一种基于参数化模型的等速万向节传递效率预测方法

技术领域

本发明属于万向节领域，尤其涉及一种基于参数化模型的等速万向节传递效率预测方法。

背景技术

汽车转向驱动桥中，前轮既是驱动轮，又是转向轮，转向时偏转角度很大，最大可达40°以上，这时就不能采用传统的、偏转角度很小的普通万向节了。必须采用偏转角度大、动力传输平稳、角速度均匀的等速万向节才能满足要求。等速万向节是将轴间有夹角或相互位置有变化的两轴连接起来，并使两轴以相同的角速度传递动力的装置，它可以克服普通十字轴式万向节存在的不等速性问题。

传动系统的转矩传递效率一直以来都是研究的热点，与发动机，变速箱的转矩损失相比，驱动轴的转矩损失相对小很多，但随着各大车企对驱动轴传递效率的关注，近年也有一些相关的研究。在已有的文献中，主要从计算或试验的角度对万向节的传递效率进行了相关分析，而没有人从多体动力学仿真的角度入手，而从作者的角度来看，用多体动力学仿真的方法对于万向节转矩传递效率进行研究非常适合。

以往对等速万向节的设计过程中，需要进行打样的样件试制和台架试验验证。在仿真技术普及后，我们可以用运动学仿真的方式节省样件和台架试验的成本，但每次需要运行一遍仿真程序得到仿真结果。如果由给定的尺寸参数和运行工况参数直接以多项式的方式给出转矩传递效率的预测结果，将更有利于设计工作的进行，节省程序运行的时间成本。

在已有的研究中，虽然Takeo Yamanoto等在《Efficiency of Constant VelocityUniversal Joints，SAE Technical Paper 930906，1993》中对万向节的传递效率给出了粗略的计算方法，但计算结果不够准确。本发明通过建立多体动力学参数化模型的方式对转矩传递效率进行计算，并进一步给出了转矩传递效率的响应面模型预测方法，能更加便捷地得到给定尺寸参数的等速万向节的转矩传递效率。

发明内容

本发明考虑了等速万向节中对传递效率有影响的尺寸参数，提出了一种基于参数化模型的等速万向节传递效率预测方法。该方法建立了等速万向节的多体动力学参数化模型，结合等速万向节的该参数化模型，得到仿真数据，并结合数据通过响应面法得到尺寸参数对等速万向节扭矩传递效率的影响，尺寸参数包括PCR，压力角，相似度，偏心距等，从而得到多因素响应面预测模型。得到了尺寸参数对转矩传递效率的影响，可以由预测模型得到不同尺寸参数对应的传递效率，很大程度上削减了样品制作和台架试验的成本，可以对等速万向节的尺寸设计提供参考。

为了实现上述目的，本发明所述的一种基于参数化模型的等速万向节传递效率预测方法，包含以下步骤：

将万向节的几何参数、接触参数和摩擦参数采用设计变量代替，建立等速万向节的多体动力学参数化模型；

确定对传递效率有影响的尺寸参数以及工况参数，并确定参数的取值变化范围，然后针对等速万向节转矩传递效率，设计仿真方案；

根据所设计的仿真方案进行仿真，得到转矩传递效率数据；

使用响应面分析法，对等速万向节的尺寸参数进行分析，得到相应的响应面预测模型；

运行响应面预测模型，得到响应面图形，通过响应面图形得到传递效率。

对本发明方案的进一步改进，在建立等速万向节的多体动力学参数化模型后还包括对多体动力学参数化模型的验证步骤，所述验证步骤包括：

针对不同工况对相应的等速万向节进行转矩传递效率台架试验，得到各工况下的转矩传递效率试验结果；

为多体动力学参数化模型选定接触模型和摩擦模型，计算接触参数和摩擦参数，进行仿真，得到转矩传递效率仿真结果，通过转矩传递效率试验结果和转矩传递效率仿真结果的比较结果来进行验证。

对本发明方案的进一步改进，转矩传递效率的计算公式为：

式中，T

对本发明方案的进一步改进，所述摩擦模型为库伦摩擦模型。

对本发明方案的进一步改进，所述接触模型中接触力大小为：

式中，k为接触刚度、x

对本发明方案的进一步改进，所述尺寸参数包括节圆半径PCR，压力角，偏心距和相似度。

对本发明方案的进一步改进，所述工况参数包括转矩和工作角度。

对本发明方案的进一步改进，所述确定参数的取值变化范围中，根据Box-Behnken设计准则将各参数的取值变化范围划分为3个水平。

对本发明方案的进一步改进，所述设计仿真方案中，在设计得到仿真方案后，将仿真方案编辑为仿真流程脚本文件。

对本发明方案的进一步改进，所述响应面预测模型为：

其中，x

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

1)通过建立多体动力学参数化模型，而不是直接导入三维模型进行计算，使用参数化模型可以更方便地实时改变模型的尺寸参数，而不是建立很多个尺寸不同的多体动力学参数化模型。

2)仿真流程可以使用脚本文件控制，将转速，扭矩等工况参数化，可以在一个仿真流程后得到多组仿真数据。

3)由给定的尺寸参数和运行工况参数通过响应面预测模型即可便捷得到转矩传递效率的预测结果，不需要运行Adams仿真程序，将更有利于设计工作的进行，节省程序运行的时间成本。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是一种高效率球笼式等速万向节剖面示意图。

图3是参数化建模的流程示意图。

图4是部分脚本文件示意图。

图5是转矩传递效率试验和仿真结果对比图。

图6是节圆半径PCR和压力角对传递效率影响的响应面图。

图7是偏心距和压力角对传递效率影响的响应面图。

图8是工作角度和转矩对传递效率影响的响应面图。

图9是工作角度和相似度对传递效率影响的响应面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，本发明提供的一种基于参数化模型的等速万向节传递效率预测方法，包括以下步骤：

步骤1：在ADAMS中建立等速万向节的多体动力学参数化模型。

在Adams中建立参数化模型，而不是导入三维模型进行计算，使用参数化模型可以更方便地实时改变模型的尺寸参数，而不是建立很多个尺寸不同的多体动力学参数化模型。使用参数化模型的另一个好处是，仿真流程可以使用脚本文件控制，将转速，扭矩等工况参数化，可以在一个仿真流程后得到多组仿真数据。

在本发其中一个实施例中，请参阅图3，本步骤具体包括以下子步骤：

步骤1.1：以CATIA三维模型中的尺寸为基础，建立ADAMS多体动力学参数化模型，等速万向节的剖面图如图2所示，多体动力学参数化模型中包括球笼式等速万向节的所有部件；

步骤1.2：设置符合实际运动学特征的运动副，接触等，将几何参数、接触和摩擦参数用设计变量代替，包括节圆半径PCR、压力角、偏心距、相似度、力指数、最大阻尼系数、穿透深度和摩擦系数；

步骤1.3：在建模过程中，结合定义的设计变量，先找准基准点的坐标，然后建立运动学方程组，对模型中其他的特征点坐标进行计算，使得模型中所有MARKER点的坐标都由设计变量表示，得到多体动力学参数化模型。

得到参数化模型后，编写仿真运行脚本，使得仿真过程可以自动化，脚本文件示意图如图4所示。

步骤2：确定对传递效率有影响的尺寸参数以及工况参数，并确定参数的取值变化范围，然后针对等速万向节转矩传递效率，设计仿真方案。

根据实际生产中的重要尺寸，确定传递效率的相关尺寸影响因素，并确定需要探究的各个尺寸的取值范围，针对此等速万向节转矩传递效率，设计仿真方案。仿真方案除了有不同尺寸参数，也包括对不同工况下的仿真。然后将仿真方案编辑为仿真流程脚本文件，一次仿真流程就能得到所有需要的仿真数据。

脚本文件用Adams自有的高级汇编语言编写，用来控制参数化模型的仿真流程，在仿真过程中自动改变尺寸参数和工况参数，很大程度上节省了建模的时间和人为控制仿真流程的时间。非常适合用于如本发明中的探究既定工况和尺寸参数的仿真流程中。

在本发明其中一个实施例中，节圆半径PCR，压力角，偏心距，相似度等4个为尺寸参数，转矩，工作角度等2个参数为工况参数。

在本发明其中一个实施例中，根据Box-Behnken试验设计方法，针对PCR、压力角、偏心距、相似度、转矩和工作角度6个因素安排54组仿真结果，这6个因素的取值范围如表1所示：

表1六因素取值范围

在本发明其中一个具体实施例中，范围的具体取值如下表2：

表2参数水平

步骤3：运行仿真脚本，进行仿真，得到转矩传递效率数据。

调整好参数化模型和仿真方案后，在模型中运行编辑好的仿真脚本文件。程序运行结束后，整理得到不同工况下、不同尺寸的转矩传递效率数据。

结合参数化模型和脚本仿真极大程度上简化了仿真运行步骤和流程。

步骤4：使用响应面分析法，对等速万向节的关键尺寸参数节圆半径PCR、压力角、偏心距和相似度进行分析，分别得到相应的响应面预测模型，并以多项式的方式呈现。响应面预测模型的多项式表达为：

其中，x

本步骤中，可以采用不同工况和不同尺寸参数的组合来验证已经得到的响应面预测模型，得到仿真结果与预测值，与相同工况下仿真结果对比，发现预测值和仿真值足够接近，证明了响应面预测模型的准确性，如表3所示。

表3预测值示例

步骤5：输入参数后运行响应面预测模型，得到响应面图形，通过响应面图形即可得到传递效率。

此时响应面模型为：

式中，f为目标或约束的近似函数，表示响应面；ε为误差项；L为奇函数的个数；φ

凭借响应面预测模型，可以得到可视化较强的响应面图形，能直观地看到各个因素对转矩传递效率的影响。在本发明其中一个实施例中，节圆半径PCR和压力角对传递效率的影响响应面如图6所示，偏心距和压力角对传递效率影响响应面如图7所示，工作角度和转矩对传递效率影响响应面如图8所示，工作角度和相似度对传递效率影响响应面如图9所示。这四个响应面可以直观地反映当其他因素不变时，任意两个选定参数对传递效率大小的影响。如图6中可以看出，节圆半径越大，压力角越大，传递效率越小，且可以看出两种尺寸参数影响幅度大小。

本发明通过响应面分析探究了尺寸参数对转矩传递效率的影响，可以由响应面预测模型得到不同尺寸参数对应的传递效率，很大程度上削减了样品制作和台架试验的成本，可以对等速万向节的尺寸设计提供参考。

在本发明其中一个实施例中，为了验证本发明提供的多体动力学参数化模型是可行的，还提供了对多体动力学参数化模型的验证步骤。验证步骤具体如下：

步骤100：对等速万向节进行转矩传递效率台架试验：根据试验标准，针对不同工况对相应等速万向节进行转矩传递效率台架试验，转矩设置为200N.m，400N.m，600N.m三个等级，转速设置为200rpm，600rpm，1000rpm三个等级，固定节根据不同工况施加2°，4°，6°，8°，10°摆角，最后得出同一工作角度，不同转矩和转速工况下的转矩传递效率的平均值，转矩传递效率的试验结果如图5所示。

其中，转矩传递效率的计算公式为：

式中，T

步骤200：对多体动力学参数化模型的相关参数进行计算，为多体动力学参数化模型选定接触模型和摩擦模型，对接触参数中的接触刚度通过赫兹接触理论进行计算，摩擦参数则在油脂供应商提供的动摩擦系数的基础上进行多次试验验证拟合。在得到接触参数和摩擦参数之后输入多体动力学参数化模型，调整好模型后进行不同工况下的仿真，测量得到输入转矩和输出转矩数值，最终计算出转矩传递效率仿真结果。

在本发明其中一个实施例中，所述摩擦模型和接触模型分别为库伦摩擦模型和Adams自有的接触模型，这两种模型应用广泛，能准确反映等速万向节各部件之间的摩擦和接触情况。

在接触模型中，接触力大小为：

式中，k为接触刚度、x

其中，当x>x

将仿真结果和试验结果进行对比，如图5所示，转矩传递效率的试验结果和仿真计算结果间的相关系数高达0.994，说明了本发明所建立的多体动力学参数化模型具有很高的准确性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。