基于ADMAS的汽車手動換擋器的換擋槽曲線設(shè)計

康少波，宋少云

(武漢輕工大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

基于ADMAS的汽車手動換擋器的換擋槽曲線設(shè)計

康少波，宋少云

(武漢輕工大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

提出了一種設(shè)計換擋槽曲線的方法，借助運動學(xué)仿真軟件ADMAS對換擋機構(gòu)進行簡化建模，先后將換擋槽曲線簡化建模為polyline和Gcurve曲線，并創(chuàng)建設(shè)計變量與其相關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建相應(yīng)的目標函數(shù)后進行ADMAS研究設(shè)計和ADMAS優(yōu)化分析，通過后處理獲取最優(yōu)換擋槽曲線。仿真結(jié)果與實際測量控制力反饋曲線接近，該方法在設(shè)計階段對換擋性能進行預(yù)測，有利于及早發(fā)現(xiàn)問題并對換擋槽曲線進行改進，不僅避免盲目試驗且降低了設(shè)計及測試成本。

換擋槽曲線；設(shè)計研究；優(yōu)化設(shè)計；ADMAS

Abstract：A method of designing the change slot curve is proposed. Using the kinematic simulation software ADMAS to simplify the modeling of the gearshift mechanism, the shift slot curve is simplified to the polyline and Gcurve curves, and the design variables are associated with the curve. The objective function is set up for design study and optimization. the best change slot curve is obtained in the post-processing. The simulation results are close to the control force feedback curve by actual measurement. The method predicts the change slot performance at the design phase, which is helpful to finding the problem early and improving the change slot curve, not only to avoid the blind test and to reduce the design and test cost.

Key words：shift slot curve; design study; optimization;ADMAS

1 引言

汽車手動換擋器的換擋槽曲線對換擋平順性、檔位清晰性和換擋靈活性有直接影響，而這些性能是評價變速器換擋機構(gòu)設(shè)計優(yōu)劣的重要指標。因此要求換擋槽曲線的設(shè)計在滿足駕駛員換擋操作舒適度要求的前提下，確保手動換擋機構(gòu)具有良好的換擋性能。

劉明周[1]等基于汽車換擋桿的操縱力反饋特性，提出一種換擋桿操控舒適性測評方法，該方法取得了較為準確、穩(wěn)定的測評效果。王汐文[2]等建立了同步器及換擋執(zhí)行機構(gòu)ADMAS多體動力學(xué)模型，模擬換擋機構(gòu)的升擋及降擋過程，通過仿真評價換擋機構(gòu)性能并對換擋執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。陳玉祥[3]等在實現(xiàn)同步器動力學(xué)模型完整功能的基礎(chǔ)上，建立了手動變速器換擋過程的動力學(xué)模型。使用ADMAS對換擋過程各階段進行仿真分析，得到了換擋力和換擋位移的關(guān)系。陳穎宇[4]等利用運動學(xué)仿真軟件ADMAS，根據(jù)調(diào)整后的間隙重新設(shè)計相應(yīng)擋位上的倒角，改善換擋卡滯的問題。

以上學(xué)者對汽車換擋機構(gòu)的換擋性能提出了卓有成效的研究方法，但是這些方法只能局限在已知換擋槽曲線的前提下考慮其它因素對換擋性能的影響，在以設(shè)計換擋槽曲線為目的的工程領(lǐng)域內(nèi)，不能為廣大的機械工程師設(shè)計服務(wù)。

針對上述問題，本文提出了一種方法，即通過測試設(shè)備獲取滿足駕駛者的舒適度要求的汽車換擋桿操縱力反饋曲線，借助運動學(xué)仿真軟件ADMAS反求最優(yōu)換擋槽曲線。

2 總體研究方案

對汽車手動換擋器的換擋槽曲線的設(shè)計以操縱力滿足駕駛員換擋舒適度要求為目標，在進行換擋槽曲線設(shè)計時，換擋機構(gòu)的其它構(gòu)件設(shè)計已經(jīng)完成，因此該設(shè)計問題可描述為：根據(jù)實驗測得駕駛者的操縱力反饋特性曲線，設(shè)計換擋槽曲線，以提高換擋性能。

ADMAS提供了簡化建模功能，換擋機構(gòu)的簡化模型如圖1所示。有些研究者在進行虛擬樣機仿真時，采用SolidWorks建模，導(dǎo)入ADMAS。這里采用ADMAS直接對換擋機構(gòu)進行簡化建模，主要是因為：(1)ADMAS可以方便的對簡化模型進行參數(shù)化。(2)便于彈簧的建模和參數(shù)設(shè)置。(3)便于設(shè)置換擋桿末端與換擋槽曲線的接觸。

圖1 換擋機構(gòu)的簡化模型

在ADMAS中對已知模型給定輸入進行仿真獲得輸出通常比根據(jù)輸出反求模型結(jié)構(gòu)參數(shù)要容易得多，根據(jù)操縱力反饋曲線直接求得換擋槽曲線是難以實現(xiàn)的，但是通過插值法參數(shù)化換擋槽曲線可以實現(xiàn)目標。實驗操縱力反饋特性曲線如圖2所示，先采用插值點法，通過ADMAS研究設(shè)計[1]和后處理得到一些滿足操縱力反饋曲線的換檔槽曲線的插值點坐標。完成上述找插值點的工作后，修改換擋槽曲線的簡化模型，通過創(chuàng)建樣條曲線的方式分段建立換擋槽曲線，修改設(shè)計變量并與樣條曲線相關(guān)聯(lián)，將ADMAS研究設(shè)計得到的插值點坐標對應(yīng)的設(shè)置為新的設(shè)計變量的初始值，進行ADMAS優(yōu)化設(shè)計仿真，通過后處理可以得到滿足操縱力反饋曲線的換擋槽曲線?？傮w解決方案如圖3所示。

圖2 操縱力反饋曲線

圖3 總體解決方案流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 換擋槽曲線的建模

利用插值點進行換擋槽曲線建模時，其插值點坐標初始值至關(guān)重要，直接影響ADMAS優(yōu)化分析結(jié)果的準確性。因此，對插值點坐標進行設(shè)計研究顯得尤為必要。為了解決這個問題，這里采用一個技巧，創(chuàng)建point_1作為換擋槽曲線的一個插值點，其x和y坐標作為設(shè)計變量，連接point_1與換擋桿終端作為曲線polyline_1，當設(shè)計變量發(fā)生變化時，polyline_1的斜率發(fā)生變化，驅(qū)動力矩也發(fā)生變化，直到驅(qū)動力矩與操縱力反饋曲線上對應(yīng)點的參數(shù)值吻合，即達到研究設(shè)計的目標，獲得其中一個插值點坐標的初始值。

其中，創(chuàng)建設(shè)計變量的方法如下：定義設(shè)計變量x_1和y_1，給定初始值和變化范圍，生成變量的選用值列表，對point_1的x和y坐標分別引用變量x_1和y_1，在設(shè)計研究過程中，設(shè)計變量會根據(jù)算法選取選用值列表中的參數(shù)值進行迭代計算。變量定義好后將曲線polyline_1的點關(guān)聯(lián)到變量，方式如下，注意：曲線polyline_1的每個插值點有三個坐標值x、y、z，分別用逗號隔開，不可錯亂。關(guān)聯(lián)好后，設(shè)計變量的基本值改變時，曲線polyline_1也發(fā)生變化。

由上述方法得到的一些插值點坐標擬合成換擋槽曲線，根據(jù)操縱力反饋特性曲線的角位移參數(shù)對模型給定輸入，進行仿真，后處理查看驅(qū)動力矩曲線與操縱力反饋曲線對應(yīng)的力矩曲線差距較大。這是因為換擋槽曲線的任何一點的斜率變化會導(dǎo)致驅(qū)動力矩發(fā)生急劇變化，與操縱力反饋特性曲線對應(yīng)的力矩曲線相差甚遠。為了解決這個問題，這里采用創(chuàng)建樣條曲線的方法，樣條曲線至少需要4個point連接而成，因此，取4個point連成樣條曲線Gcurve_1，而這4個point是根據(jù)操縱力反饋曲線第一段的三等分點的參數(shù)值進行設(shè)計研究得到的。

3.2 換擋槽曲線的優(yōu)化分析

完成上述換擋槽曲線第一段的建模后，需要修改設(shè)計變量，此處需要8個設(shè)計變量，分別為4個point的x和y坐標，其初始值為通過ADMAS設(shè)計研究得到的對應(yīng)point坐標值，給定相對變化范圍正負1。變量定義好后將樣條曲線Gcurve_1的四個point點關(guān)聯(lián)到8個變量。注意，對于樣條曲線必須同時用設(shè)計變量關(guān)聯(lián)4個point的x和y，這種做法避免了仿真過程中出現(xiàn)參數(shù)突變。

優(yōu)化分析的目標函數(shù)對于分析結(jié)果的準確性至關(guān)重要。這里可以根據(jù)操作力反饋曲線推導(dǎo)出力矩與角位移的函數(shù)曲線，將其設(shè)置為測量函數(shù)，使得仿真測得的驅(qū)動力矩曲線逼近該函數(shù)曲線。在ADMAS中，RMS函數(shù)用于返回對象的均方根，在優(yōu)化分析對話框中指定目標函數(shù)為驅(qū)動力矩曲線與力矩反饋曲線的差值的絕對值的均方根，優(yōu)化分析在目標函數(shù)值達到最小時完成。

4 結(jié)果及討論

換擋槽曲線第一段優(yōu)化分析結(jié)果如圖4所示。仿真驅(qū)動力矩隨時間變化曲線與實驗測得操作力矩反饋曲線變化趨勢非常接近。上述兩條曲線的差的絕對值與實驗測得操作力矩反饋曲線的比值為誤差，對比兩條曲線的誤差在允許誤差范圍內(nèi)，如圖5所示。

圖4 仿真測量力矩與實驗測量力矩的比較

圖5 仿真測量力矩與實驗測得力矩的誤差

換擋槽曲線第二段優(yōu)化分析結(jié)果如圖6所示。驅(qū)動力矩隨時間變化曲線與操作力矩反饋曲線變化趨勢接近。對比兩條曲線的誤差結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)，如圖7所示。

圖6 仿真測量力矩與實驗測量力矩的比較

圖7 仿真測量力矩與實驗測量力矩的誤差

換擋槽曲線第三段優(yōu)化分析結(jié)果如圖8所示。ADMAS軟件的內(nèi)嵌算法導(dǎo)致在仿真初始階段有一定的波動，而隨著仿真時間的進行驅(qū)動力矩隨時間變化曲線與操作力矩反饋曲線變化趨勢接近。對比兩條曲線的誤差結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)，如圖9所示。

圖8 仿真測量力矩與實驗測量力矩的比較

圖9 仿真測量力矩與實驗測量力矩的誤差

5 結(jié)束語

本文以汽車手動換擋器的換擋槽曲線為研究對象，采用虛擬樣機技術(shù)，在 ADMAS界面進行簡化建模，建立了手動換擋器換擋過程動力學(xué)模型。對其3個擋位的換擋過程進行了仿真分析，經(jīng)過后處理分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)與實驗測試結(jié)果基本保持一致，說明該研究方法對手動換擋器的換擋槽曲線研究行之有效。在手動換擋器的換擋槽曲線的設(shè)計階段完全可以通過該方法對換擋性能進行預(yù)測和優(yōu)化，以提高產(chǎn)品性能和設(shè)計效率，并且為同類手動換擋器的換擋槽曲線的設(shè)計工作提供參考。

[1] 劉明周，張淼，扈靜，等. 汽車換擋桿操縱力反饋舒適度測評方法[J].中國機械工程，2016，27(15)：2100-2105.

[2] 王汐文，宋田堂，林連華，等.電驅(qū)動2AMT換擋機構(gòu)ADMAS仿真及優(yōu)化[J].傳動技術(shù)，2017，31(1):44-48.

[3] 陳玉祥，臧孟炎，陳勇，等.基于虛擬樣機技術(shù)的手動變速器換擋力分析[J].中國機械工程， 2012，23(8):996-1000.

[4] 陳穎宇, 李強，何耀華，等. 基于尺寸鏈和運動學(xué)分析的手動變速器換擋機構(gòu)結(jié)構(gòu)改進研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2015,39(4)：883-887.

[5] 吳鳳英，李文衛(wèi)，卓瑞，等. 采煤機調(diào)高機構(gòu)優(yōu)化變量的敏感性研究[J]. 煤礦機械，2013,34，(9):55-57.

[6] 宋少云，尹芳. ADAMS 在機械設(shè)計中的應(yīng)用[ M] . 北京:國防工業(yè)出版社, 2015.

Design on shift slot curve of manual transmission based on ADMAS

KANGShao-bo,SONGShao-yun

(School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

2017-07-31.

康少波(1993-)，女，碩士研究生，E-mail:416246180@qq.com.com.

宋少云(1972-)，男，教授，E-mail:584554223@qq.com.

2095-7386(2017)03-0046-04

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.03.009

TP391.9

A