基于CATIA的乘用車前驅動軸布置優化

張偉 陳忠廷 于霞 李林

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

作為整車的重要關鍵部件，驅動軸起到連接變速箱與車輪的作用，其功能是保證等速、可靠、平穩、低噪聲地將發動機的動力傳遞給車輪，同時滿足汽車行駛過程中車輪上跳、下跳、轉向等多種工況軸的伸縮與擺動的要求[1]。合理的驅動軸布置方案可以將行駛過程中產生的附加載荷、振動噪聲、運動行程控制在允許的范圍內，同時降低整車各工況下出現共振及干涉現象的風險[2]。文章基于某款EV 車型的前懸架運動機構，利用CATIA 軟件建立模型，從總成布置角度、移動節滑移范圍、空間位置校核等方面對驅動軸布置方案進行優化，旨在通過合理的驅動軸布置，使整車能夠在最大程度上發揮傳動效率，提高NVH 性能，為汽車傳動系統提供穩定而高效的動力輸出。

1 驅動軸總成結構及布置形式

圖1示出驅動軸總成結構簡圖。

圖1 驅動軸總成結構簡圖

驅動軸總成在整車上的布置形式需根據機艙布置、動力總成傾角、軸桿長度、直徑、軸間夾角及相位、輪轂點坐標等參數進行確定。這些參數直接影響到驅動軸移動式萬向節工作時的角度變化量和軸向滑移變化量。角度變化越大，萬向節磨損越嚴重，會影響萬向節的使用壽命；軸向滑移設計變化量越小，對于動力傳動越理想，驅動軸的NVH 性能也好些，同時還可以減少輪胎的非正常磨損[2]。因此，要求萬向節的初始角度和變化范圍盡量小（設計載荷狀態下，初始角度應控制在7°以下）。

驅動軸總成的布置形式主要分為兩軸式和三軸式，如圖2所示。兩軸式布置形式結構簡單、成本低，在傳統經濟型轎車中被廣泛采用，但因裝配后移動節殼體靠近差速器，所以需在差速器端口處預留足夠大的布置空間，且左右軸桿長度不一致，增加了跑偏風險；三軸式布置形式需在長軸一側移動端節柄處增加中間支撐結構，用以改善差速器端口處的布置空間，同時左右中間軸桿長度更趨于一致，提高了剛度一致性，降低了跑偏風險。

圖2 驅動軸總成布置形式

文章基于某款EV 車型進行分析，考慮到電機在起步階段輸出扭矩值較大，對左右軸桿扭轉剛度一致性要求較高，故采用三軸式布置形式。

2 建立DMU運動學模型

2.1 空間機構自由度計算

由于受零件結構等因素的影響，模型搭建容易出現錯誤，與實際運動不符，不能達到運動仿真分析的目的，所以仿真前需對模型進行詳細分析，并通過系統自由度的計算，確保模型搭建的正確性。

采用機構運動學方法建立懸架系統模型，需要滿足式（1）所示的系統自由度[3]。

式中：N——行駛系統運動部件數量；

fi——各運動副約束自由度數量；

FD——行駛系統驅動自由度數量。

2.2 DMU運動學模型建立

將所開發前軸系統三維模型導入CATIA 軟件，構建系統零部件及運動副拓撲關系，如圖3 所示，圖3 中括號內數字為對應運動副約束自由度。

圖3 汽車零部件及運動副拓撲關系示意圖

依次搭建前軸系統DMU 模型，如圖4所示。

圖4 汽車前軸系統DMU 模型圖

模型共包含運動部件16 個（系統自由度數為96，其中車身安裝點為固定部件），運動副21 個（約束自由度數為94）。按照車型懸架及轉向行程設計要求，在車輪輪胎接地點處施加輪跳驅動（驅動自由度數為1）、在轉向器齒條處施加轉向驅動（驅動自由度數為1），所建立DMU 模型滿足式（1）。

3 DMU運動學特性仿真分析

3.1 仿真試驗設計

在CATIA 中對麥弗遜前懸架仿真模型進行雙輪同向跳動仿真試驗。根據動力總成位置及姿態、前懸硬點參數、車輪定位參數、車輪上下跳行程、轉向行程等輸入條件，建立前軸系統DMU 運動學模型。

3.2 滑移擺角分析

根據建立的設計載荷狀態下的DMU 運動模型，初步確定驅動軸軸桿長度。經測量，驅動軸理論內、外節心點的距離為474.4 mm。依據此軸桿長度、移動節極限滑移曲線、車輪上下跳行程及轉向行程等輸入條件，進行驅動軸滑移擺角分析。

經測量，驅動軸在以下9 種工況中的滑移、擺角參數，如表1 和圖5所示。向內滑移為負，向外滑移為正。

表1 驅動軸端節滑移及擺角參數（優化前）

圖5 驅動軸移動節滑移擺角曲線圖（優化前）

從表1 可以看出：左軸節心點向內滑移最大約為8.2 mm，向外滑移最大約為2.2 mm，移動節最大擺角為11.4°，固定節最大擺角為42.2°；右軸向內滑移最大約為7.0 mm，向外滑移最大約為2.7 mm，移動節最大擺角為11.4°，固定節最大擺角為42.2°。

從圖5 可以看出，節心點的軌跡大部分分布在中心點內側，且在“上跳極限+極限轉角”工況，節心點超出“安全曲線”范圍，存在“磕碰”風險。故將軸桿長度優化為473 mm后進行驗證，驗證結果，如表2 和圖6所示。

表2 驅動軸端節滑移及擺角參數（優化后）

圖6 驅動軸移動節滑移擺角曲線圖（優化后）

從表2 可以看出，在標載整車位置，驅動軸移動節最大擺角為2.359°，固定節最大擺角為2.512°。在9 種運動工況下，左軸節心點向內滑移最大約為5.6 mm，向外滑移最大約為3.6 mm，移動節最大擺角約為11.5°，固定節最大擺角約為42.2°；右軸向內滑移最大約為4.8 mm，向外滑移最大約為3.6 mm，移動節最大擺角為11.5°，固定節最大擺角為42.2°。

萬向節兩端夾角相近，標載靜止時不大于4°，驅動軸總成可獲得較好的NVH 性能和傳動效率，降低振動噪聲風險。

從圖6 可以看出，節心點的軌跡大部分分布在中心點兩側，且在9 種工況下，節心點未超出“安全曲線”范圍，“磕碰”及“脫出”風險較小。

3.3 空間位置分析

根據建立的設計載荷狀態下的DMU 運動模型，在車輪上下跳及轉向過程中，動態監測驅動軸與周邊部件的位置間隙。根據整車運動部件布置要求，需保證最小間隙≥10 mm。

通過CATIA 軟件輸出DMU 運動行程中驅動軸與各部件的間隙值，因左、右驅動軸軸桿長度一致，且左右前軸系統采用對稱布置，故僅分析一側運動間隙即可，分析結果如圖7所示。下跳為負，上跳為正。

圖7 驅動軸與周邊部件空間位置間隙圖

從圖7 可以看出，在DMU 運動模型中優化后的驅動軸與周邊部件的空間位置間隙均大于“允許最小間隙值”。綜合滑移擺角及空間位置分析結果，此方案達到了較為理想的設計要求。

4 結論

文章基于CATIA 軟件，建立前軸系統的DMU 運動學模型，并運用此模型進行驅動軸滑移擺角、空間位置分析，快速高效地進行方案優化。通過優化得出：優化后軸桿長度滿足基本的運動學要求，同時降低萬向結構部件與移動節內腔的干涉風險，起到了在設計初期識別并有效降低潛在風險的作用，為實車驗證階段提供了數據參考。合理的驅動軸布置，可以提高驅動軸總成的NVH 性能、傳動效率，并為汽車傳動系統提供穩定而高效的動力輸出。在本課題中，由于不存在運動過程中驅動軸與周邊部件干涉的情況，針對此方面問題的優化方案還需進一步深入探究。