基于Adams发动机前端附件带传动的动态特性研究_刘元冬讲解

1、文章编号:1004- 2539(2013)06- 0028- 05基于Adams发动机前端附件带传动的动态特性研究刘元冬1王文林2罗明军1(1南昌大学机电工程学院,江西南昌330031)(2湖南大学机械与运载学院,湖南长沙410082)摘要介绍了Adams中对于多楔带传动系统皮带接触与摩擦的处理方法;利用Adams软件建立了发动机前端附件带传动系统的虚拟样机模型,对多楔带传动的动态特性进行初步研究,得到了皮带的横向振动、张紧臂的摆动角度以及皮带与带轮的接触力等动态参数;通过对该模型的分析,结果表明采用虚拟样机技术对发动机附件带传动系统进行动态分析是可行有效的,可以为系统的设计和改进提供有利的参

2、考数据和理论依据。关键词接触理论多体动力学模型多楔带传动动态特性Research on Dynamic Characteristic of Belt Drive Systemof Engine Front End Accessory based on ADAMSLiu Yuandong1Wang Wenlin2LuoMingjun1(1 School of Mechanical&Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)(2 College of Mechanical and Vehicle Engi

3、neering, Hunan University, Changsha 410082, China)AbstractThe treatmentof the belt,the contactand friction between beltand pulley for ribbed beltdrive systeminADAMS are introduced. The virtual prototype model of the engine front end accessory belt drive system is estab-lished by using the ADAMS soft

4、ware, the dynamic characteristic of the ribbed beltdrive systemisgotfrompreliminaryresearch. Then, the dynamic parameters like as belt transverse vibration, tension arm swing angle, contact force be-tween belt and pulley and so on are obtained.The results showthat it is feasible,effective and can pr

5、ovide beneficialreference data and the theoretical basis fordesign and improve by using virtual prototype technology fordynamic analy-sis of engine front end accessory belt drive system.Key wordsContact theoryMulti- body dynamics modelRibbedV belt driveDynamic characteristic0引言现代汽车发动机前端轮系日趋复杂,传统的V型皮

6、带因为其弯曲性能较差,传动的附件较少等缺点,已经无法满足现代汽车在较小空间内传动多个附件的要求。多楔带以其较高的柔韧性、振动噪声小、使用寿命长、传动平稳、结构紧凑等优点,基本取代了传统的V带,在现代汽车发动机前端附件驱动系统中得到了越来越广泛的应用1- 2。针对发动机前端附件多楔带传动系统的研究,目前主要集中在各带轮和张紧器绕各自转轴的旋转振动和各带段的横向振动两个方面。Hwang和Perkins等人3- 4利用旋转振动模型,研究了在单个简谐激励下FEAD系统的旋转振动特性。Leamy和Perkins等人5建立了考虑张紧臂中干摩擦阻尼的FEAD系统旋转振动非线性分析模型,利用增量谐波平衡方法对

7、非线性模型进行了求解,得到了张紧臂的非线性黏滑(stick- slip)运动特性;王小莉6等人以一典型的三带轮系统为研究对象,建立了耦合振动模型,模型中将带简化为纵向运动梁,主要关注了带的横向振动;曾祥坤等人7考虑带轮包角处带的蠕变、张紧器的阻尼等作用,建立了八带轮驱动系统的旋转振动模型,主要研究了旋转振动特性。需要指出的是,以上的研究都没有考虑皮带与带轮的接触与摩擦特性,缺乏对多楔带传动动态特性的全面研究和分析。在带传动的多体动力学分析方面,国内只有少数人针对简单的带传动系统有一些初步的探讨:尚欣等人8- 9建立了简单的两轮系统多体模型,研究了在非28机械传动2013年临界状态下的特性;姚廷

8、强等人104945- 4950提出了带传动系统的多体接触建模的新方法,并以平带传动为例,初步计算了系统的动态响应;葛正浩1164- 66等人利用Adams建立了同步带传动虚拟样机模型,初步研究了同步带传动动态特性,只关心了刚性带块的位移、速度和加速度。但是,以上文献都是对带传动系统中的平带或者齿形带做了简单的尝试,而针对多楔带的多体动力学模型还属空白,因此建立多楔带传动系统的多体动力学模型对系统进行全面的动特性分析显得十分必要。本文中我们基于Adams多体动力学软件,通过对多楔带传动系统建立比较接近实际的仿真模型来研究传动过程中的动态特性,为深入分析和研究多楔带传动的动态性能提供一定的参考。1

9、皮带接触与摩擦理论接触问题是一种高度非线性行为,需要较大的计算资源,为了进行实为有效的计算,理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。按照接触持续时间的长短,将接触类型分为了两大类:瞬时接触和连续接触。瞬时接触也就是通常说的碰撞,作用时间非常短,在接触瞬间作用力很大;连续接触作用的时间较长,接触状态变化缓慢或者保持不变。Adams中分别采用阻尼弹簧模型和非线性弹簧模型来对两者进行模拟1164- 66。接触力的具体求解则使用两种数学模型:冲击函数模型和泊松模型,两种求解模型都使用单向约束问题的罚函数准则。在发动机前端多楔带传动系统中,皮带和带轮的接触点是时刻变化的,是一种瞬时接触,于是采用基于等

10、效弹性阻尼方法的碰撞函数模型来模拟是合理的,其数学表达式如下Fimpact= Ke+ step(,0,0,d,C)ddt(1)式中,k为接触刚度;为渗入深度;e为力指数,主要确定法向接触力与渗入深度的非线性关系;d/dt为渗入速度;d为最大渗入深度;C为最大渗入深度时达到的最大阻尼。图1接触力特性从表达式(1)和图1可以看出,接触力包含弹簧特性和阻尼特性两个部分:弹簧力特性如图1a所示,弹簧力为关于渗入深度的指数函数;阻尼力特性如图1b所示,随着接触变形量的增大,阻尼系数D逐渐增大,直到侵入深度为d时,达到最大阻尼系数C。当有接触发生时,系统计算是否有渗入发生,如果没有则不计算接触力,如果有渗

11、入则首先计算渗入的深度和速度,然后将其代入接触力的计算公式进行求解。等效弹簧阻尼方法计算过程中涉及到的参数较多,计算量较大,可以计算出碰撞力,某种程度上可以较真实地模拟出接触碰撞过程。皮带与带轮之间的摩擦力为压力与摩擦因数之积12。Adams中假设相对滑动速度大于Vd时的动摩擦因数为常数d;当Vr在Vs与Vd之间时,用step函数在最大静摩擦因数与动摩擦因数之间插值;当Vr小于Vs时,用step函数在0与最大静摩擦因数之间插值,如图2所示。图2摩擦因数模型F= - Nstep(Vr,- Vs,- 1,Vs,1) step( Vr ,Vs,s,Vd,d)式中,Vs为静态临界速度;Vd为动态临界速

12、度;d为动摩擦因数;s静摩擦因数。2皮带的仿真模拟Adams中对于皮带的处理104945- 4946,其基本思想是刚性有限元方法,将皮带通过指定长度离散成若干段具有质量、惯量的刚性单元和弹簧阻尼柔性单元,相邻刚性单元之间通过场单元(Field)连接。场单元是在两刚性单元节点之间施加拉压作用力、转矩的加力载体。由下式计算作用的力和力矩FxFyFzTxTyTz= - kxyzabc- cVxVyVzxyz+F1F2F3T1T2T3(3)式中,x、y和z分别为两标记点之间的相对移动位移分29第37卷第06期基于Adams发动机前端附件带传动的动态特性研究量;a、b和c分别为两标记点之间的相对转动位移

13、分量;Vx、Vy和Vz分别为两标记点之间的相对移动速度分量;x、y和z分别为两标记点之间的相对转动速度分量;F1、F2、F3和T1、T2、T3分别为初始力和力矩。式(3)中的刚度矩阵与阻尼矩阵由欧拉伯努利梁方法计算得到,式(4)为计算刚度矩阵的方法。 k=AEL1 0 0 - 1 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0- 1 0 0 1 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0+EIL30 0 0 0 0 00 12 6L 0 - 12 6L0 6L 4L2 0 - 6L 2L20 0 0 0 0 00 - 12 - 6L 0 12 - 6L0 6L 2L2 0 - 6L

14、 4L2(4)式中,A为带段截面积;E为杨氏模量;L为带段长度;I为横截面对主惯性轴Z的惯性。该种处理方法,既能考虑到皮带的纵向刚度,又能考虑到皮带的弯曲刚度,使得仿真模型与实际模型更加吻合,从而可以研究我们所关心的皮带横向振动。3多体动力学模型的建立利用Adams/engine模块可以很方便的建立多楔带传动系统的多体动力学模型;同时Adams还可以利用数据交换接口从其他CAD软件将建立的几何模型导入Adams中,但是这样做必须经过处理,如为带轮添加约束和建立带与带轮的接触等,整个过程相当复杂,而且还可能存在模型的失真问题,因此本文中的多体模型建模工作完全是在Adams环境中建立的。本文中的研

15、究对象为某具体的发动机前端附件带传动系统,其主要包括曲轴、压缩机、助力泵、惰轮、电机、水泵、张紧轮、张紧臂和多楔带等单元,涉及到带轮参数、张紧器参数以及皮带物理参数等,轮系几何参数与皮带参数如表1所示1322- 23。表1轮系几何参数与皮带参数序号带轮坐标/mm半径/mm转动惯量/(kgm2)1曲轴(0,0) 81.25 0.1222压缩机(261.5,60) 64.5 4.15 10- 33助力泵(252,234) 70.6 1.31 10- 34惰轮(90.3,251.1) 41.15 2.63 10- 45电机(86,354) 30 4.21 10- 3序号带轮坐标/mm半径/mm转动惯

16、量/(kgm2)6水泵(0,167.5) 67.5 1.76 10- 37张紧轮- - - 38.1 2.07 10- 4皮带物理量:m= 0.106 87 kg/m,EA= 1.7 105 N在Adams中建立的带传动系统几何模型,包含两个子系统:一个是轮系和皮带构成的系统即accessory系统,包含轮系和皮带的几何结构与物理参数;一个是带轮轴系统即testrig系统,包含带传动系统的驱动和负载参数。模型中带轮轴简化成绕定轴线转动的圆柱刚体,与地基用转动副相连,带轮固定在带轮轴上。张紧臂一端与地基用转动副连接,并在这个转动副上增加扭转弹簧,设定扭转弹簧的刚度、等效黏性阻尼和预紧力,另一端与

17、张紧轮连接,张紧轮可以在张紧臂一端绕定点转动,用此方法,可以很好地模拟现实的张紧装置。在仿真模型建立的过程中,皮带的建模是最重要图3附件带传动系统Adams模型的一个环节,如何准确对皮带建模是仿真能否顺利进行的关键,Adams可以很方便地运用刚体有限元法建立皮带模型。在此仿真模型中,皮带被离散成长度为8mm的刚性小段,缠绕在皮带轮上,只需要设定皮带的物理参数、接触刚度、接触阻尼以及摩擦因数等,接触刚度与接触阻尼参数即碰撞参数通常要根据具体产品研发过程通过实验仿真对比积累得到更准确参数。最后在曲轴上添加速度驱动,在其他从动轮轴上添加负载转矩,在此仿真模型中,只是在助力转向泵和水泵上添加了常数转矩

18、,想要对发动机前端多楔带系统进行更精确更接近实际的仿真,必须对各轮负载进行更实际更深入的研究。至此完成多楔带传动系统多体动力学模型的建立。4仿真结果与分析在附件带传动系统中,系统主要的激振源是曲轴速度的波动和各个附件负载力矩的波动,针对这一实际的七带轮模型,考虑发动机在怠速时的工况,假设在助力泵和水泵上分别添加大小为24.4 Nm和1.36 Nm的负载转矩,其他附件的负载转矩为零,在曲轴轮上添加一个转速为一稳态转速477.5 r/min加上幅值为18 r/min,频率为24 Hz的正弦波动的速度驱动132830机械传动2013年= 2477.5+ 18cos(48t)/60 (5)图4反映了各

19、带轮的角速度响应情况,系统在曲轴简谐速度的驱动下,由静止开始运动,所以在初始阶段,其他带轮在曲轴的驱动下速度有一个很迅速的上升过程,到达怠速转速后,各带轮速度稳定并在一定范围内波动。从图中可以看出,带轮直径越小,带轮转速越高,转速波动也就越大。该附件系统中,电机带轮的直径最小,它的转速最大,转速波动也最大。通过对带轮转速响应的分析,可以很方便地计算出皮带在各带轮上的打滑率,从而通过改进设计参数,将打滑率控制在可接受的范围内。皮带在带轮上打滑会造成传动性能下降,甚至传动失效,还会造成皮带过热,出现脱皮开胶的现象,使皮带过度磨损。图4带轮的角速度图5皮带各段的动态张力图5反映了相邻带轮之间带段的动

20、态张力情况,从曲轴开始,逆时针方向各带段依次为1 7。从图中可以看出,各带段的初始张力为253 N,皮带张力是保证轮系正常工作的必要条件:张力不足,容易造成皮带的打滑;张力过大会导致皮带寿命降低,还会增加带轮轴承的径向载荷,影响轴承寿命。在开始启动的瞬间,由于存在转速的突变,带段1 4的张力有一个明显的升高,而后张力急剧下降,最终达到一个稳定状态并在一定范围内波动。而带段5 7却是有一个张力降低的过程,这是因为带段1 4处于皮带的紧边,带段5 7处于皮带松边,在启动的瞬间,紧边张力会增大,松边张力会降低。产生波动的原因则是曲轴转速的波动。张力波动是造成皮带在带轮上打滑和皮带使用寿命短的主要原因

21、,因此降低皮带的张力波动是带传动系统设计人员考虑的关键因素。同时由于在压缩机上添加了24.4 Nm的负载力矩,所以稳定后在压缩机两端的带段张力明显比其他带段要高。张紧臂是维持整个带传动系统中皮带张力的主要构件。张紧臂的性能,在一定程度上决定了发动机前端附件带传动系统的性能,图6反映了张紧臂的摆动角度和摆动角速度情况,从图中可以看出,开始驱动瞬间,张紧臂的摆动角度和角速度都比较大,角度达到了4左右,随着时间的增加,张紧臂的摆动角度和角速度逐渐降低并达到稳定,在平衡位置做简谐摆动。通过仿真,可以很直观地了解到张紧器的动态特性,为发动机附件设计人员提供相关数据。图6张紧臂的角度和角速度皮带的横向振动

22、是带传动系统中噪声的主要来源,尤其是驱动轮紧边带段的横向振动。因此,控制皮带的横向振动是轮系设计人员考虑的主要因素之一。图7反映了曲轴与压缩机之间带段、曲轴与张紧轮之间带段以及张紧轮与曲轴之间带段的横向振动幅值,从图中可以看出张紧轮与曲轴之间带段的横向振动幅值最大,达到了1 mm,曲轴与压缩机之间带段的横向振动最小,只有0.15 mm左右。通过仿真可以很方便的了解皮带的横向振动情况,为轮系设计的进一步优化提供了有力的参考数据。图7皮带各段的横向振动幅值图8显示了皮带与带轮的接触历程,从图中可以31第37卷第06期基于Adams发动机前端附件带传动的动态特性研究看出沿着皮带的运动方向,依次经过了

23、电机、惰轮、助力泵、压缩机、曲轴,根据带轮包角的不同,接触过程的时间长短也不同。接触开始时由于处于静摩擦阶段,接触力迅速增大,稍后静摩擦力将变为动摩擦力,摩擦力超过运行阻尼,接触力缓慢增加。同时由于带在运动过程中不断的伸长和收缩,接触力出现了波动状态,最后该带段逐渐离开带轮,接触力又逐渐减小。以上过程很好地模拟了带与带轮接触过程,验证了虚拟样机对带传动的模拟可行性。图8皮带与带轮的接触力5小结为了更便利研究发动机前端附件带传动系统的动态特性,在系统中的一些边界条件进行了简化处理,比如各个附件的负载转矩的简化,张紧器刚度和阻尼的简化等,因此分析模型还比较简单。而且只讨论了在发动机怠速工况下的附件

24、系统动态响应。为了对发动机前端附件带传动系统做全面深入的研究还需要对模型进行细化和优化,对发动机的启动过程和制动过程进行研究。通过对发动机前端附件带传动系统进行虚拟仿真分析,结果表明利用Adams对多楔带进行离散化处理,进行相关动态特性的研究是可行并且合理的。基于虚拟样机技术对发动机前端附件多楔带传动系统动态特性的研究,得到以下结论:(1)简单分析了发动机附件带传动的接触与摩擦理论,提出了采用刚柔耦合方法模拟其运动状态,并建立其动态仿真模型。(2)基于Adams动态仿真分析可以较为直观地了解发动机前端附件带传动系统的运动情况;可以很方便地了解各个部件的动态特性,如皮带的横向振动、张紧臂的摆动以

25、及带与带轮的接触和摩擦等,这些参数对整个系统的设计和研究工作有很大的参考价值。(3)运用动态仿真技术可以大大缩短发动机前端附件带传动系统的实验时间,节约实验成本。(4)在动态仿真分析的基础上,结合试验数据,对虚拟样机模型进一步的修改和完善,从而使多楔带动特性的研究结果更加符合实际,以此来指导发动机前端附件带传动系统的设计和优化。参考文献1俞培泳,张敏. TJ376QE发动机多楔带轮系的开发J.天津汽车,2004(2):14- 15.2李丰军,刘长波. CA6110系列发动机前端多楔带附件传动系统设计与开发J.汽车技术,2002(11):1- 5.3Beikmann RS,PerkinsNC, Ulsoy AG. Free vibration of serpentine beltdrive systemsJ. Journal of Vibration and Acoustics, 1996,118(3):406- 413.4H