独立悬架中转向驱动轴布置的仿真优化

　　1 前言

　　为了保证车辆有更好的动力性与操纵性，前驱动轿车的前轮必须具有转向和驱动两种功能。作为转向轮，要求车轮能在一定的转角范围内，角度可任意偏转;作为驱动轮，则要求半轴在车轮偏转过程中以相同的角速度不断地把动力从主减速器传到车轮。等速万向节(Constant Velocity Universal Joint，CVJ)将车轮和半轴两者联接起来，使两轴以相同的角速度传递运动。

　　非独立悬架的驱动轴只需要在轮毂附近装一个定心等速万向节(以下称外万向节)，在现代汽车上，驱动 (桥)轴不能制成整体而要分段，而独立悬架驱动轴在靠近差速器处还需要一个轴向滑移型等速万向节(以下称内万向节)。

　　对于转向驱动轮，由于左、右半轴间的夹角要随转向需要而改变，最大夹角往往在30度以上。这使得驱动轴内万向节的轴向滑移和角度变化都非常大。轴向滑移和角度变化不仅会产生滑动阻力，影响动力传递。还会带来振动和噪声，影响乘坐、驾驶舒适性，缩短万向节的使用寿命。除了选用不同结构的等速万向节外，还可以优化万向节的位置来减少驱动轴的振动和噪音。

　　国内有人做过关于驱动轴的研究工作，但是主要研究了单个驱动轴的性能，而不是从悬架总成甚至整车的角度来考虑设计驱动轴。本文应用MSC ADAMS建立某前驱汽车的前悬架动力学分析模型，对影响驱动轴运动特性的因素进行了全面考虑，考察驱动轴内万向节的运动特性，再对驱动轴外万向节位置进行优化，从而得到驱动轴的最优位置。

　　引入多体动力学分析软件对驱动轴运动性能进行仿真分析，并在分析结果的基础上对驱动轴进行位置的优化，就可快速了解所设计驱动轴的技术性能，并根据优化结果来指导设计工作。

　　2 悬架多体动力学分析模型的建立

　　多体动力学是虚拟样机技术的理论基础，在多体动力学建模方法中，拉格朗日乘子法是常用的方法之一。选择每个刚体质心的笛卡尔坐标和描述刚体方位的欧拉角，作为系统的广义坐标q，根据系统的拓扑结构，建立如下约束方程：

　　Φ(q,t)=0 Φ∈Rm (1)

　　θ(q, q,t)=0 θ∈Rm (2)

　　式中，m为约束方程数。

　　对于完整约束方程，Φ(q,t)=0 ;而对于非完整约束方程，θ(q, q,t)= 0。

　　并计算出系统的雅可比矩阵Φq和θq，则得到系统的动力学方程为：

　　式中：T为系统的动能;q为系统的广义坐标向量;Fq为广义力列向量;λ1为对应于完整约束的拉格朗日乘子列向量;λ2 为对应于非完整约束的拉格朗日乘子列向量;Φq为对应于完整约束的雅可比矩阵的转置矩阵;ΦTq为对应于非完整约束的雅可比矩阵的转置矩阵。