四驱汽车动力分配关键部件结构优化设计与动力学分析

摘要

随着汽车技术的发展，四轮驱动汽车越来越得到消费者的青睐，众多汽车制造厂商也纷纷推出四驱汽车，但目前对于四驱汽车动力分配的关键部件—分动器研究甚少，没有形成成熟的理论体系。因此，针对目前不同类型的四驱汽车分动器开展理论和工程应用研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　本文在对国内外全时四驱、分时四驱和适时四驱三种四驱汽车类型的动力分配关键部件进行分析总结的基础上，采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法，对机械式分动器、智能扭矩分配式分动器以及轮间差速器进行了深入研究。完成的主要研究工作和成果总结如下:
　　(1)基于适应性重构设计理论构建了分动器适应性重构设计系统，包含设计方案、零部件可适应性设计和智能装配等模块，为分动器总成部件的设计提供了一种新的方法;在此基础上，运用Visual C＃.net和Sql Server软件开发了分动器适应性可重构设计软件;
　　(2)针对四驱汽车常用的3种分动器结构特点，推导了各种类型分动器动力传递特性以及分动器极限工况下的力学公式;以某适时四驱汽车分动器为例，进行了分动器的模态实验和有限元模态分析、静力学分析、疲劳寿命分析以及拓扑优化设计，为开展分动器力学分析提供了参考;
　　(3)基于流固耦合理论建立了分动器动网格及两相流模型，通过试验和计算机数值模拟相对比，验证了所建模型的准确性;在此基础上得到了分动器封闭体积内流场的流动特性;通过不同浸油高度下的两相流仿真分析，建立了基于响应曲面法的分动器润滑油量优化模型，得到了最佳润滑油量，为分动器润滑油的设计提供了理论方法;
　　(4)提出基于满意度评价方法对分动器进行多学科协同优化设计，建立了以分动器的体积、最大爬坡度和燃油经济性为评价指标的分动器优化模型;运用DOE-ASA算法的组合优化方法进行优化设计，得到了满意的结果。优化后整车燃油消耗量和分动器的体积下降明显;
　　(5)针对轮间差速器总成的结构特点以及铸件脆性材料特点，基于微粒子群算法，采用参数化建模方法开展了差速器结构优化设计，优化前后差速器力学特性对比验证了优化结果的正确性;
　　(6)开展四驱汽车前后轴以及左右轮间动力分配对整车动力性、燃油经济性、制动性和行驶安全性等性能的影响研究，得出了如下结论:在不同路面附着系数和不同车速下，轴间扭矩分配对于动力性指标以及燃油经济性指标影响显著;轴间扭矩分配对于制动性能影响不大;汽车转向时，前后轴动力转移对整车质心侧偏角、横摆角速度有明显影响。当动力由后轴向前轴转移时，汽车的行驶安全性有明显改善;汽车转向时增加汽车内侧车轮的扭矩分配可改善汽车的转向行驶状态;相比较轴间扭矩分配，轮间扭矩分配对于改善整车行驶安全性更为优越;
　　(7)提出了通过动力分配改善汽车行驶安全性性能的方法，推导了动力分配对于汽车行驶安全性的影响公式;开展了基于神经网络PID算法的动态扭矩控制算法研究，在此基础上搭建了基于NI设备的动力分配控制硬件在环平台，通过采集实车试验数据进行了控制方法有效性验证。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 四驱汽车传动系统概述

1．1．1 机械式全时四驱传动系统

1．1．2 粘性联轴节式适时四驱传动系统

1．1．3 智能四驱汽车传动系统

1．2 四驱汽车传动系统分动器类型

1．2．1 行星齿轮式分动器

1．2．2 机械齿轮式分动器

1．2．3 智能扭矩分配式分动器

1．3 国内外研究现状

1．3．1 四驱汽车动力分配关键部件分动器研究现状

1．3．2 四驱汽车动力分配关键部件差速器研究现状

1．4 课题来源、研究内容与创新点

1．4．1 课题来源

1．4．2 研究内容

1．4．3 本文创新点

第二章 基于适应性原理的分动器可重构设计

2．1 分动器可适应性重构系统的总体架构

2．2 关键技术开发

2．2．1 分动器零部件适应性设计模块

2．2．2 分动器智能装配设计模块

2．3 基于Visual C#．net和Sql server的分动器设计软件

2．3．1 软件界面

2．3．2 自动装配模板功能的实现

2．4 本章小结

第三章 四驱汽车分动器力学分析与优化

3．1 四驱汽车分动器特性分析

3．1．1 常见类型分动器扭矩分配特性

3．1．2 分动器极限工况分析

3．2 传动系统分动器模态分析

3．2．1 分动器实验模态

3．2．2 分动器计算模态

3．2．3 分动器实验模态与计算模态对比

3．3 四驱汽车传动系统分动器力学分析

3．3．1 轴承载荷计算

3．3．2 分动器壳体有限元建模

3．3．3 约束条件

3．3．4 静力学分析

3．3．5 疲劳分析

3．4 分动器拓扑优化设计

3．4．1 拓扑优化

3．5 本章小结

第四章 基于流固耦合的分动器两相流动分析与优化

4．1 基于流固耦合的数值模拟方法

4．1．1 控制方程与湍流模型

4．1．2 流体运动方程

4．1．3 流固耦合求解过程

4．2 两相流模型建立

4．2．1 流场有限元模型建立

4．2．2 应用UDF命令建立两相流模型

4．3 结果与分析

4．3．1 流场运动情况

4．3．2 速度场分布

4．3．3 压力场分布

4．3．4 不同工况的两相流动特性

4．4 试验验证

4．5 两相流优化设计

4．5．1 设计变量

4．5．2 约束条件

4．5．3 目标函数

4．5．4 二次响应曲面设计

4．5．5 优化结果

4．6 本章小结

第五章 基于满意度算法的分动器协同优化设计

5．1 基于广义满意度原理的多目标计算方法

5．2 多系统协同优化方法

5．3 分动器优化模型

5．3．1 设计变量

5．3．2 子系统目标函数

5．3．3 系统级目标函数

5．3．4 约束条件

5．4 设计案例

5．4．1 AVL-Cruise整车建模

5．4．2 基于自适应模拟退火算法的优化方法

5．4．3 优化计算

5．5 本章小结

第六章 基于微粒子群算法的轮间差速器优化设计

6．1 差速器模态分析

6．1．1 差速器有限元分析

6．1．2 基于微粒子群的差速器优化设计

6．2 设计实例

6．3 本章小结

第七章 四驱汽车扭矩智能分配对整车性能影响分析

7．1 整车模型建立

7．1．1 传动系统模型建立

7．1．2 智能扭矩分配式分动器模型的建立

7．1．3 整车模型的搭建

7．2 不同扭矩分配下仿真分析

7．3 不同路面附着系数下性能仿真

7．3．1 爬坡度仿真分析

7．3．2 最大加速度仿真分析

7．3．3 制动性能仿真分析

7．4 基于Matlab／Simulink的整车动力学建模

7．4．1 四轮驱动力输出模块

7．4．2 轮胎模块

7．4．3 理想横摆角速度及质心侧偏角计算模块

7．4．4 基于Matlab／Simulink的四驱汽车仿真模型

7．4．5 Cruise和Matlab软件联合仿真

7．5 扭矩分配对汽车行驶稳定性的影响

7．5．1 轴间扭矩分配对汽车行驶稳定性的影响

7．5．2 轮间扭矩分配对汽车行驶稳定性的影响

7．6 基于扭矩分配的控制系统设计

7．6．1 扭矩分配讨论

7．6．2 基于神经网络PID的轮间扭矩分配控制器设计

7．6．3 联合仿真结果分析

7．7 本章小结

第八章 四驱汽车传动系统动力分配试验

8．1 基于NI-PXI实时控制器的硬件在环仿真试验

8．1．1 试验目的

8．1．2 硬件在环仿真硬件和软件介绍

8．1．3 四驱汽车硬件在环平台的搭建

8．2 试验数据采集

8．2．1 试验方案

8．2．2 试验数据采集系统

8．2．3 实车实验

8．3 试验结果分析

8．4 本章小结

第九章 结论与展望

9．1 总结

9．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况

附录