动态当量夹角在商用车产品开发中的应用研究
作者：黄遵国 李海雄 付继红
来源：《专用汽车》 2011年第5期
黄遵国1 李海雄1 付继红2
HUANG Zun-guo et al
1.东风汽车有限公司东风商用车技术中心 湖北武汉 430050
2．仙桃职业学院机械电子工程学院
湖北仙桃 433000摘要：在商用车传动轴系统布置设计时，为避免因万向节传动输出轴与输入轴的转角差引起车辆异常振动，应使空载静止和满载静止工况下的传动轴当量夹角、最大夹角及角加速度幅值满足设计要求。研究表明，在某些工况下，仅校核空载静止和满载静止工况下的传动轴系统布置的相关参数，不能完全避免因传动轴系统布置设计引起的整车异常振动问题。因此分析了满载爬坡工况下动态当量夹角对整车异常振动的影响，表明了在进行商用车传动轴系统布置设计时，还需使满载爬坡工况下的动态当量夹角以满足设计要求。
关键词：动态当量夹角 振动 商用车
中图分类号：U469.02文献标识码：A文章编号：1004-0226(2011)05-0075-03
1前言
传动轴在运动过程中，万向节传动输出轴与输入轴的转角差会引起动力总成支承和悬架弹性元件的振动，还会引起与输出轴相连齿轮的冲击和噪声及驾驶室内的异常振动。因此，在整车传动轴系统布置设计时，通常希望当量夹角θe尽可能小，一般设计时应使空载静止和满载静止工况下的θe不大于3°，万向节传动输出轴与输入轴的夹角不大于7°，最后一个万向节传动输出轴的角加速度幅值不大于600 rad/s。
其中，空载静止、满载静止是指只考虑因载荷变化引起悬架变化后，整车静止状态下传动轴系统布置相关参数的计算值。最大夹角是指各万向节传动输出轴和输入轴夹角的最大值。角加速度幅值是指最后一个万向节输出轴的角加速度幅值。
对某车的研究发现，若仅校核空载静止和满载静止工况下的传动轴当量夹角、最大夹角及角加速度幅值，并使其满足设计要求后，在满载（装载20 t，或称重载）、低速（变速器选挂一挡或二挡）、爬大坡（16.6%的标准坡道）工况（下文简称满载爬大坡工况）下，驾驶室会出现明显的低频上下振动，此现象不可接受。但在进行满载爬大坡工况的动态当量夹角校核，并使其满足设计要求后，驾驶室的异常
振动消失，主观评价整车未见异常振动，此结果可以接受。文中，动态当量夹角是指考虑装载使悬架位移变化的同时，也考虑实际运动工况时动力总成动力输出端位移变化引起的当量夹角变化。
本文结合实例，说明了在满载爬大坡工况下，对动态当量夹角进行校核并使其满足设计要求时，可有效解决该工况下由传动轴系统引起的驾驶室异常振动问题。
2空间多万向节传动的当量夹角计算
2.1单万向节传动的运动分析
就单十字轴而言，十字轴万向节输出轴与输入轴的转角差在万向节夹角θ≤30°的条件下可精确地用如下简化公式计算：
3计算实例
当整车的发动机坐标、发动机型号、变速器型号、桥型号、用户使用工况（装载、路面）等确定后，则可以进行传动轴的选型。该车传动轴选用ω57耳孔，额定扭矩为10000 N-m，突缘叉中心高100 mm，中间支承吊架到输出法兰长度为174 mm。
传动轴系统布置设计所需要的整车参数见表1，其中发动机倾角为4.5°，桥倾角为4.3°。该车的传动轴布置初步设计为以下两种方案：
方案一：布置为两根传动轴，如图1所示；方案二：布置为单根传动轴，见图2所示。
方案一中，经程序优化后确定传动轴中间支承的位置坐标为（1998，0，-271）mm。传动轴系统相关布置参数值的计算结果见表2，空满载当量夹角变化曲线见图3。
方案二传动轴系统相关布置参数值的计算结果见表3，空满载当量夹角变化曲线见图4。
根据常规设计要求，从表2、图3、表3和图4的传动轴系统布置计算值可知，方案一和方案二的传动轴系统布置设计均满足设计要求。
4试验情况分析
4.1主观评价情况
方案一在满载爬大坡工况时，驾驶室里的低频振动明显，不可接受。在高速等其他所有工况下整车均未见异常振动，可接受。方案二在所有工况下，整车均未见异常振动，可接受。
4.2振动主频的测量情况
在满载爬大坡工况下，变速器一挡和二挡的振动主频测量数据分别见表4、5。分析振动主频的测量数据可知，满载爬大坡工况时，方案一的变速器上、传动轴前端各测点的振动主频基本与传动轴旋转频率的倍频一致，而方案二各测点的振动主频都避开了传动轴旋转频率。由此可见方案一的驾驶室异常共振现象与传动轴旋转频率的倍频有关系。
4.3变速器输出法兰中心位移的测量
在相同工况下，两种方案的变速器输出法兰中心相对其在水平静止状态时的位移是基本相同的。在满载不同路面下，其y向和Z向的最大位移测量值如图5所示。由图5可知，在满载爬16.6%标准坡道的工况下，变速器输出法兰中心Z向的位移值达到最大值16.6 mm，其他路面最大位移值则在6.2 mm以内。y向的位移值达到最大8.2 mm，其他路面最大位移值在一1 mm以内。
4.4动态当量夹角校核
在满载爬大坡工况时，车辆行驶需要较大的驱动力矩，此时发动机是接近全负荷运行的。因此动力总成质心会出现较大的位移，其位移值与动力总成悬置系统位移控制设计有关。
汽车传动系统 从以上变速器输出法兰中心位移测量值可知，在满载爬大坡工况时，变速器输出法兰中心Z向位移为16.6 mm，y向位移为8 2mm，发动机倾角由4 5。变为5 5。。
考虑满载爬大坡工况时动力总成的位移变化，计算该车两种方案下的动态当量夹角等传动轴系统布置参数值，如表6所示。从表6看出，方案一的动态当量夹角、最大夹角、角加速度幅值均不满足设计要求（设计要求标准见前言部分），且与满载静止工况时的计算值相差较远。而方案二的动态当量夹角、最大夹角、角加速度幅值的计算值仍在设计要求内，且与静止满载工况时的计算值较接近。
5结论
通过实例分析，研究了由于传动轴系统布置设计有缺陷从而引起整车异常振动的原因，表明在商用车传动轴系统的设计布置中，除了常规工况下的传动轴当量夹角、最大夹角及角加速度幅值需满足设计要求外，还需增加满载爬坡工况下的相关参数的校核，并使其满足设计要求，以避免因传动轴系统布置不当引起的整车异常振动问题。
参考文献
[1]王望予汽车设计[M]北京：机械工业出版社，2007
[2] Burkhalter R, Mozziotti P J The Low Silhouette Drive Line. SAE Transactions,1956
[3]冯振东空间多万向节传动的转角差和当量夹角的计算[J]汽车技术，1982(5):12-14
[4]冯振东，杜玉新，吕振华空间多万向节传动布置的优化设计[J]汽车工程，1992，3(14):13 8-143
收稿日期：2011-03-08
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