汽車手動(dòng)變速器換擋性能的多體動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)方法

1、汽車手動(dòng)變速器換擋性能的多體動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)方法摘要變速器換擋性能的優(yōu)劣關(guān)系到汽車性能能否正常發(fā)揮。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，采用pro/e和adams聯(lián)合建模方式，建立了軟軸操縱式手動(dòng)變速器換擋過(guò)程多體動(dòng)力學(xué)模型，重點(diǎn)研究了鋼絲軟軸的簡(jiǎn)化建模和雙錐鎖環(huán)式同步器的整體建模方法。使用adams對(duì)換擋過(guò)程進(jìn)行仿真分析，并與對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較。從換擋力和換擋位移關(guān)系仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性可知，多體動(dòng)力學(xué)仿真方法可以對(duì)手動(dòng)變速器換擋平順性能進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞：手動(dòng)變速器；換擋性能；多體動(dòng)力學(xué)；仿真評(píng)價(jià)the method of multi-body dynamics evaluation for the sh

2、iftability of manual transmissionabstract the shiftability of manual transmission is one of the important factors influencing the controllability and operational comfort of automobile. dynamic models of shifting process for manual transmission with flexible shaft are built by using pro/e and adams b

3、ased on virtual prototyping technology. the dynamic modeling focus on the research of the flexible shaft simplified modeling method and the synchronizer overall modeling method. simulation of each shifting process compared with the experiment is carried out with adams. the relationship between the s

4、hift force and the shift travel was established by simulating agree well with the experimenting, which demonstrates the effectiveness of this method of multi-body dynamics evaluation for the shiftability of manual transmission.keywords: manual transmission；shiftability；multi-body dynamics；simulation

5、 evaluation 前言 換擋困難一直是手動(dòng)變速器常見(jiàn)故障之一,其涉及零件多,故障原因難以查找。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式已無(wú)法滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)要求，尋求在設(shè)計(jì)階段對(duì)換擋性能進(jìn)行有效仿真評(píng)價(jià)并指導(dǎo)設(shè)計(jì)的方法變得非常迫切。相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果表明1-3，多體動(dòng)力學(xué)方法可以較好地應(yīng)對(duì)這一需求。虛擬樣機(jī)技術(shù)是利用先進(jìn)cad(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))技術(shù)，建立物理樣機(jī)的數(shù)字化仿真模型，在計(jì)算機(jī)上對(duì)仿真模型進(jìn)行性能測(cè)試和評(píng)估的方法。虛擬樣機(jī)技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，不僅大大降低了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的時(shí)間，并且從優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能和缺陷，降低了開(kāi)發(fā)的成本，在工程實(shí)際中具有重大意義4。本文以吉利研究院某型號(hào)手動(dòng)變速器為研究對(duì)象，采用虛

6、擬樣機(jī)技術(shù)，以adams為平臺(tái)，聯(lián)合pro/e建模，并使用二者的接口軟件m/pro（mechanism/pro）快速準(zhǔn)確地定義運(yùn)動(dòng)副和實(shí)現(xiàn)三維模型的轉(zhuǎn)換，建立手動(dòng)變速器換擋過(guò)程多體動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析1擋換2擋、2擋換1擋的換擋力換擋位移關(guān)系，獲得了與實(shí)驗(yàn)基本一致的仿真結(jié)果。由此說(shuō)明，多體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)手動(dòng)變速器換擋平順性能可以進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。1多體動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)介計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的整個(gè)流程，主要包括建模和求解兩個(gè)階段。多體動(dòng)力學(xué)模型分為物理模型和數(shù)學(xué)模型。物理模型在幾何模型基礎(chǔ)上建立，數(shù)學(xué)模型依據(jù)物理模型生成。幾何模型可以由動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)幾何造型模塊所建造，或者從通用幾何造型軟件導(dǎo)入。對(duì)幾何

7、模型施加運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、驅(qū)動(dòng)約束、力元和外力或外力矩等物理學(xué)要素，形成表達(dá)系統(tǒng)力學(xué)特性的物理模型。由物理模型，采用笛卡爾坐標(biāo)或拉格朗日坐標(biāo)建模方法，應(yīng)用自動(dòng)建模技術(shù)，組裝系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程中的各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型5。adams系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的一般形式可表示為式（1）： （1）式中為位置坐標(biāo)陣q的約束方程，q為約束方程的雅可比矩陣，為拉格朗日乘子。這類數(shù)學(xué)模型就是微分-代數(shù)方程組，也稱為歐拉-拉格朗日方程組。2 變速器多體動(dòng)力學(xué)模型2.1 軟軸建模變速器選(換)擋軟軸是連接手柄操縱機(jī)構(gòu)和變速器的橋梁，對(duì)換擋性能有很大的影響。圖1 adams襯套力學(xué)模型adams中包含許多力元如襯套、彈簧、限位

8、塊、阻尼器等。襯套在柔性連接類中是一個(gè)重要元素。襯套連接兩個(gè)部件，并對(duì)這兩個(gè)部件施加力和力矩。定義襯套時(shí)，需要在相互作用的兩個(gè)部件作用點(diǎn)上建立兩個(gè)標(biāo)架(marker)。在第一個(gè)部件和第二個(gè)部件上建立的標(biāo)架分別稱為i標(biāo)架和j標(biāo)架。其力學(xué)模型如圖1所示。為了使鋼絲軟軸的功能模型化，參照鋼絲繩處理方法6，用離散的小圓柱體通過(guò)襯套和球鉸鏈連接的方式模擬鋼絲軟軸：將鋼絲軟軸細(xì)分為若干小段，每一個(gè)小段視為一個(gè)剛體，每?jī)蓚€(gè)剛體之間用襯套連接，使各個(gè)剛體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)（任意時(shí)刻的位移、速度、加速度等）和動(dòng)力學(xué)參數(shù)（相對(duì)位移、轉(zhuǎn)角、相互間的作用力與反作用力等）與實(shí)際軟軸盡可能一致。橡膠襯套作用于兩個(gè)剛體間,其

9、載荷與對(duì)應(yīng)變形之間的關(guān)系如式（2）所示：（2）式中，f，t 表示力和力矩； x，y，z，a，b，c， vx，vy，vz，x，y，z分別表示兩標(biāo)架之間的相對(duì)位移、轉(zhuǎn)角、速度、角速度；k，c分別表示剛度系數(shù)對(duì)角矩陣和阻尼系數(shù)對(duì)角矩陣；f1，f2，f3，t1 ，t2 ，t3分別表示力和力矩的初始值。顯然，正確設(shè)定襯套剛度和阻尼的大小非常重要。為了確保虛擬樣機(jī)軟軸具有和物理樣機(jī)一致的動(dòng)力學(xué)特性，首先, 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，換擋手柄在中間位置時(shí)，拉索和選(換)擋搖臂的初始角度保持在90°左右；其次，根據(jù)換擋機(jī)構(gòu)的功能和軟軸的作用，以軟軸位移損失30%左右為目標(biāo)來(lái)調(diào)整襯套的剛度和阻尼。換擋軟軸的動(dòng)力學(xué)

10、模型如圖2所示，襯套的剛度和阻尼分別定義為150n/mm和58n·mm/rad時(shí)，軟軸位移損失是30%，符合目標(biāo)要求。襯套 換擋拉索杠桿 換擋拉索安裝支架 換擋搖臂 圖2 換擋軟軸動(dòng)力學(xué)模型2.2 同步器建模同步器是汽車變速器的重要部件，它使變速器主、從動(dòng)部分同步以后再接合，從而減小沖擊和噪聲，減輕換擋力，使得換擋平順，延長(zhǎng)變速器的壽命。由于同步器工作復(fù)雜，許多研究者將同步器單獨(dú)建模分析，即將同步器簡(jiǎn)化為帶有錐面的主從部分,工作過(guò)程則簡(jiǎn)化為在軸向力作用下的摩擦過(guò)程，并以此為依據(jù)進(jìn)行理論上的計(jì)算7-8，這種分析并不能反映接合套在運(yùn)動(dòng)的各個(gè)階段載荷大小。本文采用的雙錐鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu)如圖

11、3所示。通過(guò)同時(shí)添加運(yùn)動(dòng)副和接觸約束，實(shí)現(xiàn)雙錐鎖環(huán)式同步器的整體建模以實(shí)現(xiàn)同步器接合套從中間位置開(kāi)始到掛擋結(jié)束的七個(gè)階段為目標(biāo)。圖3雙錐鎖環(huán)式同步器剖面圖 這七個(gè)階段是由接合套、外環(huán)和接合齒圈等零件的相對(duì)位置決定，具體過(guò)程如下3：1，接合套從中間位置開(kāi)始到和外環(huán)接觸。2，接合套和外環(huán)接觸。3，接合錐面摩擦，直到接合套和待接合齒輪速度同步。4，接合套通過(guò)外環(huán)到達(dá)接合齒圈的接觸點(diǎn)。5，接合套和接合齒圈齒端倒角接觸。6，接合套在接合齒圈上繼續(xù)移動(dòng)。7，接合套和接合齒輪端面接觸同步器整體模型中，內(nèi)環(huán)和輪轂之間定義移動(dòng)副，同時(shí)定義內(nèi)環(huán)和中環(huán)以及輪轂之間的接觸。移動(dòng)副使內(nèi)環(huán)和輪轂同速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)內(nèi)環(huán)還能軸向

12、移動(dòng)。接觸可以限制內(nèi)環(huán)在軸向的移動(dòng)范圍。同樣，中環(huán)和接合齒圈之間定義移動(dòng)副和接觸。外環(huán)和輸出軸定義圓柱副，同時(shí)外環(huán)和輪轂以及中環(huán)之間定義接觸。圓柱副使外環(huán)能轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向移動(dòng)，外環(huán)和輪轂的接觸使輪轂帶動(dòng)外環(huán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。外環(huán)和中環(huán)，中環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的接觸添加庫(kù)倫摩擦。這樣外環(huán)、中環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的摩擦過(guò)程就可以使同外環(huán)、內(nèi)環(huán)等速的輪轂及其所聯(lián)系的一系列運(yùn)動(dòng)件轉(zhuǎn)速增大或減小，同中環(huán)等速的接合齒圈及其所聯(lián)系的一系列運(yùn)動(dòng)件轉(zhuǎn)速減小或增大。經(jīng)檢驗(yàn)，虛擬樣機(jī)同步過(guò)程中輸入軸和輸出軸轉(zhuǎn)速變化和物理樣機(jī)基本一致，說(shuō)明同步器建模是有效的。1擋和2擋之間雙錐鎖環(huán)式同步器在輸出軸上的整體動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。內(nèi)環(huán) 五擋齒輪 三

13、擋齒輪 外環(huán) 輸出軸 同步器輪轂 二擋齒輪 四擋齒輪 中環(huán) 圖4雙錐鎖環(huán)式同步器動(dòng)力學(xué)模型2.3 變速器整體模型為了和物理樣機(jī)性能基本保持一致，動(dòng)力學(xué)模型包含離合器從動(dòng)盤(pán)、變速器主體和操縱機(jī)構(gòu)等換擋過(guò)程所涉及的主要零部件。虛擬樣機(jī)中，離合器從動(dòng)盤(pán)以在變速器輸入軸上添加相同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的圓盤(pán)等效處理；變速器主體和操縱機(jī)構(gòu)做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，沒(méi)有考慮對(duì)仿真結(jié)果影響較小的殼體、軸承和螺栓等零部件。變速器整體1擋換2擋的多體動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示。因?yàn)?擋換2擋不涉及選擋過(guò)程，因此模型中沒(méi)有選擋軟軸。手柄操縱機(jī)構(gòu) 輸入軸上離合器從動(dòng)盤(pán)等效圓盤(pán) 選(換)擋機(jī)構(gòu) 輸出軸上車身質(zhì)量等效圓盤(pán) 的零件圖5 變速器整體

14、多體動(dòng)力學(xué)模型2.4 仿真模型主要參數(shù)為驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的有效性，依照物理樣機(jī)性能測(cè)試方法，本文對(duì)1擋換2擋，2擋換1擋兩種工況換擋過(guò)程進(jìn)行仿真分析。為了提高動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，車身質(zhì)量按照式(3) 8轉(zhuǎn)化為輸出軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jv： （3）其中w是汽車總質(zhì)量， rr是輪胎的滾動(dòng)半徑，jw是一個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，i0是主減速比，ic是常嚙合變速比。換擋性能實(shí)驗(yàn)所采用汽車的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2.45×106 （kg·mm2）。模型中鋼制零件間的接觸采用impact接觸算法，接觸剛度為105 n/mm，阻尼為50(n/(mm/s)，這樣能保證模型不發(fā)生接觸滲透。兩種工況相關(guān)參數(shù)如表1所

15、示。表1 兩種工況相關(guān)參數(shù)初始擋位1擋2擋傳動(dòng)比3.1821.895輸入軸轉(zhuǎn)速/rpm20002000輸出軸轉(zhuǎn)速/rpm6281055換擋時(shí)間/s0.50.5實(shí)驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，駕駛員對(duì)換擋手柄的操作是一個(gè)主觀過(guò)程而難以描述，本文將駕駛員對(duì)換擋手柄的操作簡(jiǎn)化為手柄的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)：在變速器動(dòng)力學(xué)模型完善之后，在換擋手柄上端添加一個(gè)maker點(diǎn)，并在該點(diǎn)上施加勻速轉(zhuǎn)動(dòng)作為換擋手柄的驅(qū)動(dòng)，模擬駕駛員操縱換擋手柄。3仿真分析及結(jié)果評(píng)價(jià)1擋換2擋升擋過(guò)程仿真結(jié)果如圖6所示。圖6a描述了換擋過(guò)程中輸出軸2擋齒輪轉(zhuǎn)速和接合套轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化關(guān)系，由此可以看到：接合套退到空檔時(shí)，接合套連同輸出軸都在其本身及其所聯(lián)系的一系列

16、運(yùn)動(dòng)件的慣性作用下，接合套轉(zhuǎn)速變化很??；而輸出軸2擋齒輪及其所聯(lián)系的運(yùn)動(dòng)件的慣性較小，在同步過(guò)程中轉(zhuǎn)速迅速減小。給換擋手柄球頭施加圖6b所示位移，仿真求得手柄球頭反作用力矩如圖6c所示。圖7為換擋力換擋位移關(guān)系與對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。用同樣的方法，我們可以對(duì)2擋換1擋降擋過(guò)程進(jìn)行仿真分析，并獲得換擋力換擋位移關(guān)系（圖8）。換擋力-換擋位移曲線中最大換擋力體現(xiàn)了手動(dòng)變速器換擋難易程度，由此可以了解變速器的換擋性能。 由于實(shí)際換擋過(guò)程依靠駕駛員實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有不可避免的離散性，只有依靠大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)才能基本收斂，圖7和圖8將所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果一并列出，以便于對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。分析圖7和圖8可知，仿真

17、分析結(jié)果的換擋力幅值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近一致，但仿真換擋位移比實(shí)驗(yàn)小。首先，仿真位移在初始階段比實(shí)驗(yàn)滯后。這是因?yàn)槲锢順訖C(jī)從換擋手柄到同步器一系列連接中存在許多間隙，實(shí)驗(yàn)時(shí)只有消除這些間隙之后才能執(zhí)行實(shí)際的換擋功能，而虛擬樣機(jī)難以考慮由于制造和安裝帶來(lái)的間隙。其次，仿真換擋位移在結(jié)束階段比實(shí)驗(yàn)超前。實(shí)驗(yàn)時(shí)，最大換擋力產(chǎn)生過(guò)程伴隨一些桿件，塑料殼體等零件的變形，換擋力越過(guò)峰值迅速減小后，出現(xiàn)小于零的現(xiàn)象，這就是變速器的換擋吸入感。此時(shí)變形立即消失，上述的間隙也會(huì)重新產(chǎn)生。而虛擬樣機(jī)沒(méi)有考慮這些變形，也不會(huì)產(chǎn)生試驗(yàn)樣機(jī)的間隙。鑒于仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，我們完全可以實(shí)現(xiàn)變速器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段換擋難易程度

18、的仿真評(píng)價(jià)和影響因素分析，根本提高變速器換擋性能。轉(zhuǎn)速/(rads-1) 時(shí)間t/s 輸出軸二擋齒輪轉(zhuǎn)速同步器接合套轉(zhuǎn)速a 速度變化位移s/mm 時(shí)間t/s b 換擋手柄球頭位移力矩m/(nmm) 時(shí)間t/s c 手柄球頭反作用力矩圖6 1擋換2擋仿真結(jié)果換擋力f/n 換擋位移s/mm 仿真曲線 實(shí)驗(yàn)曲線 圖7 1擋換2擋仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線比較換擋力f/n 換擋位移s/mm 仿真曲線 試驗(yàn)曲線 圖8 2擋換1擋仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線比較4 結(jié)論本文以某型號(hào)汽車手動(dòng)變速器為研究對(duì)象，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立手動(dòng)變速器換擋過(guò)程多體動(dòng)力學(xué)模型，并重點(diǎn)研究了變速器軟軸和同步器建模方法。在此基礎(chǔ)上對(duì)手動(dòng)變速器動(dòng)力學(xué)模型兩種工況(1擋換2擋和2擋換1擋)換擋過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，獲得了與對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)基本一致的仿真分析結(jié)果，證明了建模方法的有效性。由此說(shuō)明了變速器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段換擋難易程度和影響因素分析，完全可以使用多體動(dòng)力學(xué)方法仿真實(shí)現(xiàn)，以提高變速器設(shè)計(jì)效率。參考文獻(xiàn)1 hoshino h. simulation on synchronization mechanism