CN114996847A - 一种乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法。包括确认工况、明确设计参数、建立驱动桥仿真计算模型、计算总效率损失和计算驱动桥总成效率。所述确认工况为确认所要计算的工况点参数；所述明确设计参数包括明确驱动桥主从齿的设计参数、轴承设计参数和壳体设计参数；所述建立驱动桥仿真计算模型包括建立锥齿轮啮合功率损失模型、轴承功率损失模型和搅油功率损失模型；所述计算总效率损失为将锥齿轮啮合功率损失计算模块、轴承功率损失计算模块和搅油功率损失计算模块结果集成到驱动桥总成效率计算模块，计算出总效率损失；所述计算驱动桥总成效率为在驱动桥总成效率计算模块中计算及输出最终的驱动桥总成效率计算结果。

Description

一种乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法

技术领域

本发明涉及仿真领域计算方法，具体涉及一种乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法。

背景技术

乘用车驱动桥多用于高档豪华轿车、SUV及高性能越野车传动系统中，其功能在于传递来自动力总成扭矩和转速并改变动力输出方向，由于应用驱动桥的情况均需传递较大的动力，驱动桥的传动效率也就成了评价驱动桥性能的一个重要指标。当前对于驱动桥总成效率的评估与预测方法，业内均采用试验手段进行，即通过设计专用测试装置、设备进行测试，输入端监测输入驱动桥的力矩、转速，输出端监测驱动桥输出的力矩、转速，并按效率公式进行计算。以上业内常见方法仅可实施于详细技术设计之后，对实体试制件进行试验测试，完成效率测试评价。

当前业内没有成熟的驱动桥总成效率预测仿真分析方法，对于驱动桥的效率评价工作均开展于试制阶段，即通过驱动桥总成试制件进行台架试验，按照评价工况进行试验，从而获得产品的效率数据。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，可以在产品设计阶段，通过仿真手段计算驱动桥总成效率。

本发明提供一种乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，包括五个步骤。

步骤一，确认工况：所述确认工况为选取待考察效率map点，即确认所要计算的工况点参数。

步骤二，明确设计参数：所述明确设计参数具体包括明确驱动桥主从齿的设计参数、轴承设计参数和壳体设计参数。

步骤三，建立驱动桥仿真计算模型：所述建立驱动桥仿真计算模型为在Amesim环境中搭建，包括建立锥齿轮啮合功率损失模型、轴承功率损失模型和搅油功率损失模型。

步骤四，计算总效率损失：所述计算总效率损失为在Amesim环境中，将锥齿轮啮合功率损失计算模块、轴承功率损失计算模块和搅油功率损失计算模块结果集成到驱动桥总成效率计算模块，计算出总效率损失。

步骤五，计算驱动桥总成效率：所述计算驱动桥总成效率为在驱动桥总成效率计算模块中计算及输出最终的驱动桥总成效率计算结果。

进一步，所述工况点参数包括明确驱动桥输入转速、驱动桥输出转速、驱动桥输出扭矩和工况润滑油的体积及温度。

进一步，所述明确驱动桥主从齿的设计参数包括明确驱动桥主从齿的计算载荷、宏观参数、微观控制参数和刀具设计参数；所述明确轴承设计参数包括明确轴承选型类型和型号；所述明确壳体设计参数包括明确驱动桥壳体三维设计参数及材料属性。

进一步，建立锥齿轮啮合功率损失模型包括：

(1)有限元结果提取

本步骤为针对啮合齿轮的有限元模型，输入所述确认工况的信息，通过计算获得啮合过程接触点坐标、各方向的啮合力分量、齿面节点坐标、齿面接触压力分布和大小轮转角。

(2)啮合速度计算

本步骤为将主从齿在啮合点的速度在切平面内进行分解，计算接触点的滑动速度矢量及卷吸速度矢量。

(3)滑动摩擦系数计算

在啮合过程中润滑状态分为两啮合齿面中间油膜均匀的理想均匀润滑状态和两啮合齿面中间油膜非均匀的边界润滑状态，在低速或者重载工况，啮合齿面非均为理想润滑状态，利用加权量化公式综合两种润滑状态，所述加权量化公式为：

其中

λ＝h_min/σ，h_min为接触区润滑油最小油膜厚度，σ为啮合两表面的综合均方根，μ₀数值由λ决定，μ_B为一常数。

(4)锥齿轮啮合损失计算模型建立

输入驱动桥主从齿的设计参数包括驱动桥主从齿的计算载荷、宏观参数、微观控制参数和刀具设计参数；在一维环境中建立驱动桥啮合损失计算模型，采用计算公式：

其中η为啮合效率，μ为摩擦系数，φ为平均压力角，ψ_G为从齿螺旋角，ψ_P为主齿螺旋角，E为主齿偏距，D为从齿的外节距直径；

啮合功率损失相关公式：

P₁＝(1-η)R_plωTω₁

其中η为啮合效率，R_p1ω为从齿的工作节圆半径，T为输出扭矩，ω₁为输出速度。

进一步，所述μ_B范围在0.07-0.22之间。

进一步，建立轴承功率损失模型包括：

(1)设计参数输入

输入所述确认工况的信息，明确驱动桥主从齿的设计参数、轴承设计参数和壳体设计参数；其中，明确驱动桥主从齿的设计参数包括明确驱动桥主从齿的计算载荷、宏观参数、微观控制参数和刀具设计参数，明确轴承设计参数包括明确轴承选型类型和型号，明确壳体设计参数包括明确驱动桥壳体三维设计参数及材料属性。

(2)轴齿件动力学模型建立

根据设计参数在Masta环境建立轴齿3D动力学模型。

(3)全有限元壳体模型建立并导入

将驱动桥总成壳体进性三维模型处理及建立全有限元壳体模型并导入Masta环境。

(4)轴承功率损失计算模型建立

轴承功率损失利用公式：

其中，

M₁为轴承负载导致的摩擦力矩，单位Nm，

M₂为轴承受轴向力产生摩擦力矩，单位Nm，除圆柱滚子轴承外不需考虑。

进一步，建立搅油功率损失模型包括：

(1)驱动桥总成数模输入

输入所述确认工况的信息，输入驱动桥总成数模，数据格式为stl格式，所述驱动桥总成数模包括带有完整轴齿宏观参数、微观控制参数的主从齿三维数模、带有完整设计参数的轴承三维数模和带有完整设计参数的驱动桥壳体、所有驱动桥总成内部导油装置和固定装置。

(2)计算参数设置

所述计算参数设置包括：设置油液属性、粒子大小、液体区域、重力方向、计算时长、计算步长和计算域。

(3)建立搅油功率损失模型

完成所述驱动桥总成数模输入和计算参数设置后，即建立完成特定转速工况下搅油功率损失模型。

进一步，所述计算总效率损失为在Amesim环境中，将即锥齿轮啮合功率损失计算模块、轴承功率损失计算模块和搅油功率损失计算模块的结果集成到驱动桥总成效率计算模块，获取驱动桥传动功率总损失，计算公式为：

P_lost＝P₁+P₂+P₃

其中P₁为所述锥齿轮啮合功率损失模型的计算结果，P₂为所述轴承功率损失模型的计算结果，P₃为所述搅油功率损失模型的计算结果。

进一步，所述计算驱动桥总成效率为计算及输出最终的效率计算结果，其中在所有情况下，总体功率损失为P_lost，旋转速度为ω，通过以下公式转化为转矩损耗:

最终，驱动桥总成效率计算公式：

其中，T_out为驱动桥输出扭矩，T_in为驱动桥输入扭矩，n_out驱动桥输出转速，n_in为驱动桥输入转速。

本发明的有益效果为，属于仿真计算领域方法，非试验方法，可以在确定驱动桥总成的设计参数情况下，通过所建立的效率仿真流程，将在驱动桥内部所损失的功率进行仿真计算，从而获得不同工况下驱动桥总成所对应的效率。本发明不需要实体试制件，而是在产品设计阶段获得驱动桥总成的效率结果，减少因效率方面而投入的人力物力资源，节约产品开发周期与成本。

附图说明

图1为乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1.

一种乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，属于仿真领域计算方法，为在无实物试制件的情况下，对驱动桥总成进行效率计算，提前预测产品效率表现，识别设计风险并优化，节约产品开发周期与成本。本方法主要包括步骤如图1所示，包括确认工况、明确设计参数、建立驱动桥仿真计算模型、计算总效率损失和获得驱动桥总成效率。

以上步骤详细内容如下：

明确工况为选取待考察效率map点，即确认所要计算的工况点参数，包括明确驱动桥输入转速、输出转速和输出扭矩，同时明确工况润滑油体积、温度及所有对应属性。

明确设计参数包括明确驱动桥主从齿的设计参数、轴承设计参数和壳体设计参数；明确驱动桥主从齿的设计参数包括明确驱动桥主从齿的计算载荷、宏观参数、微观控制参数和刀具设计参数；明确轴承设计参数包括明确轴承选型类型和型号；明确壳体设计参数包括明确驱动桥壳体三维设计参数及材料属性。

建立驱动桥仿真计算模型为本乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法的核心步骤，如图1所示，本步骤建立模型思路主要为将乘用车驱动桥传动过程效率损失分解为锥齿轮啮合功率损失、轴承功率损失和搅油功率损失，三部分功率损失为总体驱动桥效率损失，本步骤对三部分功率损失分别建立相应计算模型。

整体驱动桥仿真计算模型在Amesim环境中搭建，主要计算模块分为锥齿轮啮合功率损失计算模块、轴承功率损失计算模块和搅油功率损失计算模块。三部分主要计算模块的计算结果集成到效率计算模块，这样在Amesim环境可以实现完整的乘用车驱动桥总成效率仿真计算。

计算总效率损失为Amesim环境中，将三部分主要计算模块(即锥齿轮啮合功率损失计算模块、轴承功率损失计算模块和搅油功率损失计算模块)结果集成到驱动桥总成效率计算模块。

本步骤为获取驱动桥传动功率总损失，计算公式为：

P_lost＝P₁+P₂+P₃

其中P₁为锥齿轮啮合功率损失模型计算结果，P₂为轴承功率损失模型计算结果，P₃为搅油功率损失模型计算结果。

计算驱动桥总成效率为在驱动桥总成效率计算模块中计算及输出最终的效率计算结果。其中在所有情况下，总体功率损失P_lost均可通过以下公式转化为转矩损耗:

当旋转速度ω接近0时，参数tolω可以避免奇异性。实际上，当|ω|<tolω时，转矩损失与速度ω成正比，而不是成反比，这样就避免了ω＝0处的奇异点。

最终，驱动桥总成效率计算公式：

其中，T_out为驱动桥输出扭矩，T_in为驱动桥输入扭矩，n_out驱动桥输出转速，n_in为驱动桥输入转速。

实施例2.

本实施例为对实施例1中的建立驱动桥仿真计算模型的进一步说明。

所述建立锥齿轮啮合功率损失模型包括：

(1)有限元结果提取

本步骤为针对啮合齿轮的有限元模型，输入所述确认工况的信息，通过计算获得啮合过程接触点坐标、各方向的啮合力分量、齿面节点坐标、齿面接触压力分布和大小轮转角。

(2)啮合速度计算

本步骤为将主从齿在啮合点的速度在切平面内进行分解，计算接触点的滑动速度矢量及卷吸速度矢量。

(3)滑动摩擦系数计算

在啮合过程中润滑状态分为两啮合齿面中间油膜均匀的理想均匀润滑状态及两啮合齿面中间油膜非均匀的边界润滑状态，在低速或者重载工况，啮合齿面非均为理想润滑状态，本步骤引入加权量化公式综合两种润滑状态，所述加权量化公式为：

其中

λ＝h_min/σ，h_min为接触区润滑油最小油膜厚度，

式中

P_h＝P_max/E′，其他均为修正因子拟合系数；

对于本步骤中μ₀，

当λ＜1：

当1＜λ＜3：

当λ>3：

式中a_i、b_i、c_i均为系数，

μ_B为一常数，范围在0.07-0.22之间。

(4)锥齿轮啮合损失计算模型建立

输入驱动桥主从齿的设计参数：包括驱动桥主从齿的计算载荷、宏观参数、微观控制参数和刀具设计参，在一维环境中建立驱动桥啮合损失计算模型，采用计算公式：

其中η为啮合效率，μ为摩擦系数，φ为平均压力角，ψ_G为从齿螺旋角，ψ_P为主齿螺旋角，E为主齿偏距，D为从齿的外节距直径。

啮合功率损失相关公式：

P₁＝(1-η)R_plωTω₁

其中η为啮合效率，R_p1ω为从齿的工作节圆半径，T为输出扭矩，ω₁为输出速度。

所述建立轴承功率损失模型包括：

(1)设计参数输入

输入所述确认工况的信息，明确驱动桥主从齿的设计参数、轴承设计参数和壳体设计参数；其中，明确驱动桥主从齿的设计参数包括明确驱动桥主从齿的计算载荷、宏观参数、微观控制参数、刀具设计参数，明确轴承设计参数包括明确轴承选型类型、型号，明确壳体设计参数包括明确驱动桥壳体三维设计参数及材料属性。

(2)轴齿件动力学模型建立

根据设计参数在Masta环境建立轴齿3D动力学模型。

(3)全有限元壳体模型建立并导入

将驱动桥总成壳体进性三维模型处理及建立全有限元壳体模型并导入Masta环境。

(4)轴承功率损失计算模型建立

轴承功率损失利用公式：

其中，

M₁为轴承负载导致的摩擦力矩，单位Nm，

M₂为轴承受轴向力产生摩擦力矩，单位Nm，除圆柱滚子轴承外不需考虑。

所述建立搅油功率损失模型包括：

(1)驱动桥总成数模输入

输入所述确认工况的信息，输入驱动桥总成数模，数据格式为stl格式，所述驱动桥总成数模包括带有完整轴齿宏观参数、微观控制参数的主从齿三维数模、带有完整设计参数的轴承三维数模、带有完整设计参数的驱动桥壳体、所有驱动桥总成内部导油装置和固定装置。

(2)计算参数设置

设置模型计算必须的计算参数，包括：设置油液属性、粒子大小、液体区域、重力方向、计算时长、计算步长、计算域。

(3)建立搅油功率损失模型

完成驱动桥总成数模输入和计算参数设置后，即可建立完成特定转速工况下搅油功率损失模型。

Claims (9)

1.一种乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，其特征在于：包括五个步骤：

步骤一，确认工况：

所述确认工况为选取待考察效率map点，即确认所要计算的工况点参数；

步骤二，明确设计参数：

所述明确设计参数具体包括明确驱动桥主从齿的设计参数、轴承设计参数和壳体设计参数；

步骤三，建立驱动桥仿真计算模型：

所述建立驱动桥仿真计算模型为在Amesim环境中搭建，包括建立锥齿轮啮合功率损失模型、轴承功率损失模型和搅油功率损失模型；

步骤四，计算总效率损失：

所述计算总效率损失为在Amesim环境中，将锥齿轮啮合功率损失计算模块、轴承功率损失计算模块和搅油功率损失计算模块结果集成到驱动桥总成效率计算模块，计算出总效率损失；

步骤五，计算驱动桥总成效率：

所述计算驱动桥总成效率为在驱动桥总成效率计算模块中计算及输出最终的驱动桥总成效率计算结果。

2.根据权利要求1所述的乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，其特征在于：所述工况点参数包括明确驱动桥输入转速、驱动桥输出转速、驱动桥输出扭矩和工况润滑油的体积及温度。

3.根据权利要求1所述的乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，其特征在于：所述明确驱动桥主从齿的设计参数包括明确驱动桥主从齿的计算载荷、宏观参数、微观控制参数和刀具设计参数；所述明确轴承设计参数包括明确轴承选型类型和型号；所述明确壳体设计参数包括明确驱动桥壳体三维设计参数及材料属性。

4.根据权利要求1所述的乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，其特征在于：建立锥齿轮啮合功率损失模型包括：

(1)有限元结果提取

本步骤为针对啮合齿轮的有限元模型，输入所述确认工况的信息，通过计算获得啮合过程接触点坐标、各方向的啮合力分量、齿面节点坐标、齿面接触压力分布和大小轮转角；

(2)啮合速度计算

本步骤为将主从齿在啮合点的速度在切平面内进行分解，计算接触点的滑动速度矢量及卷吸速度矢量；

(3)滑动摩擦系数计算

在啮合过程中润滑状态分为两啮合齿面中间油膜均匀的理想均匀润滑状态和两啮合齿面中间油膜非均匀的边界润滑状态，在低速或者重载工况，啮合齿面非均为理想润滑状态，利用加权量化公式综合两种润滑状态，所述加权量化公式为：

其中

λ＝h_min/σ，h_min为接触区润滑油最小油膜厚度，σ为啮合两表面的综合均方根，μ₀数值由λ决定，μ_B为一常数；

(4)锥齿轮啮合损失计算模型建立

输入驱动桥主从齿的设计参数包括驱动桥主从齿的计算载荷、宏观参数、微观控制参数和刀具设计参数；在一维环境中建立驱动桥啮合损失计算模型，采用计算公式：

其中η为啮合效率，μ为摩擦系数，φ为平均压力角，ψ_G为从齿螺旋角，ψ_P为主齿螺旋角，E为主齿偏距，D为从齿的外节距直径；

啮合功率损失相关公式：

P₁＝(1-η)R_plωTω₁

其中η为啮合效率，R_p1ω为从齿的工作节圆半径，T为输出扭矩，ω₁为输出速度。

5.根据权利要求4所述的乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，其特征在于：所述μ_B范围在0.07-0.22之间。

6.根据权利要求1所述的乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，其特征在于：建立轴承功率损失模型包括：

(1)设计参数输入

输入所述确认工况的信息，明确驱动桥主从齿的设计参数、轴承设计参数和壳体设计参数；其中，明确驱动桥主从齿的设计参数包括明确驱动桥主从齿的计算载荷、宏观参数、微观控制参数和刀具设计参数，明确轴承设计参数包括明确轴承选型类型和型号，明确壳体设计参数包括明确驱动桥壳体三维设计参数及材料属性；

(2)轴齿件动力学模型建立

根据设计参数在Masta环境建立轴齿3D动力学模型；

(3)全有限元壳体模型建立并导入

将驱动桥总成壳体进性三维模型处理及建立全有限元壳体模型并导入Masta环境；

(4)轴承功率损失计算模型建立

轴承功率损失利用公式：

其中，

M₁为轴承负载导致的摩擦力矩，单位Nm，

M₂为轴承受轴向力产生摩擦力矩，单位Nm，除圆柱滚子轴承外不需考虑。

7.根据权利要求1所述的乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，其特征在于：建立搅油功率损失模型包括：

(1)驱动桥总成数模输入

输入所述确认工况的信息，输入驱动桥总成数模，数据格式为stl格式，所述驱动桥总成数模包括带有完整轴齿宏观参数、微观控制参数的主从齿三维数模、带有完整设计参数的轴承三维数模和带有完整设计参数的驱动桥壳体、所有驱动桥总成内部导油装置和固定装置；

(2)计算参数设置

所述计算参数设置包括：设置油液属性、粒子大小、液体区域、重力方向、计算时长、计算步长和计算域；

(3)建立搅油功率损失模型

完成所述驱动桥总成数模输入和计算参数设置后，即建立完成特定转速工况下搅油功率损失模型。

8.根据权利要求1所述的乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，其特征在于：所述计算总效率损失为在Amesim环境中，将即锥齿轮啮合功率损失计算模块、轴承功率损失计算模块和搅油功率损失计算模块的结果集成到驱动桥总成效率计算模块，获取驱动桥传动功率总损失，计算公式为：

P_lost＝P₁+P₂+P₃

其中P₁为所述锥齿轮啮合功率损失模型的计算结果，P₂为所述轴承功率损失模型的计算结果，P₃为所述搅油功率损失模型的计算结果。

9.根据权利要求1所述的乘用车驱动桥总成效率仿真分析方法，其特征在于：所述计算驱动桥总成效率为计算及输出最终的效率计算结果，其中在所有情况下，总体功率损失为P_lost，旋转速度为ω，通过以下公式转化为转矩损耗:

最终，驱动桥总成效率计算公式：

其中，T_out为驱动桥输出扭矩，T_in为驱动桥输入扭矩，n_out驱动桥输出转速，n_in为驱动桥输入转速。

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