重型車輛換擋同步過(guò)程建模仿真分析

吳明達(dá)，郝寶蘭

（山東公路技師學(xué)院汽車工程系，山東 濟(jì)南 250100）

引言

重型車輛在換擋過(guò)程中容易出現(xiàn)同步打齒造成換擋沖擊現(xiàn)象，這是換擋操縱控制不當(dāng)造成的，致使當(dāng)前擋位齒輪與目標(biāo)擋位齒輪未達(dá)到同步強(qiáng)行嚙合產(chǎn)生“非同步?jīng)_擊”的現(xiàn)象。它不但影響了汽車乘坐的舒適性，同時(shí)還會(huì)降低變速器的使用時(shí)間。所以，對(duì)車輛換擋過(guò)程的研究可以有效降低同步打齒，延長(zhǎng)變速器使用壽命[1]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)換擋過(guò)程研究大都采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，例如使用UG或Catia等軟件構(gòu)建準(zhǔn)確的模型幾何體，再使用Adams進(jìn)行換擋過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真。由于Adams具有“黑箱性”，所以這種方法不適合對(duì)換擋過(guò)程進(jìn)行深入研究。本文利用分階段機(jī)理分析的數(shù)學(xué)建模與仿真的方法，將換擋過(guò)程分階段分析，建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真研究。通過(guò)試驗(yàn)證明該方法可以相對(duì)完整的仿真整個(gè)換擋過(guò)程，尤其適合動(dòng)態(tài)特性的研究。

1 換擋同步過(guò)程理論分析

以降擋為例。首先，接合套在換擋力的作用下從低擋摘至空擋，此時(shí)接合套在慣性力的作用下會(huì)繼續(xù)保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？論鯐r(shí)，鎖環(huán)與目標(biāo)擋齒圈錐面并沒(méi)有接觸，它們之間有微小的間隙，并且鎖環(huán)在軸向可以自由移動(dòng)。在換擋力的作用下，同步過(guò)程開(kāi)始：

第一階段：接合套在換擋力的推動(dòng)下繼續(xù)向高擋靠近，滑塊也通過(guò)定位銷移向高擋，這時(shí)鎖環(huán)的缺口端面會(huì)與滑塊的端面接觸，鎖環(huán)與目標(biāo)擋齒圈錐面的間隙消除。

第二階段：換擋力繼續(xù)作用接合套，由于鎖環(huán)與目標(biāo)擋齒圈的轉(zhuǎn)速不一樣，所以兩者接觸時(shí)便產(chǎn)生滑摩。鎖環(huán)受到摩擦力的作用，相對(duì)接合套轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，當(dāng)鎖環(huán)的凸起與花鍵轂的開(kāi)槽相互接觸后，鎖環(huán)便與接合套一起旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，鎖環(huán)的齒端倒角會(huì)與接合套的齒端倒角抵觸，它們兩者不能嚙合，這即是鎖止?fàn)顟B(tài)。

第三階段：換擋力作用下的接合套齒端倒角會(huì)對(duì)鎖環(huán)產(chǎn)生一個(gè)撥環(huán)力矩，而鎖環(huán)與目標(biāo)擋齒圈之間產(chǎn)生摩擦力矩。鎖止的時(shí)候，摩擦力矩大于撥環(huán)力矩，使鎖環(huán)與接合套之間不能嚙合。由于接合套與整車連接，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，目標(biāo)擋部分只與離合器從動(dòng)部分連接，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)小于接合套部分，因此接合套部分的轉(zhuǎn)速變化很小。當(dāng)鎖環(huán)與接合齒圈錐面滑摩時(shí)，目標(biāo)擋的轉(zhuǎn)速會(huì)迅速下降，摩擦力矩也會(huì)越來(lái)越小，兩者轉(zhuǎn)速幾乎相等時(shí)，此時(shí)撥環(huán)力矩會(huì)大于摩擦力矩。鎖環(huán)通過(guò)撥環(huán)力矩會(huì)相對(duì)接合套轉(zhuǎn)動(dòng)半個(gè)齒的距離，鎖環(huán)花鍵齒與接合套花鍵齒嚙合，同步鎖止過(guò)程結(jié)束。

第四階段：接合套會(huì)繼續(xù)軸向移動(dòng)，直到接合套花鍵齒與目標(biāo)擋接合齒圈花鍵齒抵觸，此時(shí)接合套通過(guò)換擋力再次對(duì)接合齒圈產(chǎn)生撥環(huán)力矩使齒圈相對(duì)鎖環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，完成它與接合套的嚙合，到此換擋過(guò)程結(jié)束[2～3]。

2 換擋同步過(guò)程建模分析

2.1 同步過(guò)程建模假設(shè)

車輛在行駛過(guò)程中會(huì)受到諸多因素的影響，針對(duì)不同的仿真目的建立模型考慮的因素也不盡相同。本文主要是根據(jù)變速器的換擋規(guī)律研究車輛的換擋過(guò)程，因此在建立模型和動(dòng)態(tài)仿真時(shí)進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化以求達(dá)到理想的效果，使仿真既具有車輛一般的動(dòng)態(tài)特性還有簡(jiǎn)單便捷的特點(diǎn)。針對(duì)本文研究車輛模型作如下規(guī)定[4～5]：

（1）車輛中各個(gè)零件質(zhì)量視為集中質(zhì)量；（2）傳動(dòng)軸和半軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量忽略不計(jì)；

（3）傳動(dòng)系部件的阻尼，行駛中的扭振、擺振不予考慮；（4）車輛的行駛路徑始終是直線。

2.2 同步過(guò)程建模

通過(guò)對(duì)換擋過(guò)程分析和假設(shè)，得到影響同步時(shí)間的因素。但我們假設(shè)同步轉(zhuǎn)矩為同步過(guò)程中的最大值，不隨時(shí)間變化。其實(shí)，在實(shí)際的同步過(guò)程中，同步轉(zhuǎn)矩時(shí)刻都是發(fā)生變化的，它與液壓缸壓力、換擋力成正比。所以，我們?cè)诒竟?jié)建立的模型中，同步轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著時(shí)間變化，同時(shí)還會(huì)考慮輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，它與轉(zhuǎn)速成正比。結(jié)合上述分析，同步階段數(shù)學(xué)模型如下[6～8]：

式中：Ji—輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jo—輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωs—輸入轉(zhuǎn)速；ωv—輸出轉(zhuǎn)速；bi—主動(dòng)部分摩擦系數(shù)；bo—被動(dòng)部分摩擦系數(shù)；Ts—同步轉(zhuǎn)矩；Tfv—行駛阻力矩；Tfc—離合器阻力矩。

同步轉(zhuǎn)矩可以表示為：

式中：F—施加在接合套上的換擋力；α—摩擦錐面半錐角；Rc—摩擦錐面平均半徑；μ—摩擦系數(shù)。

滑摩功表示鎖環(huán)與接合齒圈錐面滑動(dòng)摩擦所做的功[3]。滑摩功越高，就表示所做的功都轉(zhuǎn)化成熱量，鎖環(huán)的溫度也就越高。溫度過(guò)高，鎖環(huán)的熱負(fù)荷加重，它就會(huì)被燒蝕，影響同步器壽命和承載能力，進(jìn)而影響變速器的工作性能。滑摩功表達(dá)式如下[9～10]：

式中：Ts—同步轉(zhuǎn)矩；△ω—同步器接合時(shí)轉(zhuǎn)速差；Ts—同步開(kāi)始時(shí)間；Te—同步結(jié)束時(shí)間。

由以上方程搭建仿真模型如圖 1，其中液壓缸油壓、離合器阻轉(zhuǎn)矩、行駛阻力矩為輸入，輸出參數(shù)有轉(zhuǎn)速差△ω、滑摩功Ls。

圖1 同步過(guò)程模型

3 換擋同步過(guò)程仿真分析

3.1 仿真結(jié)果分析

依據(jù)上述理論，對(duì)換擋同步過(guò)程建立模型，以三擋降二擋過(guò)程為例進(jìn)行同步過(guò)程仿真，液壓缸油壓、離合器阻轉(zhuǎn)矩、行駛阻力矩為輸入信號(hào)，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 同步速差仿真曲線

圖3 同步轉(zhuǎn)矩仿真曲線

（1）以降擋過(guò)程為例，在0.04s時(shí)，同步轉(zhuǎn)矩迅速開(kāi)始增加，此點(diǎn)是同步器鎖環(huán)錐面與

目標(biāo)擋齒圈錐面剛接觸時(shí)刻，即 0～0.04s為摘擋過(guò)程。由于鎖環(huán)與齒圈接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊，所以在大約0.05s至0.07s時(shí)同步轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，0.07s后沖擊逐漸消失同步轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定，同步過(guò)程開(kāi)始。大約在0.6s時(shí)，同步轉(zhuǎn)矩迅速下降，同步過(guò)程完成，接合套花鍵齒與同步環(huán)花鍵齒完成嚙合。0.6s后，接合套繼續(xù)與齒圈嚙合，完成換擋過(guò)程。

（2）以降擋過(guò)程為例，在0～0.04s時(shí)，同步速差變化不大，0.04s之后，鎖環(huán)與齒圈接觸開(kāi)始，由于輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)大于輸入端，在這里假設(shè)輸出端轉(zhuǎn)速不變，目標(biāo)擋轉(zhuǎn)速開(kāi)始迅速升高，同步速差開(kāi)始降低，同步過(guò)程開(kāi)始。最終當(dāng)鎖環(huán)與齒圈同步時(shí)，即同步速差為零時(shí)，同步過(guò)程結(jié)束。

4 結(jié)論

（1）分析了同步器的工作原理以及運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，提出分階段建模方法，得出換擋同步過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型；

（2）對(duì)換擋同步過(guò)程進(jìn)行仿真，得出同步轉(zhuǎn)矩與同步速差仿真曲線，仿真結(jié)果與車輛實(shí)際換擋過(guò)程基本符合；

（3）通過(guò)試驗(yàn)證明模型能夠正確描述同步過(guò)程，可以有效地預(yù)測(cè)換擋過(guò)程，為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制策略制定提供參考。