一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法技术

本发明专利技术公开了一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法，包括以下步骤：步骤1、基于多体动力学分析软件ADAMS，建立球笼节的多体动力学模型；步骤2、设置含有摩擦的接触对的摩擦参数和接触参数；步骤3、施加约束和载荷；步骤4、由多体动力学模型计算万向节传递效率；步骤5、建立代理模型；步骤6、基于Sobol’灵敏度分析方法和代理模型，定量分析钢球半径、圆心角、工作角度、接触刚度、力指数和摩擦系数对传递效率的影响大小，并对各影响因素对传递效率的影响大小进行排序，将灵敏度的分析结果作为汽车球笼节的设计和优化做指导。

【技术实现步骤摘要】
一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法
本专利技术涉及汽车驱动轴系统传递效率的计算和分析方法，具体涉及一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法。
技术介绍
随着现在社会环保意识的增强，降低汽车油耗和提高汽车传动效率成为了汽车研究的一个重要方向。汽车的驱动轴系统是汽车传动系统中的一个重要组成部分，其传递效率影响着汽车传动系统的传递效率。在驱动轴系统的两端，通常包含两种等速万向节：球笼节和三销轴式等速万向节(简称三销节)。由于三销节内部的摩擦主要为其球环和滚道的滑动摩擦，而球笼节内部的摩擦主要为其保持架和星形套以及保持架和钟形壳之间的滑动摩擦，因此，球笼节内部的摩擦损失比三销节的大，其传递效率远比三销节的低。提高球笼节的传递效率也因此成为了提高驱动轴系统传递效率的首要任务。基于球笼节(万向节)的运动分析，Yamamoto(T,Yamamoto,T.Matsuda,andN.Okano.EfficiencyofConstantVelocityUniversalJoints.SAETechnicalPapersNo.930906,1993.)等推导了球笼节传递效率的计算公式，并分析了传递效率损失的各组成部分。通过传递效率试验和钟形壳表面的温度测试，Wakita等(A.WakitaandK.Sone.HighEfficiencyCompactFixedConstantVelocityUniversalJoints(EBJ).SAETechnicalPapersNo.1999-01-0748,1999.)对比分析了高效率球笼式万向节和球笼节的传递效率和温升情况。Mondragon-Parra等(E.Mondragon-ParraandG.Ambrose.InfluenceofGreaseinMechanicalEfficiencyofConstantVelocityJoints.SAETechnicalPapersNo.2016-01-1132,2016)测试了在不同工况下不同类型球笼节的传递效率，分析了滚道数、滚道形状、工作角度、负载转矩、万向节转速和润滑脂等对球笼节传递效率的影响。为了更准确地测试万向节的传递效率，基于热损失分析，Biermann等(J.W.Biermann.MeasurementSystemforCVJointEfficiency.SAETechnicalPapersNo.1999-01-0936,1999.)介绍了一种万向节传递效率的测试方法，测试了万向节在不同工况下的传递效率。综上所述，在研究球笼节的传递效率时，很多研究人员只是考虑了万向节类型、负载转矩、转速、工作角度以及润滑脂对传递效率的影响，而没有考虑万向节内部接触参数对传递效率的影响。球笼节内部的接触参数会影响各部件之间的接触力和接触应力等，从而影响万向节的传递效率。此外，很多研究人员只是对各影响因素对传递效率的影响进行了定性分析，但是定性分析不能确定各影响因素对传递效率的影响大小。在实际工程中，通常技术人员采用球笼节的多体动力学模型来计算和分析球笼节的传递效率。然而，每分析一款球笼节的传递效率，都需要建立该球笼节的多体动力学模型，而这个过程很耗费时间。因此，需要建立一个更全面和高效的球笼节传递效率计算模型，并分析在各影响因素下传递效率的灵敏度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种汽车球笼节传递效率的更有效计算和分析方法，给降低球笼节及驱动轴系统的传递效率提供指导。本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法，包括以下步骤：步骤1、基于多体动力学分析软件，建立万向节的多体动力学模型；步骤2、设置含有摩擦的接触对的摩擦参数和接触参数；步骤3、对多体动力学模型施加约束和载荷；步骤4、由多体动力学模型得到万向节传递效率；步骤5、建立构造万向节传递效率损失率的代理模型；步骤6、基于Sobol’灵敏度分析方法和代理模型，定量分析钢球半径、圆心角、工作角度、接触刚度、力指数和摩擦系数对传递效率的影响大小，并对各影响因素对传递效率的影响大小进行排序，得到球笼节传递效率损失率的代理模型的灵敏度。优选的，多体动力学模型中包含五种刚体结构，分别为钢球、星形套、钟形壳、保持架和驱动轴。优选的，步骤2是在星形套外球面和保持架内球面、保持架外球面和钟形壳内球面、钢球和星形套滚道、钢球和钟形壳滚道以及钢球和保持架之间建立含有摩擦的接触对。优选的，步骤2具体为在多体动力学分析软件ADAMS的Forces模块中，选择SolidtoSolid来表示接触对的接触类型，接触对的摩擦力和法向接触力分别选择Coulomb函数和Impact函数来表征；Impact函数中的接触刚度(Stiffness)和力指数(Forceexponent)通过赫兹理论来获得。优选的，步骤3是通过ADAMS中的Connectors模块，在驱动轴的一端和星形套之间建立固定副约束；在驱动轴的另一端和大地(Ground)之间建立球副约束；在钟形壳尾端和大地(Ground)之间建立转动副约束；通过Forces中的AppliedForces模块，在钟形壳尾端和大地(Ground)之间的转动副上施加输入转速的大小和方向；在驱动轴的一端和大地(Ground)之间的转动副上施加负载转矩的大小和方向，施加约束和载荷后，开始仿真分析。优选的，在工程实际中，万向节瞬时效率定义为瞬时输出功率P2(t)与瞬时输入功率P1(t)的百分比，因此，万向节瞬时传递效率公式为：式中，T1(t)和ω1(t)分别表示球笼节输入轴的瞬时转矩和转速；T2(t)和ω2(t)分别为球笼节输出轴的瞬时转矩和转速；由于球笼节为等速万向节，理论上ω1(t)＝ω2(t)，因此，由式(1)，可得：瞬时传递效率随着时间在不断变化，为了衡量球笼节在一定工况下的传动性能，用瞬时传递效率在球笼节一个转动周期T内的平均值作为球笼节的传递效率，因此，得到传递效率为：式中，T表示转动周期；在实际工程中，常用传递效率的损失率来衡量球笼节传动性能，损失率表达式为：在ADAMS/view/Results的Postprocessor模块中，Filter选项选择constraint，Object对象选择输入轴与ground之间的转动副，再选择转动副中ground上的标记MARKER点，在Characteristic上选择转矩选项Total_Torque_On_Point，在Component上选择转矩的方向，然后得到输入转矩随时间的变化曲线，取输入转矩一个转动周期内的平均值，获得输入轴端的平均转矩，基于式(4)、输入平均转矩和负载转矩，得到球笼节传递效率损失率。优选的，步骤5是基于Box-Behnken试验设计方法，在给出的模型输入参数范围内进行采样，获得采样样本，根据式(4)和建立的多体动力学模型，计算样本对应的传递效率损失率，基于上述样本及其对应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、基于多体动力学分析软件，建立万向节的多体动力学模型；/n步骤2、设置含有摩擦的接触对的摩擦参数和接触参数；/n步骤3、对多体动力学模型施加约束和载荷；/n步骤4、由多体动力学模型得到万向节传递效率；/n步骤5、建立构造万向节传递效率损失率的代理模型；/n步骤6、基于Sobol’灵敏度分析方法和代理模型，定量分析钢球半径、圆心角、工作角度、接触刚度、力指数和摩擦系数对传递效率的影响大小，并对各影响因素对传递效率的影响大小进行排序，得到球笼节传递效率损失率的代理模型的灵敏度。/n

【技术特征摘要】
1.一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于多体动力学分析软件，建立万向节的多体动力学模型；
步骤2、设置含有摩擦的接触对的摩擦参数和接触参数；
步骤3、对多体动力学模型施加约束和载荷；
步骤4、由多体动力学模型得到万向节传递效率；
步骤5、建立构造万向节传递效率损失率的代理模型；
步骤6、基于Sobol’灵敏度分析方法和代理模型，定量分析钢球半径、圆心角、工作角度、接触刚度、力指数和摩擦系数对传递效率的影响大小，并对各影响因素对传递效率的影响大小进行排序，得到球笼节传递效率损失率的代理模型的灵敏度。


2.根据权利要求1所述的一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法，其特征在于，多体动力学模型中包含五种刚体结构，分别为钢球、星形套、钟形壳、保持架和驱动轴。


3.根据权利要求2所述的一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法，其特征在于，步骤2是在星形套外球面和保持架内球面、保持架外球面和钟形壳内球面、钢球和星形套滚道、钢球和钟形壳滚道以及钢球和保持架之间建立含有摩擦的接触对。


4.根据权利要求3所述的一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法，其特征在于，步骤2具体为在多体动力学分析软件ADAMS的Forces模块中，选择SolidtoSolid来表示接触对的接触类型，接触对的摩擦力和法向接触力分别选择Coulomb函数和Impact函数来表征；Impact函数中的接触刚度(Stiffness)和力指数(Forceexponent)通过赫兹理论来获得。


5.根据权利要求4所述的一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法，其特征在于，步骤3是通过ADAMS中的Connectors模块，在驱动轴的一端和星形套之间建立固定副约束；在驱动轴的另一端和大地(Ground)之间建立球副约束；在钟形壳尾端和大地(Ground)之间建立转动副约束；通过Forces中的AppliedForces模块，在钟形壳尾端和大地(Ground)之间的转动副上施加输入转速的大小和方向；在驱动轴的一端和大地(Ground)之间的转动副上施加负载转矩的大小和方向，施加约束和载荷后，开始仿真分析。


6.根据权利要求5所述的一种汽车球笼式万向节传递效率的分析方法，其特征在于，在工程实际中，万向节瞬时效率定义为瞬时输出功率P2(t)与瞬时输入功率P1(t)的百分...

【专利技术属性】
技术研发人员：上官文斌，冯华渊，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44