邱胤原 甄冉 李瑞龍 上官文斌
(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣東 廣州 510640;2.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 福州 350118;3.山東美晨工業(yè)集團(tuán)有限公司,山東 濰坊 262200)
三球銷式等速萬向節(jié)(TJ)是一種伸縮型萬向節(jié),具有承載能力強(qiáng),傳遞效率高,可靠性好等優(yōu)點(diǎn),在汽車和機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外研究人員對其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性進(jìn)行了大量的研究。Durum[1]將三柱槽殼內(nèi)腔底面1:1投影至三銷架平面,通過平面解析幾何方法,研究了三球銷式等速萬向節(jié)的運(yùn)動學(xué)特性。Akbil等[2- 3]將三球銷式等速萬向節(jié)視為一個空間機(jī)構(gòu),通過解析法,證明了當(dāng)輸出軸的輸出端固定時(shí),三球銷式等速萬向節(jié)的輸入輸出角位移存在微小的偏差,為準(zhǔn)等速萬向節(jié)。Urbinati等[4]通過計(jì)算機(jī)輔助空間多剛體動力學(xué)的方法,分析了特定工況下三球銷式等速萬向節(jié)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性。Mariot等[5- 8]通過向量法和達(dá)朗貝爾原理,分析了三球銷式等速萬向節(jié)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性。近期,Jo等[9]在三球銷式等速萬向節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)上,建立了球環(huán)和滾道間的滾動-滑動摩擦模型,分析了其軸向派生力,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn),三球銷式等速萬向節(jié)的球環(huán)和滾道之間不可避免地存在相對滑動,產(chǎn)生較大的摩擦力,引起摩擦磨損、振動和噪聲問題。
針對上述問題,Watanabe等[10]對三球銷式等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種球形銷軸三球銷式等速萬向節(jié)。但是,該結(jié)構(gòu)的球環(huán)底部不可避免地和U形滾道底部存在相對滑動運(yùn)動,產(chǎn)生較大的摩擦力。Lim等[11]提出了一種低軸向力三球銷式等速萬向節(jié)。但是,由于該結(jié)構(gòu)的內(nèi)球環(huán)和外球環(huán)之間的接觸為線接觸,二者之間的摩擦較大,外球環(huán)和滾道間亦存在相對滑動運(yùn)動,產(chǎn)生較大的摩擦力。
為了解決Qiu等[12- 13]設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)缺陷,文中作者提出了一種新型雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)(DRTJ),并使用空間笛卡爾運(yùn)動學(xué)和向量法對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析,表明其球環(huán)在滾道內(nèi)做滾動運(yùn)動。在此基礎(chǔ)上,文中對雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的動力學(xué)特性進(jìn)行研究,以驗(yàn)證其能夠減小三球銷式等速萬向節(jié)工作過程中產(chǎn)生的動態(tài)力,提升萬向節(jié)的可靠性、耐久性等性能,降低汽車和機(jī)械系統(tǒng)在工作過程中產(chǎn)生的振動和噪聲。因此,研究其動力學(xué)特性具有重要的工程意義。
通過改進(jìn)三球銷式萬向節(jié)的銷軸形狀、球環(huán)結(jié)構(gòu)和球環(huán)外表面形狀,對雙球環(huán)三球銷式萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),見圖1。它由三柱槽殼1、三銷架2、球形銷軸3、球環(huán)總成4和傳動軸9這5個主要部件組成。三柱槽殼1上加工有3個周向均勻分布的雙圓弧形滾道;三銷架2的內(nèi)花鍵與傳動軸9上的外花鍵配合;銷軸3一體地設(shè)于所述三銷架2上,其外表面為球形;球環(huán)總成4由內(nèi)球環(huán)5、滾針6、外球環(huán)7和滾針擋圈8組成;內(nèi)球環(huán)5可活動地套設(shè)在銷軸3上,其形狀為中空的圓柱形;內(nèi)球環(huán)5與外球環(huán)7之間裝滿滾針6;外球環(huán)7的外表面為半圓環(huán)形,和三柱槽殼1上與之對應(yīng)的雙圓弧形滾道通過兩點(diǎn)接觸進(jìn)行約束。
1—三柱槽殼;2—三銷架;3—球形銷軸;4—球環(huán)總成;5—內(nèi)球環(huán);6—滾針;7—外球環(huán);8—滾針擋圈;9—傳動軸
雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)是一種新型的伸縮型萬向節(jié),它的創(chuàng)新之處在于:第一,雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的球環(huán)總成4(或外球環(huán)7)的外表面形狀為半圓環(huán)形,從而在保持球環(huán)總成4(或外球環(huán)7)的外表面和雙圓弧形滾道之間接觸為兩點(diǎn)接觸的前提下消除球環(huán)總成4和滾道間的相對俯仰運(yùn)動,改善了二者間的接觸狀態(tài);第二,將雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的內(nèi)球環(huán)5形狀設(shè)計(jì)成中空的圓柱形,使其具有良好的工藝性,并且易于裝配;第三,將滾針6安裝在外球環(huán)和內(nèi)球環(huán)之間,減小了二者之間的摩擦,有效地消除了外球環(huán)7和滾道之間的相對滑動。
雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的多體動力學(xué)模型基于如下兩個假設(shè)建立:(1)零件的幾何結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸等均為理想狀態(tài);(2)各零件間的配合間隙均為0。
首先,為避免三維幾何模型在不同格式間的轉(zhuǎn)換造成的模型精度下降甚至失真,文中直接利用ADAMS軟件中的三維幾何建模模塊,建立雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的三維幾何模型,見圖2。在建模過程中,不考慮雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)中對其動力學(xué)特性沒有影響的幾何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),手動設(shè)置了各構(gòu)件的質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量,使它們和實(shí)際構(gòu)件相同。由于ADAMS軟件中自帶的旋轉(zhuǎn)副即具有滾針的功能,將滾針和內(nèi)球環(huán)融合為一體,合理簡化了雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的三維幾何模型,提升了計(jì)算精度,并縮短了計(jì)算時(shí)間。
圖2 雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的三維幾何模型
其次,為提升ADAMS軟件的觸碰撞點(diǎn)自動檢測算法的精度和效率,將滾道的雙圓弧形表面(見圖3)簡化為開口夾角等于180°-2αp的V形面(見圖4),從而保持球環(huán)和滾道間接觸點(diǎn)位置以及它們之間的傳動壓力角αp不變。傳動壓力角αp的定義為球環(huán)和滾道的接觸點(diǎn)與球環(huán)外表面截面曲線中心的連線與水平線的夾角。
圖3 球環(huán)和滾道的形狀
圖4 球環(huán)和滾道的簡化形狀
最后,為保證初始位置的準(zhǔn)確性,在ADAMS軟件中雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的初始位置應(yīng)按如下步驟確定[13]:(1)將三銷架和傳動軸繞球環(huán)2(或球環(huán)3)的中心旋轉(zhuǎn)δmin角;(2)整體平移球環(huán)1,使其軸線和銷軸的中心點(diǎn)重合。
施加在雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)上的運(yùn)動學(xué)約束見圖5。三柱槽殼和地面通過圓柱副連接,并在此處施加旋轉(zhuǎn)和位移驅(qū)動。用固定副將三銷架和傳動軸固聯(lián)在一起。通過點(diǎn)線副,將銷軸中心固定在球環(huán)軸線上。通過平行副,使得和外球環(huán)固聯(lián)的坐標(biāo)系的x軸和z軸始終平行于和滾道固聯(lián)的坐標(biāo)系的x軸和z軸,在保證外球環(huán)的軸線始終垂直于滾道軸線的同時(shí),限制外球環(huán)繞自身軸線的自轉(zhuǎn)運(yùn)動,以更好地模擬球環(huán)和滾道之間的摩擦現(xiàn)象。將球籠式等速萬向節(jié)簡化為一個球面副,連接傳動軸和地面。負(fù)載轉(zhuǎn)矩施加在傳動軸上,方向和傳動軸軸線平行。
圖5 雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的多體動力學(xué)模型
由于雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的球環(huán)可在銷軸上做繞自身中心點(diǎn)的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和沿自身軸線的平移運(yùn)動,因而可通過球面副和圓柱副來模擬球環(huán)總成和銷軸之間的接觸約束關(guān)系。其方法為:將內(nèi)球環(huán)和銷軸通過球面副連接,使得內(nèi)球環(huán)可在銷軸上繞自身中心自由旋轉(zhuǎn);將外球環(huán)和內(nèi)球環(huán)通過圓柱副連接,使得內(nèi)球環(huán)可相對于外球環(huán)做沿自身軸線的平移運(yùn)動和繞自身軸線的自轉(zhuǎn)運(yùn)動。通過在球面副和圓柱副上施加摩擦,可模擬球環(huán)總成和銷軸之間的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力矩以及球環(huán)總成和銷軸之間的相對平移運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力對萬向節(jié)動力學(xué)特性的影響。和直接將球環(huán)和銷軸通過接觸力進(jìn)行約束的方法相比,上述方法具有計(jì)算時(shí)間短、精度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。
雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的運(yùn)動方程可表示為[11]:
(1)
式中,M為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣,q為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)矢量,Φq為約束方程的雅可比矩陣,λ為拉格朗日乘子矢量,Q為廣義力矩陣。
雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的外球環(huán)和滾道通過接觸進(jìn)行連接。二者之間的接觸力包含法向壓力和切向摩擦力這兩個分力。其中,法向壓力Fn通過ADAMS軟件中的碰撞模型來描述,計(jì)算式如下:
(2)
式中,K為接觸剛度,C為接觸阻尼,x為兩接觸物體之間的相對位移,p為力指數(shù)。根據(jù)Hertz接觸理論[14],即可確定上述所有參數(shù)的數(shù)值。
為了增強(qiáng)數(shù)值計(jì)算的收斂性,外球環(huán)和滾道之間的切向摩擦力f通過ADAMS軟件中的光滑庫倫摩擦模型[15]來描述,計(jì)算式如下:
f=-Fnμrtanh(v/vr)
(3)
式中,μr為球環(huán)外表面和滾道之間的滾動摩擦系數(shù),v為兩接觸物體之間的相對速度,vr為速度容差。對于雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié),根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),球環(huán)外表面和滾道之間的滾動摩擦系數(shù)μr的值可取為潤滑脂供應(yīng)商提供的名義滑動摩擦系數(shù)μd的5%。
通過臺架試驗(yàn),對雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)軸向派生力和高頻滑移阻力進(jìn)行了測量。并將試驗(yàn)結(jié)果和ADAMS仿真結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證建立的多體動力學(xué)模型的正確性。其中,軸向派生力(GAF)為:當(dāng)不存在外部軸向位移激勵時(shí),萬向節(jié)在給定輸入轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩下產(chǎn)生的沿其輸入軸軸線方向的力。萬向節(jié)的軸向派生力會給機(jī)械系統(tǒng)施加振動激勵,引起振動和噪聲問題。三球銷式等速萬向節(jié)及其衍生結(jié)構(gòu)的軸向派生力的波動頻率為輸入轉(zhuǎn)頻的3階[8,10- 11]。高頻滑移阻力(HPF)為:當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速為0或接近于0時(shí),萬向節(jié)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩和沿其輸入軸軸向的高頻位移激勵的共同作用下產(chǎn)生的軸向力。萬向節(jié)的高頻滑移阻力會給與之相連的構(gòu)件以高頻振動激勵,出現(xiàn)共振現(xiàn)象。三球銷式等速萬向節(jié)及其衍生結(jié)構(gòu)的高頻滑移阻力和軸向位移激勵的波動頻率相同[11]。試驗(yàn)樣品的幾何尺寸參數(shù)的值見表1。
表1 雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的幾何尺寸參數(shù)
試驗(yàn)樣品的三柱槽殼(滾道)和外球環(huán)的材料參數(shù)見表2,根據(jù)Hertz接觸理論,可求得球環(huán)和滾道之間的接觸剛度K的值為7.6×106。由于球環(huán)和滾道之間的接觸為點(diǎn)接觸,因而力指數(shù)p的值為1.5。
表2 外球環(huán)和三柱槽殼材料的參數(shù)
試驗(yàn)設(shè)備為德國TS Gim公司的驅(qū)動軸質(zhì)量保證試驗(yàn)臺,見圖6。該試驗(yàn)臺的技術(shù)參數(shù)見表3。試驗(yàn)樣本數(shù)為3。
圖6 TS Gim驅(qū)動軸質(zhì)量保證試驗(yàn)臺
表3 TS Gim驅(qū)動軸質(zhì)量保證試驗(yàn)臺的技術(shù)參數(shù)
2.4.1 軸向派生力的驗(yàn)證
雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的軸向派生力的測量試驗(yàn)的原理見圖7,圖中,δ為萬向節(jié)的工作夾角,nd為輸入轉(zhuǎn)速,Md為輸入轉(zhuǎn)矩,Ml為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。將驅(qū)動軸總成中的伸縮型萬向節(jié)和輸入轉(zhuǎn)速控制模塊相連,將固定型萬向節(jié)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制模塊相連;并在固定型萬向節(jié)位置安裝力傳感器,測量伸縮型萬向節(jié)產(chǎn)生的軸向派生力。由于萬向節(jié)在試驗(yàn)過程的輸入轉(zhuǎn)速恒定,因而將測得的軸向派生力的時(shí)域信號通過快速傅里葉變換,即可求得軸向派生力相對于萬向節(jié)輸入轉(zhuǎn)速的階次特性。
圖7 軸向派生力的測量試驗(yàn)原理圖
軸向派生力的測量試驗(yàn)有如下3個步驟:
第1步當(dāng)萬向節(jié)工作夾角為0°時(shí),調(diào)整球環(huán)位置,使球環(huán)位于滾道的中間。
第2步對萬向節(jié)進(jìn)行磨合。通過磨合,可消除由于加工誤差導(dǎo)致的萬向節(jié)內(nèi)部構(gòu)件間的不良配合與接觸狀態(tài),并增加潤滑脂的流動性,使萬向節(jié)的各個構(gòu)件得到充分的潤滑??偠灾?,磨合的目的就是使萬向節(jié)達(dá)到最佳狀態(tài),從而獲得準(zhǔn)確、穩(wěn)定的軸向派生力的測量數(shù)據(jù)。萬向節(jié)的磨合過程見表4。
表4 軸向派生力測量試驗(yàn)中的磨合過程
第3步執(zhí)行軸向派生力測量試驗(yàn)。雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的軸向派生力測量試驗(yàn)的工況見表5。
表5 軸向派生力測量試驗(yàn)的工況
圖8為雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的輸入轉(zhuǎn)速3階軸向派生力的試驗(yàn)和ADAMS仿真結(jié)果對比圖。由圖可知,雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的軸向派生力的輸入轉(zhuǎn)速3階成分的試驗(yàn)和仿真結(jié)果吻合良好,從而驗(yàn)證了雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的多體動力學(xué)模型的正確性和計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。當(dāng)最小工作夾角δmin不等于0°時(shí),雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的軸向派生力的輸入轉(zhuǎn)速3階成分對最小工作夾角δmin不敏感。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),當(dāng)萬向節(jié)的軸向派生力小于60 N時(shí),即可使機(jī)械系統(tǒng)的振動和噪聲保持在較低的水平,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。因此,在較大的工作夾角下,雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的軸向派生力依然可以保持在一個較好的水準(zhǔn)。
圖8 軸向派生力的試驗(yàn)和仿真結(jié)果對比
2.4.2 高頻滑移阻力的驗(yàn)證
雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的高頻滑移阻力的測量試驗(yàn)的原理見圖9。將驅(qū)動軸總成中的伸縮型萬向節(jié)和高頻位移激勵模塊相連,將固定型萬向節(jié)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制模塊相連;在固定型萬向節(jié)位置安裝力傳感器,測量伸縮型萬向節(jié)產(chǎn)生的高頻滑移阻力。由于試驗(yàn)過程中也需要對萬向節(jié)進(jìn)行磨合,因而為提高試驗(yàn)效率,萬向節(jié)的高頻滑移阻力測量試驗(yàn)通常在軸向派生力測量試驗(yàn)結(jié)束后立即進(jìn)行。試驗(yàn)工況見表6。
圖9 高頻滑移阻力的測量試驗(yàn)原理圖
表6 高頻滑移阻力測量試驗(yàn)的工況
圖10對比了不同最小工作夾角δmin下雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的高頻滑移阻力的波動幅值的試驗(yàn)和ADAMS仿真結(jié)果。從圖中可以看出,雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的高頻滑移阻力的波動幅值的試驗(yàn)和仿真結(jié)果吻合良好,從而進(jìn)一步驗(yàn)證了建立的模型的正確性。雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的最小工作夾角δmin對它的高頻滑移阻力的波動幅值幾乎沒有影響。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),當(dāng)萬向節(jié)的高頻滑移阻力小于75 N時(shí),萬向節(jié)不會引起與之相連的構(gòu)件的共振問題。因此,在較大的工作夾角下,雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的高頻滑移阻力亦可以保持在一個較好的水準(zhǔn)。
圖10 高頻滑移阻力的試驗(yàn)和仿真結(jié)果對比
通過和現(xiàn)有三球銷式等速萬向節(jié)的球環(huán)和滾道之間的切向摩擦力、軸向派生力以及高頻滑移阻力這3項(xiàng)動力學(xué)特性的對比,分析雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的性能優(yōu)勢。算例中,萬向節(jié)的尺寸規(guī)格見表1。
圖11對比了雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)和三球銷式等速萬向節(jié)的球環(huán)和滾道之間的切向摩擦力。計(jì)算中,萬向節(jié)的最小工作夾角為10°,輸入轉(zhuǎn)速為300 r/min,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為-490 N·m。由圖可知,雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)球環(huán)和滾道之間的切向摩擦力的波動幅值僅為三球銷式等速萬向節(jié)的20%,顯著減輕球環(huán)和滾道表面的摩擦磨損,提高萬向節(jié)的耐久性。
圖11 球環(huán)和滾道之間的切向摩擦力對比
圖12對比了雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)和三球銷式等速萬向節(jié)在工作過程中產(chǎn)生的軸向派生力。計(jì)算中,萬向節(jié)的最小工作夾角為10°,輸入轉(zhuǎn)速為300 r/min,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為-490 N·m。由圖可知,雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的軸向派生力的波動幅值僅為三球銷式等速萬向節(jié)的20%。因此,雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)施加在機(jī)械系統(tǒng)上的激振力的幅值很小,顯著減小了由萬向節(jié)引起的機(jī)械系統(tǒng)的振動和噪聲。對汽車而言,雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)可顯著減小施加在車身上的橫向交變載荷,減小汽車在低速急加速工況下的橫向振動,改善汽車的NVH性能。
圖12 軸向派生力對比
圖13對比了雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)和三球銷式等速萬向節(jié)的高頻滑移阻力。計(jì)算中,萬向節(jié)的最小工作夾角為10°,輸入轉(zhuǎn)速為0 r/min,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為200 N·m,軸向位移激勵的幅值為0.07 mm,軸向位移激勵的頻率為30 Hz。由圖可知,雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的高頻滑移阻力的波動幅值僅為三球銷式等速萬向節(jié)的50%。因此,它顯著減小了施加在與之相連的構(gòu)件上的高頻激振力,減輕了與之相連的構(gòu)件的共振現(xiàn)象。對汽車而言,雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)顯著減小了施加在車身上的高頻振動激勵,降低汽車的怠速轟鳴噪聲,進(jìn)一步改善汽車的NVH性能。
圖13 高頻滑移阻力對比
文中建立了雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的多體動力學(xué)模型,并通過臺架試驗(yàn),驗(yàn)證了模型的正確性。經(jīng)過和三球銷式等速萬向節(jié)的動力學(xué)特性的對比,表明了雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的性能優(yōu)勢,主要結(jié)論如下:
(1)雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)顯著減小了球環(huán)和滾道之間的切向摩擦力,減輕了二者之間的接觸面的磨損,提高了萬向節(jié)的耐久性。
(2)雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的軸向派生力顯著減小,減小了由萬向節(jié)引起的機(jī)械系統(tǒng)的振動和噪聲。
(3)雙球環(huán)三球銷式等速萬向節(jié)的高頻滑移阻力亦明顯減小,緩解了與萬向節(jié)相連的構(gòu)件的共振現(xiàn)象。