基于ADAMS的汽车传动轴设计及振动仿真分析

毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目：基于ADAMS的汽车传动轴振动仿真分析 学生姓名：二级学院：班级：提交日期： 目录目 录摘 要IIAbstractIII1 绪 论11.1 课题研究背景和意义11.1.1选题的背景和意义11.1.2国内外研究现状与发展趋势11.2 主要研究的内容和方法22 ADAMS软件的运用方法32.1 ADAMS软件简介32.2 ADAMS软件的计算方式33 传动轴的模型建立与振动仿真分析53.1 传动轴的数据获取53.2 传动轴的模型建立73.3 传动轴的振动仿真分析83.3.1输入轴的振动分析93.3.2前传动轴的振动分析113.3.3中间轴的振动分析143.4 传动轴优化分析173.4.1输入轴优化分析183.4.2前传动轴优化分析213.4.3中间轴优化分析234 结论与展望26参考文献28致 谢2928 摘要基于ADAMS的汽车传动轴振动仿真分析摘 要汽车传动系统是汽车重要总成之一，其中前置后驱或四轮驱动汽车都带有传动轴，通过传动轴传递运动和扭矩，从而驱动汽车运动。传动轴不仅要负载高强度的运动，还要确保自身的定轴转动，汽车行驶时，因传动轴的刚度、自身振动特点和外加的附加力以及力矩等因素的影响，极易出现传动轴振动现象，而传动轴的振动会造成汽车行驶不稳定，严重时还会引起汽车结构损坏。本课题运用软件ADAMS，建立汽车传动轴模型，分别对输入轴、前传动轴和中间轴进行振动仿真分析，分别得出传动轴振动特性的曲线。根据振动特性的曲线分析其振动特性，并对不合理之处进行优化，对比结果，改进传动轴结构设计，从而改善传动轴振动特性，提高汽车行驶的安全性与稳定性。关键词：ADAMS；传动轴；振动；仿真分析 AbstractVibration simulation analysis of automobile transmission shaft based on ADAMSAbstractThe automobile transmission system is one of the important parts of the automobile, in which the front drive or the four wheel drive automobile has the transmission shaft, transmits the movement and the torque through the transmission shaft, thus drives the automobile movement. The transmission shaft must not only load high intensity movement, but also ensure its fixed axis rotation, when the car is moving, the vibration of the transmission shaft is easy to happen because of the rigidity of the transmission shaft, the characteristics of the vibration itself, the additional force and the moment, seriously can cause damage to the structure of the car.This topic uses the software ADAMS to establish the automobile transmission shaft model, the input shaft, Vibration simulation and analysis of input shaft, front axle and intermediate shaft are carried out respectively, the vibration characteristics of the transmission shaft are obtained respectively. According to the vibration characteristic curve analysis of the vibration characteristics, and optimize the irrationality, by comparing the results, to improve the structural design of the drive shaft, so as to improve the vibration characteristics of the transmission shaft and improve the safety and stability of the vehicle. Key words: ADAMS; transmission shaft; vibration; simulation analysis 第一章 绪论1 绪 论1.1 课题研究背景和意义1.1.1 选题的背景和意义2016年期间我国汽车产销辆分别完成2.5千万辆和2.49千万辆，跟往年相比，分别增长了大约14.3%和14.1%，并高于上年同期12.5和10.8个百分点。按照目前的形势到2017年我国的汽车产销量将同比增长2%-6%，伴随着我国汽车产销量的逐年增加，我国汽车产业发展将要进入一个新的时代。同以前相比，人们现在更加注重汽车的安全与舒适性，所以汽车的结构设计与质量也日渐提高，伴随着的是汽车传动系统的技术提高，传动轴的设计与制造更是成为重中之重，汽车产业带动传动轴的更新换代，汽车传动轴也面临新的发展机遇。 汽车传动系统对于汽车是至关重要的，它是汽车性能是否优良的一个重要指标，传动轴作为传动轴统的核心结构，对于传递汽车发动机动力和扭矩有着很大的作用，作为动力传动装置大多是由输入轴、前传动轴、中间轴、万向节以及中间支承等组成。汽车传动轴通常位于汽车的底盘，连接变速器和主减速器，在汽车行驶时工况是非常的恶劣的。对于通常的路面，汽车的增减速和刹车对传动轴有冲击，还有就是发动机的机械振动也在增加传动轴的有害振动。复杂的不平路面，会使汽车的悬架和驱动桥运动更为剧烈、还会导致错位，令汽车传动轴受到额外的扭矩，并使传动轴振动加大，振动影响更加恶劣，严重可使传动轴遭到破坏，影响整车的行驶平顺性能。先进的现代化设计方法和管理方法的产生不仅提高了企业的研发和创新能力而且成了各个行业不断追求产品质量、最大缩短产品研发周期和降低成本的首选方法。作为现代化设计方法不可缺少的虚拟样机技术在工程机械和汽车产业中发挥了其无可替代的优势，目前，国外汽车企业己经建立起完善的虚拟样机系统，成功运用该系统进行无纸化研发与制造，其面向产品的设计、分析和制造，提高零部件的质量和性能的目的得到充分发挥;而在国内，汽车企业在虚拟样机技术方面还处于产品后期验证的应用，即在逆向设计过程中，首先将样车制作出来，再通过虚拟样机技术研究分析其性能、各种参数等，在不符合要求的地方加以修改或者优化。相比之下，国内汽车企业远远没有发挥虚拟样机技术的优势，因而提高该技术的利用率将有利于提高产品的质量，大量节约成本和研发周期，从而提高企业的竞争力。对于传动轴的研究意义是巨大的，使得汽车传动轴向着结构更优化，质量轻量化，性能优良化，运行更平稳的方向发展。1.1.2 国内外研究现状与发展趋势随着汽车技术的发展和人们生活水平的提高，客户对汽车的安全性、可靠性和舒适性等设计方面提出了更高的要求。传动轴是汽车传动系统中的主要零部件，在汽车行驶过程中起着传递运动和动力的作用，由于其本身结构的特点以及常处于高速运转过程中，传动轴工作时不可避免地存在着振动和噪声现象。合理地设计汽车传动轴是能够解决汽车的振动问题的，特别是我国汽车工业和发达国家差距还很大，随着我国道路条件的改善和车速的提高，汽车的振动问题将会越来越突出，是提高产品质量和竞争能力所必需解决的问题之一。传动轴振动问题研究起步较早，理论分析模型较为完善，尤其在国外，传动轴技术己相当成熟，而在国内，传动轴的核心技术还需相当长时间的研究才能趋于完善。实验模态分析在传动轴动态特性研究己经得到广泛应用，通过实验的方法得到传动系的振动频谱，对其应力进行分析，此方法可简便，快速地识别结构的固有频率，但其精度取决于实验者的经验和所使用测试仪器的好坏及分析程序。目前，传动轴的研究越来越多地采取虚拟样机技术来进行利用动力学仿真软件对传动轴进行动力学和运动学仿真，且根据多体系统动力学理论，分析包括汽车其他系统在内的运动特性，得到传动轴甚至整车的振动响应，为系统和整车性能的优化提供依据。目前，汽车传动轴的振动分析除了使用试验测量的方法以外，为了达到更加精确、省时并且有效提高传动轴性能的目的而广泛使用计算机软件进行研究，如基于传动轴结构方面的有限元软件和基于传动轴整个系统研究方面的虚拟样机技术软件等。1.2 主要研究的内容和方法本课题的研究对象就是传动轴的振动现象，通过ADAMS建立汽车传动轴的模型，并进行传动轴的振动模拟，分析传动轴的振动特性。运用软件的分析能力对汽车传动轴进行动态分析，从而了解传动轴的振动特性，对传动轴结构进行数据计算，并分析引起振动的原因。通分析对传动轴的结构或设计进行优化，并模拟仿真得出结果，是否能够减少或降低传动轴的振动，从而通过传动轴的性能，最终能够改善传动轴振动，提高传动轴的设计制造技术，提高汽车整体的稳定性。基于ADAMS对轿车传动轴进行仿真模拟分析，首先建立轿车传动轴模型，利用ADAMS分析在动不平衡的条件下传动轴的振动情况。根据分析结果，改善传动轴振动效率，提高设计制造效率，提高汽车整体平顺性。本课题选用一定的速度模拟汽车行驶，通过外加激励模拟整车在真实情况下行驶传动轴受到的激励源，对传动轴的各个部分进行详细分析，并通过振动状态图得出结论。在分析过传动轴后对传动轴进行优化，再利用同样的模拟实验，分析优化过后的传动轴振动状态，同时比较优化前后，得出优化结果。 第二章 ADAMS软件的运用方法2 ADAMS软件的运用方法2.1 ADAMS软件简介ADAMS是Automatic Dynamic Analysis Of Mechanical Systems的缩写，是由美国MDI公司开发的机械系统动力学自动分析软件。已成功用于航天航空、汽车工程、铁路车辆、工业机械、工程机械等领域。虚拟样机技术主要是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉和在一起，在计算机上创建出产品的整体的虚拟模型，并针对该产品进行在投入使用后的各种工况进行仿真分析，从而预测产品的整体性能，改进产品设计质量、提高产品性能的一种新技术。ADAMS是进行仿真与分析，进行设计的软件。其中的功能发展到现在已经非常的庞大，不仅能设计产品，还能模拟其在真实环境中的工作状态，并依此进行优化设计和修改。对于单一的制图软件，ADAMS可以把设计放在可视化的环境中，进行更加主观的设计。ADAMS软件由众多的模块组成，在ADAMS/View模块中，可以建立运动模型，能够进行仿真模拟；ADAMS/Solver是求解的模块，在模拟完成后，可以进行多方位的力学分析，非常的直观；ADAMS/PostProcessor是可以进行后处理的模块，可以对模拟得到的各种图像进行处理；ADAMS/Flex是处理柔性的模块，有机的结合柔性和刚体的仿真，准确的模拟机械运动；ADAMS/Car是汽车模块，对于汽车的设计研发具有较大的作用，最明显的特点是可以进行精确的汽车模拟仿真；ADAMS/Tire则是关于汽车轮胎模块，可以多方位精确的仿真汽车轮胎的运行特性；ADAMS/Vibration是频域分析模块，可仿真振动并预测其带来的危害。众多的模块组成了ADAMS强大的分析能力。2.2 ADAMS软件的计算方式ADAMS软件在分析向量力学的时候会采用牛顿-欧拉公式，再复杂一点会采用Newton-eular递推法；处理多系统的时候会才用Roberson-wittenburg法，方便树形统计。再分析力学的过程中，ADAMS会采用Lagrange方程，具体分析多种刚体的混合系统的计算；引用凯恩方程来解决矢量的约束力，其优点是计算考虑的非常全面，常使用微分方程解析系统运动；再动力学方面，直接采用变分法，对多柔性体与刚体的混合运算，可以精确的分析系统的力学性能。ADAMS软件应用多刚体理论，采用欧拉一拉格朗日方程来建立机械系统的运动方程。并采用了先进高效的积分算法，包括三个变阶、变步长的的刚性积分程序(GSTIFF,DSTIFF,BDF)和一个非刚性的ABAM积分程序，ADAMS/Solve可以根据问题的性质和用户的需要，进行下列多种分析。1.初始状态分析(Initial condition analysis)在仿真计算开始之前，ADAMS/Solver要求与系统状态一致。对于复杂系统，若用户指定的初始位移和初始速度不满足约束方程，在进行初始状态分析时，ADAMS/Solve将对这些初始数据库自动作必要的改动，使其满足约束条件。2.运动学分析(Kinematics analysis)通过运动学分析可以确定机械装置任意一点的位移、速度和加速度。当系统的自由度为零时，ADAMS将进行运动学分析。3.静力学分析(Static equilibrium analysis)可确定系统在没有运动和惯性条件下的平静位置和此时的相互作用力。对于确定系统上的初始载荷及静态解很重要，它提供一种获得系统平衡的方法，并能在系统力学分析时消除不希望的瞬态起动效应。因此在许多情况下，进行动力学分析之前，要先进行静力学分析。ADAMS软件在求解机械系统动力学控制方程时，提供了三种强大变阶、变步长积分求解程序(BDF,Gstiff,Dstiff)来求解稀疏祸合的非线性微分一代数方程；同时还提供了ABAM积分程序，采用坐标分离方法来求解独立坐标的微分方程。 第三章 传动轴的模型建立与振动仿真分析3 传动轴的模型建立与振动仿真分析3.1 传动轴的数据获取应用ADAMS软件进行建模，本次传动轴做振动模拟分析的传动轴采用直径为50mm的轿车后置传动轴，由输入轴、前传动轴和中间传动轴组成，而模拟所需的车速为10km/h，用此车速来模拟传动轴振动，模拟是以给传动轴三个方向的力作为激励来完成实验的。 传动轴的选用与校核。本课题采用的传动轴直径为50mm进行模拟，先对传动轴的直径选用进行校核，首先计算传动轴的临界转速，公式为ne=1.2108D2+d2l2(r/min) （3-1）L传动轴的长；D传动轴的外径；d传动轴的内径。在本课题中，取传动轴D=50mm,d=0mm。安全系数为K=ne/nmax,其中nmax是汽车行的最高转速，而安全系数一般会取K=ne/nmax=1.22.0。最大转速公式为nmax=nc/(igi0) r/min （3-2）nc汽车发动机最大的额定转速；ig变速器的传动比；i0主减速器的传动比。根据公式（3-1）ne=1.2108D2+d2l2，本课题的传动轴输入轴L=617mm，前传动轴L=617mm，中间轴L=1300mm。选取当中最长的中间轴L=1300mm，代入公式（3-1）得ne=3550r/min。其中nmax=nc/(igi0) r/min，nc取参考数值5000r/min，变速器传动比ig=0.8，主减速器传动比i0=4.5，代入得nmax=1389r/min，根据K=ne/nmax，所以K=2.52.0，即传动轴取直径50mm是符合本课题。传动轴扭转应力得校核，选取好了直径后进行传动轴扭转应力校核，应力校核的公式为=16DTJ(D4-d4) (N/mm2) （3-3）TJ-传动系的计算转矩TJ=Temaxig1ig0Kd/2 Nm （3-4）Temax-发动机的最大转矩，取值Temax=200 Nmig1-变速器倒挡传动比，取值ig1=3.5ig0-主减速器传动比，取值ig0=4.6Kd-动载荷系数，取值Kd=1-传动效率，取值=85%根据公式（3-4）所取数值代入得，TJ=Temaxig1ig0Kd/2=1368.5 Nm是许用应力，取=540 N/mm2，在工程应用中扭转应力只占拉应力的0.50.6,本课题只取0.55，参考GB3077-88。根据公式（3-3）=16DTJ(D4-d4) (N/mm2)=55.8 N/mm2，安全系数取2，得，=111.6 N/mm2540 N/mm2，即得出=50mm传动轴满足课题要求。传动轴花键的选用与校核传动轴的花键校核，在汽车传动轴中花键的校核一般为挤压应力校核，根据公式=TJ（D1+D24）（D1-D22）ZLj （N/mm2） （3-5）D1和D2分别为花键的外径和内径Z-传动轴花键的齿数L-传动轴花键的有效长度本课题的花键的外径D1=30mm，内径D2=28mm，传动轴花键的有效长度L=30mm，花键的齿数Z=26，代入到公式（3-5）得=121 N/mm2。花键的许用应力j=192 N/mm2，经校核j，所以传动轴的选用可以符合本课题的要求。在汽车行驶时，传动轴振动激励源的选取。汽车外加激励的选取。汽车传动轴的激励源有很多，从内部分析，发动机在运行时会给传动轴极大振动影响，发动机的曲轴运转和发动机气缸内的惯性力引起的动不平衡造成汽车传动轴曲线性振动；汽车传动轴不平衡运动也会产生振动，传动轴在高速运转时，自身的运动轴线与传动轴质心不在同一直线造成传动轴的振动；从外部分析，路面的不平度也是传动轴振动的原因之一，路面的不平衡对整车的平顺性有直接的影响，运行时的上下颠簸对传动轴具有较大的振动影响。轮胎的减震性也是传动轴的振动来源，高速的轮胎在不平路面上运动引起传动轴的振动。通过分析传动轴的振动激励源，本课题将在传动轴的三个方向增加模拟激励来实现传动轴的振动仿真。在X方向模拟给予500N的力作为激励，用step(time,2,0,3,500)的时间变化力来模拟X方向的振动，而在Y方向就使用3000N的力，作为汽车行驶路面以及轮胎所造成的振动，在Z方向上使用的是正弦的变化量来模拟来自于汽车发动机的振动，趋向于正弦振动的真实状态，所用力的公式为500sin(time)。如图3所示。图3传动轴外加激励表3.2 传动轴的模型建立打开ADAMS/View，依据数据进行传动轴的模型建立，首先建立输入轴，再建立前传动轴，两者之间建立连接，添加旋转副；建立花键，花键与前传动轴和中间轴之间添加移动副；中间轴与差速器之间也建立连接；中间支撑与所接触的轴要建立衬套连接。图3-1传动轴建模图在ADAMS/view环境中，给传动轴的三个方向激励，模拟汽车在行驶过程中所受到的激励源，分析振动特性。图3-2传动轴模型各个模块之间通过连接件准确的连接，并添加运动副，如图3-2所示，输入轴、前传动轴和中间轴相匹配。在输入轴前段添加运动也就是转速，通过各个传动轴传递动力到差速器。再在传动轴上添加外加激励，以方便进行振动分析。3.3 传动轴的振动仿真分析汽车是一个多自由度的振动体，并且要受到各种激振源的作用而发生振动，发动机就是产生振动的主要振源之一。汽车行驶时由于道路不平，气缸内的燃气压力和运动件产生的不平衡惯性力因周期性变化，都会使曲轴系统和发动机整体产生振动。使汽车以40km/h的速度行驶，传动轴运行如图3-3所示。图3-3传动轴模拟运行状态模拟如图3-3传动轴模拟运行状态，传动轴运行大约10秒，整个运动为50幅，模拟过程结束后可进入后处理应用，找到传动轴运动的数据分析。得到传动轴的振动特性图进行以下的分析。3.3.1 输入轴的振动分析首先是输入轴的振动，输入轴靠近发动机，在传动过程中振动属于较为剧烈的部位，且振动较为明显。图3-4输入轴X方向振动特性曲线传动轴的状态如图3-4所示，输入轴X方向的振动特性非常的明显，振动的波动幅度最大为1.0E-009 mm/s2，X方向的激励主要来源与路面的激励，路面的凹凸不平度造成了比较明显的振动，通过轮胎的高度旋转与地面接触，虽然有减震件，但是恶劣的行驶环境还是会导致剧烈的振动。通过图3-4可以分析出，传动轴的刚开始的振动幅度变化大，到后来幅度较大频率较为平稳。而X方向的振动激励源是通过时间变量来模拟的，模拟汽车从启动到在路面运行。输入轴Y方向的振动波动如图3-5所示，整个的Y方向的振动幅度为0.018 mm/s2，且频率为0.308Hz。Y方向激励是比较大的，汽车行驶过程中轮胎的左右不平衡是Y方向传动轴振动的一个主要振动激励源，路面的不平衡导致轮胎在高速旋转时左右两段不在同一水平线，并且还会随时改变车轮轴的轴线。同时，传动轴自身的高速旋转也会产生轴线与质心不重合，导致传动轴产生振动，这样的振动也是不可避免的。图3-5输入轴Y方向振动特性曲线输入轴Z方向的振动特性与Y方向相似，模拟激励是采用正弦变化曲线来模拟真实的激励源，输入轴Z方向振动的最大来源是汽车发动机，发动机的曲轴运转和惯性力的不平衡导致传动轴的剧烈振动，这样的振动大体上是遵循曲线变化规律的，所以使用的激励是较为准确的。如图3-6所示，输入轴振动最大幅度为0.019 mm/s2、频率为0.308Hz，传动轴的自身旋转造成的振动也是输入轴Z方向振动的激励源。图3-6输入轴Z方向振动特性曲线三个方向的振动情况是不一样的，每个方向都有自己的振动特性，通过比较分析，输入轴在X方向上的振动比在Y方向与Z方向的振动要平缓一点。汽车在行驶过程中，路面的好坏对于汽车的内部结构具有较大的影响，汽车轮胎的振动，传动轴旋转轴线与质心不重合和发动机也是传动轴振动的主要来源。图3-7输入轴振动特性曲线图3-7表示为三个方向上的在空间的振动数据，公式为a=X2+Y2+Z 2。振动幅度最大为0.02025 mm/s2，是对于传动轴空间三个方向的振动特性的集中表现，通过三个方向的激励模拟发动机的振动、路面的不平衡、轮胎的这振动以及传动轴自身的振动，可以得出输入轴在空间的振动是不平衡的，直接影响汽车的平顺性和运行的舒适性。3.3.2 前传动轴的振动分析输入轴传递动力到前传动轴，前传动轴的振动与输入轴的振动特性是不相同的。图3-8前传动轴X方向振动特性曲线从发动机到变速器连接的输入轴，对于轴的影响很大，前传动轴连接输入轴，振动特性如图3-8所示，前传动轴的振动幅度比较之前的输入轴要大很多，振动最大幅度为125 mm/s2，但是振动随之减小，前传动轴位于输入轴与中间轴之间，在X方向的振动易受到两轴的干扰，波动变化也具有滞后性，扭曲程度较大，所以，路面激励造成的振动波动较大，而且由于激励和结构位置复杂导致了前传动轴X方向的振动特性较为复杂。前传动轴的振动特性不是很明显，如图3-9，整个前传动轴在这个方向的振动变化较大，振动最大幅度为26000mm/s2。在Y方向原有的激励源是轮胎高速旋转造成的轴线不在水平线造成的振动，传动轴的质心与轴线不重合导致的自身振动。图3-9前传动轴Y方向振动特性曲线通过分析图3-10，振动特性一开始是非常突出的，振动最大幅度为700mm/s2，在Z方向的激励源是发动机的惯性力与曲轴的振动不平衡导致的，刚启动的发动机的振动对于前传动轴的振动影响大，前传动轴弯曲曲线较大，刚启动的时候惯性较大，引起的振动幅度大，待传动轴运行平稳后振动变得随正弦曲线的运动，传动轴自身的旋转引起的振动影响了由发动机引起的曲线振动。图3-10前传动轴Z方向振动特性曲线在三个方向上振动模拟，在X方向与Y方向的振动不是很大，由于前传动轴位于中间位置，从结构上看，在受到X方向上的振动和Y方向上的振动激励时，传动轴的振动是很小的，但在Z方向上，受到发动机振动影响是不可避免的。图3-11前传动轴振动特性曲线如图3-11所示，前传动轴在刚开始振动的幅度非常大，振动最大幅度为27000mm/s2，传动轴运动过程中，振动越渐平缓，其中大部分原因是前传动轴的位置在结构衔接处，振动不易被引起，但是一经引起振动，那么振动幅度将会非常的巨大，在运动过程中处于底盘，极易造成碰撞和刮碰，非常的危险。所以在传动轴结构中前传动轴的设计应该加大刚度与强度，使其不易变形和损坏，并减其质量利用高强度的材料，有效降低振动和变形损坏。3.3.3 中间轴的振动分析中间轴在结构上位于传动轴后面，连接差速器与前传动轴振动与前两轴不同，有明显的传动特点。图2-12中间轴X方向振动特性曲线中间轴的特点是连接前传动轴与差速器，其振动特点如图3-12所示，振动最大幅度为11mm/s2，图中的中间轴X方向振动没有太大的突出幅度，只是在刚开始的振动有剧变，因为带动差速器的启动遇到的扭转阻力，引起振动波动。中间轴位置靠后，差速器和衔接的车轮对于它的振动影响较大，中间轴的振动特性在X轴方向振动幅度平缓。在X方向上的振动原因是发动机的不平衡激励以及不平路面造成的机械缓冲。由于中间轴离发动机较远，所以发动机的振动影响没有轮胎传递的振动影响大。对于Y轴方向的振动，在图3-13所示，中间轴的振动比较平缓，振动最大幅度为10000mm/s2。中间轴结构的设计决定了所受的振动在Y方向是比较小，通常在这个方向的激励源是左右轮胎的轴线不在水平线的位置还会经常改变角度以及传动轴自身的振动，但是通过前传动轴与差速器的空间减缓，到中间轴Y轴的振动特性就很微弱了。图3-13中间轴Y方向振动特性曲线如图3-14所示，在中间轴Z方向振动的特性波动性大，振动幅度变化剧烈，振动最大幅度为275mm/s2。所受机械振动的影响较大，在Z方向的振动是发动机的曲轴振动和运动惯性力造成的。在结构中，中间轴的自身旋转造成的振动对于机械振动的干扰，振动机械波不遵循曲线的波动性，正是两个激励源的相互干扰造成的，中间轴Z方向的振动启动时是有一个大的波动，传动轴启动惯性力是非常大的，所以造成的振动幅度有一个突变。图3-14中间轴Z方向振动特性曲线中间传动轴在X方向与Z方向的传动振动比较Y方向的明显，在汽车行驶过程中，中间传动轴的振动主要在于X方向与Z方向中，在传动轴运行过程中，中间传动轴后接差速器在振动中，受路面的高低不平衡度的影响很大，在传输动力与扭矩时受到路面阻力的波动影响，使得中间轴在X方向与Z方向的振动明显。中间轴的空间振动如图3-15所示，振动最大幅度为10000mm/s2，基本上是趋于平缓的。图3-15中间轴振动特性曲线3.4 传动轴优化分析在以上本课题的模拟得出的振动特性曲线，整体传动轴的振动是不可避免的，外在的激励也不会无辜消失，这就影响了传动轴的传递扭矩与动力的性能，传动轴的振动幅度最大达到27000mm/s2，影响汽车的安全行驶，在本课题中将对传动轴进行优化，使汽车传动轴振动对整车的影响降到最低。通过对传动轴的振动模拟，清楚的观察出传动轴振动特性曲线，传动轴的振动在汽车行驶过程中存在安全隐患。所以，通过对传动轴的振动分析，将进行简单的优化设计，优化传动轴的方法有很多种，可以通过传动轴结构、材料以及设计等。此次则通过加强连接件刚度，来实现优化传动轴，对原先的刚度加强一倍进行模拟。优化后的振动分析：图3-16传动轴花键对于传动轴的优化，在结构上本课题就是对传动轴的连接件进行刚度的加强，如图3-16传动轴花键的加强，有利于传动轴整个结构的优化并能加强传动轴间的连接刚度，有效的减少传动轴本身的结构变化导致的变形，还能降低传动轴自身的振动。在输入轴与前传动轴之间的连接件也是加强的的部件，轴与轴之间的连接刚度的加强，对传动轴的结构加强有很大的帮助，将传动轴的运动轴线与传动轴的质心重合，且不易改变。减少传动轴的本身高速旋转时旋转轴线与质心不重合造成的振动，是优化传动轴很好的方案，本课题也是利用这一点进行汽车传动轴的优化，并进行模拟分析，得出优化结果。3.4.1 输入轴优化分析经过结构优化后，以同样的行车速度进行仿真模拟，外加的激励也和未优化前的模拟激励源一样，保证优化模拟的可比性，仿真模拟得到的振动特性图如下所示。图3-17输入轴X方向振动特性曲线优化过后的传动轴输入轴的X方向振动如图3-17所示，在与未优化前的输入轴振动特性相比，振动幅度最大为1.6E-009 mm/s2，振动频率也变得小了些，整体的振动特性趋势是没有什么明显的变化。如图3-18所示，优化过后的振动特性与没有优化的Y方向的振动几乎没有改变，振动幅度最大为0.019 mm/s2，频率为0.308Hz。模拟的振动特性几乎一样的，此项优化对于输入轴Y方向振动没有影响。图3-18输入轴Y方向振动特性曲线如图3-19所示，同样优化后的Z方向振动与先前的振动特性大体上是一样的，振动幅度最大为0.018 mm/s2，频率为0.308Hz。在Z轴上与在Y轴上的输入轴振动都没有多少变化。Z轴上的主要激励源是发动机的曲轴和惯性力不平衡，在结构上的优化特别是刚度的加强不能有效的减少传动轴振动。图3-19输入轴Z方向振动特性曲线跟未优化前的传动轴的输入轴振动模拟相比，三个方向的振动变化不是很明显，但是在空间的振动频率降低了，高峰值的振动减少了大约10%左右，振动幅度最大为0.018 mm/s2，频率为0.308Hz。虽然在Y方向和X方向的振动未有改变，在空间的变化是显而易见的，如图3-20所示，传动轴在空间的振动是有降低的，振动的幅度降低不是很明显，在输入轴的优化是有效果的。并且振动的突变量也是减缓的，对于汽车行驶的安全以及平顺性能有良好的提高，把输入轴的振动降低也能总体上影响传动轴的振动特性。图3-20输入轴振动特性曲线3.4.2 前传动轴优化分析前传动轴的振动如图3-21前所示，在X方向上前传动轴的振动是平缓的，振动幅度最大为125mm/s2，相比于未优化前的前传动轴X方向的振动有了明显的改善，因为在前传动轴的两端都加强了连接件的刚度，不仅能在传动轴高速旋转时减少传动轴弯曲变形，保证传动轴运动轴线与质心在同一线上，平缓的曲线表示汽车在刚启动的时候，由于刚度的加强，汽车刚启动时突变的振动减少。图3-21前传动轴X方向振动特性曲线在前传动轴的振动特性曲线上，如图3-22所示，曲线趋于平缓，振动幅度最大为7.5mm/s2，没有突出的波动幅度，相比于未优化前的传动轴Y方向的振动，有了较大的改变，传动轴的振动显示几乎没有。比较与先前的振动特性，优化的效果是有的，能说明优化在前传动轴Y方向是可行的。图3-22前传动轴Y方向振动特性曲线在Z方向上的振动，图3-23所示前传动轴Z方向振动明显的比还没有改进前的平缓，振动幅度最大为165mm/s2。在未优化前，前传动轴Z方向振动是非常的明显，虽然振动幅度不大，但是振动的曲线是波动曲线，振动结果也是突出的。加强结构刚度，对于在传动轴结构之间的前传动轴提高的减少振动能力是非常有效的，限制传动轴形变，还提高传动轴的传递扭矩和动力的能力。图3-23前传动轴Z方向振动特性曲线前传动轴在空间的振动是比较平缓的，优化后的前传动轴振动在各个方向是有差别的，在个别方向上是有好的减缓振动的效果，改进后的前传动轴，振动明显减少，在X方向与Y方向比未改进前都没有明显的振动，但Z轴的振动有很大程度的减少。图3-24前传动轴振动表示的振动特性是平缓的与未优化前是一样的，振动幅度最大为210mm/s2，振动趋势是比较平缓，在减少传动轴某个方向出现大的振动波动是有效的，使前传动轴耐久性增强。图3-24前传动轴振动特性曲线3.4.3 中间轴优化分析中间轴在传动轴结构中位于最后端，接连差速器，在结构连接上相似于输入轴，又明显的与输入轴的振动特性不同，如图3-25所示，跟没有优化的中间轴X方向振动比较，振动幅度最大为2.5mm/s2，在平稳运行后就更加的平缓。在中间轴X方向的激励源是路面的不平度影响了汽车的稳定，导致传动轴的X方向波动阻力增大，形成振动，通过优化，减少传动轴的X方向振动。图3-25中间轴X方向振动特性曲线如图3-26所示，优化后的中间轴与未优化的中间轴在Y方向的振动是相似的，振动幅度最大为3.24mm/s2，光是加强连接件的刚度是不能明显改变中间轴Y方向的振动特性的，通过其他方式或能够减少传动轴的振动，如材料的选择、结构的变化等。图3-26中间轴Y方向振动特性曲线中间轴在Z方向的振动，汽车启动时的振动幅度是极大的，在优化过后，如图3-27所示，中间轴的振动是非常平稳的，振动幅度最大为65mm/s2，启动时的波动相比先前的也小了许多，在Z方向的振动，经过输入轴及前传动轴的刚度加强，削弱了原先的振动特性曲线，中间轴的振动明显改善改善。图3-27中间轴Z方向振动特性曲线如图3-28所示，比较没有改进前的启动波动幅度，在改进后幅度大大减小，振动幅度最大为67mm/s2。中间轴的振动有较好的改变，在X方向和Z方向的振动都趋于平稳，而Y方向的振动变化不是很大，但是整体的振动得到良好改善。图3-28中间轴振动特性曲线 第四章 结论与展望4 结论与展望本课题采用的传动轴是后置后驱的轿车传动轴，结构是又输入轴、前传动轴、中间轴以及花键组成。汽车传动轴连接动力，传递扭矩和动力，在输出与输入间搭建桥梁，在恶劣的环境中高负荷运行，除了会因疲劳失去耐久性，传动轴的振动也危害汽车安全。传动轴作为汽车传动系统的重要零部件，在汽车行驶过程中起到传递转速和扭矩的作用。由于自身结构的特点使其振动频率较低、刚度小，万向节附加力矩的存在等，传动轴高速运转时不可避免地存在振动现象，对整车的平顺性、舒适性能和动力性能有着重要影响，因此对传动轴总成的振动分析研究具有重要的意义。引起汽车传动轴振动的原因，是由很多方面造成的。传动轴在运行时会受到发动机的影响，发动机的曲轴运转和发动机气缸内的惯性力引起的动不平衡造成汽车传动轴曲线性振动。路面的不平度也是传动轴振动的原因，路面的不平衡对整车的平顺性有直接的影响，汽车行驶时的上下颠簸对传动轴具有较大的振动影响。轮胎的减震性也是传动轴的振动来源，高速的轮胎在不平路面上运动，自身的弹跳会引起传动轴的振动。汽车传动轴的自身也会产生振动，传动轴在运转时，自身的运动轴线与传动轴质心不在同一直线造成传动轴的振动。本课题运用ADAMS在ADAMS/View平台建立了汽车传动轴动力学模型，并在动平衡激励条件下，对模型进行了仿真分析，在三个方向对传动轴进行激励模拟汽车运行时传动轴受到的振动激励。根据振动的特性曲线图，分析出汽车传动轴的各个部分存在振动，不同振动激励源最终在传动轴成了合成振动，模拟振动的结果符合预期，并分析了传动轴的振动特性，造成传动轴振动原因。经过模拟传动轴的振动，分析了振动特性，本课题还对传动轴进行了优化，利用优化来减少振动。课题采用的是加强传动轴连接件刚度的优化方案，通过加强刚度设计，并对传动轴进行同等条件下的振动模拟分析，经过两种振动结果的对比，分析出加强刚度的优化方案可在一定程度上优化传动轴，可以有效的减少传动轴的振动，大大减小振动的波动幅度，优化方案是有效的。本课题通过对单根传动轴的振动分析来研究传动轴的振动情况，并对传动轴进行优化设计，得出外在激励对传动轴振动的影响规律，合理的优化设计，丰富了传动轴系统振动研究的内容。但普遍认为传动轴系统的振动是一个复杂、涉及知识广泛的研究课题，由于时间和能力有限，本课题仍有许多不足，希望在后续研究中可以进一步完善问题。传动轴的振动危害是显而易见的，振动不仅能造成传动轴的损坏，还能影响汽车整体的平顺性、舒适性以及运行的稳定性。传动轴系统的振动不止与传动轴本身的结构、运动等有关系，其他如发动机、离合器、变速器、车辆后桥、车轮、路面情况等因素都有关系，后续研究中希望能从车辆的整个传动系统入手，考虑以上因素综合研究传动系统的振动对整车振动的影响。对于汽车传动轴的优化现在的选择有很多，结构设计上的优化、传动轴材料的研发、零部件的革新都是能够有效解决传动轴振动问题，在此我们也希望传动轴的发展会越来越好。 参考文献参考文献1 刘同富,张宝,宋加伟,齐佩欣. 基于ADAMS的汽车传动轴振动现象仿真分析J. 轻型汽车技术,2014,23(5).2 曾锐. 汽车动力传动系扭振分析及其对车辆振动影响研究D.西南交通大学,2014.3 赵高飞,孙小进,裴云天. 基于Adams的传动轴的柔性分析J. 制造业自动化,2012,15. 4 赵良红. 汽车传动轴弯曲振动分析J. 价值工程，2011(17).5 刘惟信. 汽车设计M.北京：清华大学出版社，20016 王浩. 汽车动力传动系振动特性研究与分析D.合肥工业大学,2013.7 董春兰. 汽车传动轴的建模与分析J. 中国高新技术企业，2013（09）.8 朱卓选. 高扭转刚度汽车传动轴设计研究J. 上海汽车,2015(05).9 王恩伟. 浅析汽车传动轴零件的标准化设计J. 黑龙江科技信息，2011(11)10 濮良贵，纪名刚. 机械设计M北京：高等教育出版社，200511 白俊江. 微型汽车传动轴动力特性对整车振动影响的研究D.武汉理工大学,2011.12 曹兴盛. 各因素对微车传动轴弯扭振动情况影响的研究D.武汉理工大学,2012.13 胡乃杰. 微车用传动轴振动分析与改进设计D.武汉理工大学,2011.14 刘永军,许超楠,张秀明等. 传动轴动平衡对其振动特性影响分析J. 汽车工程师,2015（12）.15刘青云. 自卸汽车异常振动研究D.青岛大学,2006.16刘岩,张成宝,隗海林. 汽车高速振动激励的分析J. 重型汽车,1999,(06).17雷玉莲. 基于虚拟样机技术的汽车传动轴振动研究D.重庆大学,2013. 致谢致 谢本课题是在我的指导老师智淑亚老师的监督与指导下完成的，她对于我的帮助是巨大的，用科学的态度和严谨的治学方式，指导我从选择课题到最终的完成。基于ADAMS软件的运用到后来的仿真，离不开智老师的指导和同学们的帮助，智老师不仅给予我很多的帮助，还启发了我对于创新的灵感，在本课题的论文修改中，狄凡与英明同学给予我很大的帮助，在软件运用也给了我很多建设性意见。在本课题的研究中，我体会了互相学习的乐趣与被老师关怀的感动。在设计的过程中，我也遇到了比较大的困难，如果没有同学们和智老师的帮助和指导，我会很难完成自己的课题研究，我要感谢智老师给予我的指导和不懈的支持，还要感谢在做毕业设计过程中与各位同学的相互探讨与学习，通过不停的查阅资料以及不懂就问的谦虚心理，积极主动的寻求帮助，最终解决了这些困难和问题。在老师和同学的帮助下，为我提供了很多有价值的参考文献及重点专业知识，正是他们在学习中给我的帮助，有了她们的鼓励，我才能坚持下来，在此向智老师和同学们致以诚挚的谢意。在最后，我要感谢辅导员和我的室友们，是他们陪我度过了青春最美妙的四年时光。谢谢。30