)/2cos(γ))]² (4)

f₂(θ)＝α²[cos(θ)/cos(γ)]²(5)

其中，θ为曲柄转角，α为连杆比，γ为连杆与活塞和曲轴中心连线的夹角