齒輪換擋建模與客觀化的換擋變速箱質(zhì)量手冊

齒輪換擋建模與

客觀化的換擋變速箱質(zhì)量手冊ChadchaiSrisurangkul碩士，工程師

GuntherAlvermann教授，博士

汽車工程學(xué)會，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)GS0913101黃越華（譯）職業(yè)生涯傳記第七屆國際城市電訊研討會“創(chuàng)新型汽車變速器“2008年12月1日至4日主講人姓名ChadchaiSrisurangkul公司TUBraunschweig汽車工程研究院職業(yè)生涯1997-2000年泰國特靈

機械工程師當(dāng)前職位;

工作職責(zé)2004年至今助理研究員在TUBraunschweig汽車工程研究院擔(dān)任工程師，主要負責(zé)換擋傳動領(lǐng)域的研究和發(fā)展摘要本文主要研究換擋需求和一種新的就換擋質(zhì)量而言改善換擋進程的研究方法。在過去幾年里，人們對車輛運行質(zhì)量的需求大大增加。就車輛運行質(zhì)量來講換擋是一個重要的組成部分。換擋質(zhì)量的基本原則是換擋手柄的操縱力。通過優(yōu)化操作力的方法，換檔質(zhì)量得以提高。為了達到這一目的，現(xiàn)已開發(fā)了例如測力系統(tǒng)，客觀化和模擬工具。在這些新開發(fā)工具的基礎(chǔ)上，可以評估在一個透明，高效和自動化的方式換檔變種，并尋找新的設(shè)計改進的潛力。

1、簡介

在過去幾年，人們在人機工程學(xué)，舒適性，安全性能等方面的要求對車輛的可操作性大幅度增加，已成為汽車品牌之間的區(qū)別一個顯著特征。車輛是由不同的組件組成，而客戶以不同的方式來產(chǎn)生對車輛的整體印象。換檔機構(gòu)是手動變速箱車輛的一個重要組成部分。

換檔是司機和車輛之間的傳輸接口。司機經(jīng)常操控該機構(gòu)，因此，它可以對司機的印象有很大的影響。司機對換擋手柄的感覺，來源于視覺效果以及手柄的材質(zhì)。一方面是觸覺印象的旋鈕和操作力曲線，另一方面是換擋時的聲學(xué)效果。在換檔的要求大致可以概括為以下屬性：順暢，準(zhǔn)確以及無噪音，無振動。這些要求的提出來源于汽車市場，換言之客戶群。換擋的重點是換擋品質(zhì)。評估的最重要的標(biāo)準(zhǔn)就是換擋力。之后推出了開發(fā)力測量系統(tǒng)和客觀的工具，它支持改善優(yōu)化換檔過程的效率。這是通過定義為力曲線和評估測試者的調(diào)查客觀的參數(shù)。一個新的模擬開發(fā)工具，它可以檢測個人的重大影響在操作力曲線參數(shù)，揭示改進的潛力。最后，將得到一個結(jié)論如何，工程師可以利用這些優(yōu)勢開發(fā)工具。2、動機和目標(biāo)

目前，換檔主要是基于主觀評價的基礎(chǔ)上通過試驗優(yōu)化轉(zhuǎn)向操作力。工程師換檔和評價。如果主觀評價不滿意，換檔將根據(jù)不同的經(jīng)驗繼續(xù)試驗。即轉(zhuǎn)化為由工程師來評定。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)參數(shù)也是變化的，然后得到不同的評價結(jié)果??，直到滿意，見圖1。

由于越來越多的車型在市場上和齒輪蔓和慣性永久性地增加，所以人們也將投入更大的努力去優(yōu)化。因此需要新的方法，使開發(fā)工作更加高效。換擋測試主觀評價換擋力系列基于經(jīng)驗的多樣化參數(shù)圖1：基于換擋的優(yōu)化試驗對于我們的方法，我們側(cè)重于評價過程的改進和設(shè)計變更。在評估過程中的齒輪轉(zhuǎn)向主觀感受和操作力的關(guān)系是非常重要的。因此，我們嘗試用客觀的方法建立這種關(guān)系。用客觀的方法，可以客觀評價最優(yōu)操作力曲線的標(biāo)準(zhǔn)。這推進了建設(shè)性參數(shù)換檔系統(tǒng)的變化。研究新的多樣化方法，從而可以優(yōu)化換擋。但是，通過變化參數(shù)的積累建立一個真正的組件非常耗費成本和時間。此外，在發(fā)展過程中才開始評價相當(dāng)晚。因此，需要制定一個有意義的模擬工具，從而可以使在移動過程中具有預(yù)見的操作力。圖2展示了早期過程中成本和時間花費的最優(yōu)化方案。圖2通過客觀的評價方法和仿真工具換檔優(yōu)化3、換擋的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)車輛的輸電及驅(qū)動程序參數(shù)設(shè)置影響換檔主觀感受。操作力，人機工程學(xué)，觸覺，光學(xué)和聲學(xué)是特別重要的標(biāo)準(zhǔn)，見圖3。圖3：換檔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)操縱力人機工程學(xué)聲學(xué)觸覺視覺與其他標(biāo)準(zhǔn)相比，操縱力對換擋的影響最大。操作力可分為三個方面：

·換擋力

·選擇力

·推力與其他力相比，例如選擇和推力，換擋力對換擋影響最大。這是由于人機工程學(xué)和大量的高頻操縱所引起的。因此，換擋力在換擋品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)中起決定性作用。4、對象化4.1測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能建立主觀認知和換擋力測量系統(tǒng)之間的關(guān)系，首先必須測量換擋力。除了換擋力，如換檔行程，所有必要的參數(shù)都需要在換擋過程中記錄下來。用一個位置和角度傳感器來確定換檔旋鈕的當(dāng)前位置。三維旋鈕位置可以使用兩個角度傳感器和一個位置傳感器來確定，見圖4。這個系統(tǒng)的一個獨特優(yōu)勢是標(biāo)準(zhǔn)換檔旋鈕都可以使用。因此，需要在換擋機構(gòu)上建立一個快速的，非破壞性測量系統(tǒng)。除了位置和角度傳感器，還需要力傳感器來測量人手在縱向和橫向的的力量。為此，在橫向和縱向?qū)?dǎo)線應(yīng)變儀應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)換擋按鈕。以電阻變化為基礎(chǔ)來測量力。圖4：換擋力測量系統(tǒng)上述的測量系統(tǒng)是用于測量類似的變量。

測試車輛都配備了實時測量系統(tǒng)，能夠輕松地記錄變量并從汽車CAN總線測量數(shù)據(jù)。這種測量系統(tǒng)允許在±10V范圍類似的變量。所記錄的數(shù)據(jù)掃描頻率約為500Hz。如上所述，圖5顯示了完整系統(tǒng)的測量鏈。圖5：測量鏈4.2目標(biāo)參數(shù)辨識由測量信號決定的所謂的客觀的目標(biāo)參數(shù)是必要的，因此需要一種自動的評估工具。不僅可以從測量信號自動識別目標(biāo)參數(shù)，也進行分類轉(zhuǎn)移。評價的工具在換擋過程中測量信號的處理經(jīng)證明是非常強大和可靠的。用智能算法，評估工具不需要作為評價輸入信號傳輸輸入速度。在直接通過變速箱輸入速度的換擋階段，是可以自行確定的。所以車輛中的變速表不是必須的。因此換擋可以通過簡單便宜的方法進行評估。在確定客觀參數(shù)的過程中，所謂的特征點，是在換擋力曲線上自動和粗略地確定的。這些決定的特征點測量信號，見圖6。圖6特征點的識別時間時間換擋力換擋行程在這些點的基礎(chǔ)上，可以計算出目標(biāo)參數(shù)。每次換擋大約可以確定40個目標(biāo)參數(shù)，見圖7。通過測試人的實驗后，從這些所有目標(biāo)參數(shù)中選擇最有代表性的參數(shù)。

目標(biāo)參數(shù)的例子有最大操作力，最大同步力量，同步時間等。圖7：客觀參數(shù)的示例4.3實驗與測試人員根據(jù)初步測試的結(jié)果，選取五種車型完成必要的實驗。這五種車型換擋力大不相同。要求24個試驗人員在按照車型配置組合，在測試矩陣上進行換擋操作，并加速和制動，打出一分到十分，然后進行評估。測試的目的是得到預(yù)定換擋的主觀評價。稍后用于建立從測量信號確定的目標(biāo)參數(shù)和測試者通過相關(guān)分析得到的的主觀評價之間的關(guān)系。參加測試的24名人員中，包括7名婦女和17名男子，年齡在在23至45歲不等，被選中參加這個實驗。由于他們都有資格，并對手動變速箱的車輛有良好的認知。測試人員必須在實驗開始前習(xí)慣車輛，最大限度地減少一個陌生的車輛對測試造成的干擾。

測試車輛變化非常迅速，測試監(jiān)事確保車輛在當(dāng)前汽車測試人回來后，隨時準(zhǔn)備好下一次測試。這一點特別重要，因為測試者忘記觸覺印象非?？?。這也是為什么測試者在再次駕駛新車前被提醒三次參考換擋的原因。每輛車的測量數(shù)據(jù)都是連續(xù)記錄的，只要測試者換擋，隨后的換擋記錄均是唯一被識別和分類的。每輛車試驗完成之后，將進行7至11次換擋方面的評估。測試主管一直在車上坐著，負責(zé)控制測量設(shè)備，對規(guī)范和轉(zhuǎn)移的主觀痕跡記錄。他還要注意測試人的速度不斷地變化和換擋的正確率。每人測試的46次換擋評估的結(jié)果，被用作回歸分析的基礎(chǔ)，來確定計算目標(biāo)分析的對象模型。4.4確定客觀模型要確定對象化模型，首先根據(jù)第4.2節(jié)確定個人的目標(biāo)參數(shù)。在統(tǒng)計評價中，應(yīng)用相關(guān)和回歸分析，以便獲得演算模型形式的對象化結(jié)果。通過方程計算和目標(biāo)化參數(shù)獲得目標(biāo)分數(shù)。見圖8。圖8：創(chuàng)建目標(biāo)模型5、建模與仿真通常情況下，換檔包括三個過程：脫離當(dāng)前的齒輪，選擇一個新的齒輪嚙合。嚙合新齒輪是唯一考慮到這項工作中簡化模擬的過程。這一進程的發(fā)展主要取決于同步系統(tǒng)。目前博格華納系統(tǒng)通常用于手動變速箱。在[4]詳細描述了齒輪的嚙合過程。齒輪嚙合的進程有一個復(fù)雜的非線性動態(tài)特性。出于這個原因，不僅影響了傳輸，而且對所有相關(guān)要素都有。這些相關(guān)要素一般包括駕駛員的行為，外部轉(zhuǎn)移，傳輸和動力傳動系統(tǒng)。5.1駕駛員當(dāng)然每個駕駛員的駕駛習(xí)慣不同。我們的目的是創(chuàng)建一個可以通過改變參數(shù)輕易調(diào)整的通用模型，來代表相關(guān)的駕駛和換擋行為。當(dāng)司機的想法和對換擋操作有反應(yīng)時，他就成為了一個整體閉環(huán)系統(tǒng)的一部分。要識別輸入變量，首先必須清楚駕駛員想要什么？駕駛員的駕駛意圖是什么？通過安裝在車輛中的視頻進行評估，計算和分析初始的換擋進程。這一分析表明，駕駛員的意圖取決于換擋速度和換擋進程階段。將一個變量PID控制器集成到模型中，驅(qū)動程序模型的輸入和輸出變量見圖9。圖9駕駛員模型

5.2外部換擋外部換擋可以看做是一個軟體和一個大眾彈簧阻尼系統(tǒng)的模型。剛度，阻尼和摩擦特性集成特性曲線的形式模型。剛度，阻尼和摩擦特性集成特性曲線的形式模型。

如果換檔系統(tǒng)由推拉導(dǎo)線組成，其特點必須加以考慮，例如彈性，效率和依賴于設(shè)計的反彈。5.3傳輸

必須考慮代表所有換擋相關(guān)部件傳輸?shù)膭討B(tài)。包括齒輪組，齒輪比，傳動軸以及內(nèi)部換擋，例如撥叉和同步設(shè)備。

與其他組件比較，同步器件是我們的傳輸模型的重要組成部分。同步調(diào)整，并確保速度上移力有很大的影響。同步模型，詳細說明了同步的過程。為達到這一目的，必須考慮對于同步的各個階段的動態(tài)行為。同步模型包括預(yù)同步生效的特性曲線的定義，齒套，齒輪以及負載相關(guān)摩擦力的接觸。此外，我們認為旋轉(zhuǎn)和平移的同步過程中的組成部分運動在同一時間內(nèi)發(fā)生。5.4完整的動力系統(tǒng)

一個完整的傳動系統(tǒng)模型模擬并產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)動態(tài)轉(zhuǎn)變過程中實際傳輸負載。完整的動力系統(tǒng)，例如，我們認為半軸和傳動軸是軟結(jié)構(gòu)。車輪與路面之間的接觸被看作是行駛阻力。

5.5仿真模型

仿真計算與Dymola的方案。該模型是基于Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫以及我們自己的程序模塊庫的基本要素。圖10是一個為部隊裝備換擋的仿真模型的例子。圖10：模擬模型

5.6仿真結(jié)果

可以看出模擬運行后的結(jié)果，見圖11。從該圖可見，換擋力，換檔行程及速度隨時間的變化。這相當(dāng)于對測量數(shù)據(jù)的滿意度的體現(xiàn)，如圖6所示。圖11：模擬結(jié)果在“預(yù)同步”階段增加往復(fù)運動的目的是彌補套筒和同步器閉鎖環(huán)之間強烈的反沖，產(chǎn)生的軸向力是為了克服摩擦力和制動力。只要滿足同步器齒套環(huán)，相“同步“就開始了。由于位置鎖定，因此在這個階段的行程幾乎保持不變。軸向力由司機增加。軸向力導(dǎo)致離合器和動力傳動系統(tǒng)之間的速度調(diào)整，如右圖所示。離合器的傳動提高到了動力傳動系統(tǒng)水平的速度。傳動系統(tǒng)的速度幾乎保持了不斷的動力系統(tǒng)，因為慣性力矩比離合器要大。如果差速等于零，鎖定條件不再滿足?；瑒犹淄惨苿右淮?。軸向力將下降。如果滿足齒輪嚙合，軸向力將急劇增加。這就是所謂的第二個高峰的力量。當(dāng)他接觸齒輪，克服偏差，形