內(nèi)嚙合行星齒輪傳動(dòng)變速器起步仿真

張雨佳，李紅勛，貴新成，趙重年，肖利君

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院 國(guó)家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心，天津 300161；3．63987部隊(duì)，沈陽(yáng) 110179)

● 車(chē)輛工程VehicleEngineering

內(nèi)嚙合行星齒輪傳動(dòng)變速器起步仿真

張雨佳1，李紅勛2，貴新成1，趙重年1，肖利君3

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院 國(guó)家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心，天津 300161；3．63987部隊(duì)，沈陽(yáng) 110179)

為研究?jī)?nèi)嚙合行星齒輪自動(dòng)變速器起步性能，在內(nèi)嚙合行星齒輪傳動(dòng)變速器起步過(guò)程分析的基礎(chǔ)上，建立起步動(dòng)力學(xué)模型。并基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)建立裝配該自動(dòng)變速器的車(chē)輛起步模型，模型采用濕式離合器起步。根據(jù)起步條件確定離合器的控制策略，通過(guò)控制離合器壓力變化率來(lái)保證起步的平順性。對(duì)內(nèi)嚙合行星齒輪變速器起步過(guò)程的轉(zhuǎn)速、滑摩功和沖擊度進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：沖擊度能夠滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)17.64 m/s3的要求。

內(nèi)嚙合行星齒輪傳動(dòng)；壓力變化率；沖擊度；起步性能

內(nèi)嚙合行星齒輪傳動(dòng)中的行星輪結(jié)構(gòu)為環(huán)形，可同時(shí)與齒圈和太陽(yáng)輪內(nèi)嚙合，相比外嚙合行星輪而言，具有重合度高、傳遞轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)[1]。目前國(guó)內(nèi)外研制的變速器采用的離合器主要有濕式和干式兩類(lèi)[2]，本文以濕式離合器作為起步離合器。

1 內(nèi)嚙合變速器的結(jié)構(gòu)及工作原理

內(nèi)嚙合變速器的基本結(jié)構(gòu)為起步行星排和變速行星排串聯(lián)，變速器起步時(shí)，起步行星排的濕式離合器(下文簡(jiǎn)稱起步離合器)滑摩，帶動(dòng)變速行星排轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)起步離合器的結(jié)合與分離來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的中斷和傳遞，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該變速器包括1個(gè)起步行星排(行星排1)、4個(gè)變速行星排(行星排2～5)、5個(gè)離合器和5個(gè)制動(dòng)器。行星排1連接著變速器輸入軸，行星排5連接著變速器輸出軸。離合器C1連接著輸入軸和齒圈，制動(dòng)器B1連接著齒圈，使行星排1可以正向、反向傳動(dòng)。以離合器C1結(jié)合為例，當(dāng)車(chē)輛起步時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)C1傳遞給齒圈，制動(dòng)器B1分離，完成動(dòng)力傳遞。由于內(nèi)嚙合行星齒輪機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)行星齒輪機(jī)構(gòu)不同，因此，起步特性與液力機(jī)械式變速器存在差異。通過(guò)建立起步仿真模型，對(duì)內(nèi)嚙合行星齒輪變速器起步特性進(jìn)行分析研究。

2 內(nèi)嚙合齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模

內(nèi)嚙合行星齒輪變速器起步過(guò)程只有行星排1存在非線性傳動(dòng)，因此對(duì)行星排1進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。根據(jù)內(nèi)嚙合行星傳動(dòng)的工作原理，建立行星排起步動(dòng)力學(xué)模型(如圖2所示)。動(dòng)態(tài)模型主要包括兩個(gè)階段：一個(gè)是離合器滑摩階段；另一個(gè)是離合器同步階段。車(chē)輛起步的動(dòng)態(tài)過(guò)程就是滑摩階段向同步階段轉(zhuǎn)變的過(guò)程。

圖2 內(nèi)嚙合行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

圖2中：Tin為變速器輸入轉(zhuǎn)矩；Tr為輸出軸等效阻力矩；Tc為離合器轉(zhuǎn)矩；T1為行星輪對(duì)太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)矩；T2為行星輪對(duì)齒圈的轉(zhuǎn)矩；T3為行星輪上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；I1為太陽(yáng)輪上的等效慣量；I2為齒圈上的等效慣量；I3為行星架上的等效慣量；ω1為太陽(yáng)輪角速度；ω2為齒圈角速度；ω3為行星架角速度。

離合器滑摩階段動(dòng)力學(xué)微分方程為

(1)

(2)

(3)

F1rn-F2rw=0

(4)

(5)

式中：F1為行星輪與太陽(yáng)輪的嚙合圓周力;F2為行星輪與齒圈的嚙合圓周力；rs為太陽(yáng)輪半徑；rR為齒圈半徑；rn為行星輪內(nèi)徑；rw為行星輪外徑。

離合器同步階段動(dòng)力學(xué)微分方程為

(6)

ω1=ω2=ω3且Tc≤Tfmaxs

(7)

Tfmaxs=μsFnZRm

(8)

(9)

式中：Tfmaxs為離合器最大靜摩擦轉(zhuǎn)矩；μs為靜摩擦系數(shù)；Fn為摩擦片正壓力；Z為摩擦副個(gè)數(shù)；Rm為離合器有效半徑；Ro為摩擦片外徑；Ri為摩擦片內(nèi)徑。

3 變速器起步控制策略

裝配濕式離合器的車(chē)輛起步時(shí)，可以采用的控制策略有3種[3]：①比例控制策略。離合器結(jié)合后，活塞腔內(nèi)的正壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速線性增大，這種控制策略是目前廣泛采用的控制策略。②模糊控制策略。車(chē)輛起步時(shí)，模糊控制器根據(jù)駕駛員起步意圖和初始條件推理出結(jié)合壓力以及壓力變化率，這是離合器控制研究的熱點(diǎn)。③控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定或局部保持恒定的控制策略，以改善起步性能。本文采用的是第一種。

車(chē)輛起步前處于怠速狀態(tài)，離合器鋼片與摩擦片分離，不傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)車(chē)輛起步時(shí)，為縮短起步時(shí)間，保證車(chē)輛起步的快速性，離合器控制壓力迅速提升，使離合器傳遞較大轉(zhuǎn)矩。滑摩階段，為保證車(chē)輛起步的平順性，離合器片正壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成比例增加，根據(jù)駕駛員意圖和起步條件，控制離合器壓力大小和變化率。當(dāng)離合器閾值降為0時(shí)，滑摩消失，離合器控制壓力迅速再次增加，保證離合器具有較大的轉(zhuǎn)矩容量，能夠有效傳遞轉(zhuǎn)矩。在起步過(guò)程中，對(duì)離合器壓力的控制不僅要使車(chē)輛具有合適的沖擊度，起步平穩(wěn)，也要控制好滑摩時(shí)間，保證離合器具有可靠的壽命，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不能熄火。

4 內(nèi)嚙合變速器車(chē)輛起步建模

Matlab/Simulink主要用于機(jī)械和電力領(lǐng)域動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模仿真和分析，不須求解繁瑣的矩陣，可采用模塊聯(lián)接的方式直觀描述動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)[4]。本文基于Matlab/Simulink平臺(tái)建立了發(fā)動(dòng)機(jī)模型、滑摩階段模型、同步階段模型、狀態(tài)判斷模型和行駛阻力矩模型。

4.1發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模型

大量試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩都是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的函數(shù)[5]。當(dāng)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度一定時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以利用三次多項(xiàng)式插值擬合以獲取足夠的精度。本文將發(fā)動(dòng)機(jī)不同油門(mén)開(kāi)度和轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)輸入到Look up Table模塊中，對(duì)有限發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行三次多項(xiàng)式插值獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模型(如圖3所示)。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模型

4.2車(chē)輛起步過(guò)程仿真模型

根據(jù)內(nèi)嚙合行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，建立起步過(guò)程滑摩階段和同步階段模型(如圖4、圖5所示)。

5 起步過(guò)程仿真分析

5.1轉(zhuǎn)速仿真分析

圖6為離合器壓力變化率分別為1 000 N/s、1 500 N/s和2 000 N/s時(shí)，起步行星排三元件轉(zhuǎn)速。圖6表明在起步過(guò)程中，壓力變化率越小，太陽(yáng)輪(輸入軸)、齒圈和行星架(輸出軸)同步所用的時(shí)間越長(zhǎng)，同步時(shí)的轉(zhuǎn)速也越大；壓力變化率越大，太陽(yáng)輪、齒圈和行星架同步所用的時(shí)間越短，同步時(shí)的轉(zhuǎn)速也越小。

5.2滑摩功仿真分析

圖7為壓力變化率為1 000 N/s、1 500 N/s和2 000 N/s時(shí)，車(chē)輛的滑摩功仿真情況。結(jié)合圖6和圖7可以看出：壓力變化率為2000N/s時(shí)，

圖4 滑摩階段動(dòng)力學(xué)模型

圖5 同步階段動(dòng)力學(xué)模型

僅用時(shí)0.8 s離合器閾值便從100%降到0，此時(shí)離合器共產(chǎn)生滑摩功20 000 J；壓力變化率為1 500 N/s時(shí)，離合器閾值由100%降為0用時(shí)1.2 s，此刻滑摩功為29 000 J；當(dāng)離合器壓力變化率為1 000 N/s時(shí)，離合器閾值由100%降到0需要1.7 s，產(chǎn)生的滑摩功為42 000 J，將加快離合器的磨損，降低離合器的使用壽命。這就要求離合器的壓力變化率盡可能大。

5.3沖擊度仿真分析

圖8為壓力變化率為1 000 N/s、1 500 N/s和2 000 N/s時(shí)，車(chē)輛的沖擊度仿真情況。由圖8可以看出，壓力變化率1 000 N/s時(shí)，沖擊度為14.8 m/s3；當(dāng)壓力變化率1 500 N/s時(shí)，沖擊度達(dá)到19.1 m/s3；當(dāng)壓力變化率2 000 N/s時(shí)，沖擊度達(dá)到33.2 m/s3。由此可見(jiàn)，壓力變化率越大，沖擊度越大，起步品質(zhì)越差。這要求壓力變化率要根據(jù)起步意圖制定控制策略來(lái)調(diào)節(jié)，盡可能要減小沖擊度。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)、齒圈和離合器從動(dòng)片轉(zhuǎn)速

圖7 不同壓力變化率下的滑摩功

圖8 不同壓力變化率下的沖擊度

圖9所示為內(nèi)嚙合行星齒輪變速器與傳統(tǒng)液力機(jī)械式變速器的起步仿真結(jié)果。壓力變化率為1 000 N/s時(shí)，起步過(guò)程中內(nèi)嚙合行星齒輪變速器的沖擊度最大為14.8 m/s3，具有相同傳動(dòng)比的某型AT(相比內(nèi)嚙合齒輪變速器，本文簡(jiǎn)稱外嚙合變速器)正常起步的沖擊度仿真結(jié)果最大為28.2 m/s3，而我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的沖擊度值為17.64 m/s3[3]。由此可知，內(nèi)嚙合行星齒輪變速器在起步?jīng)_擊度方面具有一定優(yōu)越性，能夠滿足我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的沖擊度要求。

圖9 沖擊度對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)內(nèi)嚙合行星齒輪自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了內(nèi)嚙合行星齒輪機(jī)構(gòu)的工作原理，并對(duì)起步過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。對(duì)于該型自動(dòng)變速器，控制離合器片的壓力變化率，既可以縮短車(chē)輛起步時(shí)間，又能夠降低車(chē)輛起步?jīng)_擊度，確保車(chē)輛起步的快速性和平順性能夠滿足起步要求。與傳統(tǒng)液力機(jī)械式自動(dòng)變速器對(duì)比，內(nèi)嚙合變速器起步?jīng)_擊度小于液力機(jī)械式變速器，體現(xiàn)了其起步的平順性。

[1] 貴新成,詹雋青,葉鵬,等.高重合度內(nèi)嚙合復(fù)合擺線齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2017(1):55-64.

[2] 趙志強(qiáng),周云山,曹成龍.雙離合器自動(dòng)變速器建模與起步仿真分析[J].現(xiàn)代制造工程,2009(7):120-124.

[3] 馮挽強(qiáng).金屬帶式無(wú)級(jí)變速器起步離合器控制策略的研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2004.

[4] 鄭少青.無(wú)級(jí)變速器離合器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及其起步控制策略[D].湘潭:湘潭大學(xué),2012.

[5] 李健. 濕式雙離合器自動(dòng)變速器換擋品質(zhì)仿真研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2010.

(編輯：張峰)

StartingSimulationonInternalPlanetaryGearTransmission

ZHANG Yujia1, LI Hongxun2, GUI Xincheng1, ZHAO Zhongnian1, XIAO Lijun3

(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.National Emergency Transportation Equipment Engineering Technology Research Center, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China;3.Unit 63987, Shenyang 110179, China)

To study the starting performance of internal planetary gear transmission, the paper firstly analyzes the starting process of internal planetary gear transmission and establishes starting dynamic model. Then, it builds vehicle starting model of the automatic transmission with wet clutch by Matlab/Simulink simulation platform, and determines the control strategy of clutch according to the starting condition and ensure the smooth starting by controlling pressure variation rate of the clutch. Finally, it simulates the rotate speed, sliding friction work, and impact degree of internal planetary gear transmission in the starting process. The result shows that the impact degree can meet the national standard of 17.64 m/s3.

internal planetary gear transmission; pressure variation rate; impact degree; starting performance

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.10.009

TH132.4

A

1674-2192(2017)10- 0033- 05

2017-06-21；

2017-07-14.

張雨佳(1992—)，男，碩士研究生.