新型手動(dòng)變速器換擋二次沖擊仿真分析

李小龍 成起強(qiáng) 王新

摘 要：為了降低換擋過程中的二次沖擊，提升用戶體驗(yàn)，以降低換擋過程中輸出端當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為思路，文章設(shè)計(jì)了一款單向離合器式手動(dòng)變速器。新型變速器將輸出軸設(shè)計(jì)成兩段，并以單向離合器相連，全部前進(jìn)擋齒輪安裝在輸出軸的前段，與中間軸上各齒輪嚙合傳動(dòng)完成變速變扭功能。運(yùn)用ADAMS仿真軟件，對(duì)其換擋過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，獲得新型手動(dòng)變速器換擋二次沖擊曲線，通過與傳統(tǒng)手動(dòng)變速器換擋二次沖擊曲線的對(duì)比，揭示了新型手動(dòng)變速器在提高換擋平順性方面的優(yōu)勢(shì)，并通過仿真分析探究花鍵齒鎖止角及棱線角與換擋二次沖擊的關(guān)系，通過合理選擇鎖止角與棱線角數(shù)值，進(jìn)一步降低換擋二次沖擊。

關(guān)鍵詞：變速器;單向離合器;同步器;ADAMS;仿真

中圖分類號(hào)：U463.212+.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-98-05

A Simulation on the Secondary Impact of New Type Manual Transmission*

Li Xiaolong， Cheng Qiqiang， Wang Xin

（ School of Automotive Engineering， Tianjin Vocational Institute， Tianjin 300410 ）

Abstract： This paper proposes a new structure of the manual gearbox designed by the author， in order to reduce the equivalent moment of inertia at the output during shifting， and then reduce the secondary impact during shifting. The new gearbox designs the output shaft into two sections， which are connected with a one-way clutch. All forward gears are installed in the front section of the output shaft. The gears meshing drive with each gear on the intermediate shaft to complete the variable speed twisting function. The article aims at gaining the shift secondary impact curve of new manual transmission， which utilizing ADAMS simulation software to perform dynamic simulation analysis on the shift process. Compared with the shift secondary impact curve of traditional manual gearbox， it reveals the advantages of the new manual transmission in improving the smoothness of shifting. The relationship between the locking angle and ridgeline angle of the spline teeth and the secondary impact of the gear shift is explored through simulation analysis. By properly selecting the values of the locking angle and the ridgeline angle， the secondary impact of the gearshift can be further reduced.

Keywords： Transmission; One-way clutch; Synchronizer; ADAMS; Simulation

CLC NO.： U463.212+.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-98-05

前言

手動(dòng)變速器換擋二次沖擊是評(píng)價(jià)換擋操作性能的重要指標(biāo)，過大的二次沖擊將產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)及噪聲，影響換擋操作的舒適性及同步器的使用壽命。

目前，降低換擋二次沖擊的研究主要集中在同步器的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化方面。其中李曉春和褚超美等人，利用ADAMS軟件建立同步器多剛體動(dòng)力學(xué)模型，揭示了花鍵齒幾何參數(shù)對(duì)二次沖擊峰值的影響規(guī)律，獲得了最佳的花鍵齒參數(shù)組合，有效降低了二次沖擊的峰值[1]。余曉霞和張志剛等人利用AMESim軟件，建立同步器動(dòng)態(tài)仿真模型，分析了輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、鎖環(huán)摩擦系數(shù)及鎖環(huán)摩擦錐角與換擋二次沖擊、同步?jīng)_量等的關(guān)系，通過優(yōu)化分析得到了最優(yōu)模型，有效降低了二次沖擊的峰值[2]。

同步器輸入端、輸出端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)二次沖擊的大小有著重要影響，二次沖擊隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加而增大[2]。本文提出的輸出軸離合器式變速器，在換擋過程中通過單向離合器切斷變速器輸出端與傳動(dòng)系統(tǒng)的連接[3]，有效降低輸出端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，進(jìn)而降低結(jié)合套與結(jié)合齒圈結(jié)合時(shí)的二次沖擊[4]，并利用ADAMS軟件建立同步器動(dòng)力學(xué)仿真模型，通過模擬輸出軸離合器式變速器的換擋過程，獲得二次沖擊曲線，并與傳統(tǒng)手動(dòng)變速器二次沖擊曲線比較，驗(yàn)證了該新型手動(dòng)變速器方案對(duì)于有效降低換擋二次沖擊的可行性。

1 換擋二次沖擊產(chǎn)生的原因

當(dāng)鎖環(huán)通過摩擦作用使得動(dòng)力輸入端的齒輪與動(dòng)力輸出端的結(jié)合套同步后，結(jié)合套穿過鎖環(huán)與齒輪齒圈嚙合過程中經(jīng)歷一段空行程，在經(jīng)歷空行程的時(shí)段內(nèi)，由于離合器摩擦阻力矩的影響，動(dòng)力輸入端的齒輪轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低，于此同時(shí)動(dòng)力輸出端的結(jié)合套由于汽車輪胎滾動(dòng)阻力及行駛阻力的影響，速度也進(jìn)一步降低，但齒輪與結(jié)合套速度降低幅度不同而產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，這一轉(zhuǎn)速差就是齒輪齒圈與結(jié)合套嚙合時(shí)產(chǎn)生沖擊的原因，即二次沖擊的產(chǎn)生機(jī)理[1]。鎖環(huán)式同步器的工作過程如圖1所示。

二次沖擊的大小主要取決于動(dòng)力輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)速差以及輸入端與輸出端當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小。

2 輸出軸離合器式變速器工作原理

通過二次沖擊產(chǎn)生的原因分析，輸入端、輸出端當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小是影響二次沖擊大小的關(guān)鍵因素;設(shè)計(jì)一款輸出軸離合器式手動(dòng)變速器，目的在于減小換擋過程中輸出端當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，進(jìn)而降低換擋過程中的二次沖擊;新型變速器將輸出軸設(shè)計(jì)成兩段，并以單向離合器相連，全部前進(jìn)擋齒輪安裝在輸出軸的前段，與中間軸上各齒輪嚙合傳動(dòng)完成變速變扭功能，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

2.1 前進(jìn)擋階段

車輛處于前進(jìn)狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力輸出軸前段向輸出軸后段傳遞，單向離合器的單向鎖止功能實(shí)現(xiàn)輸出軸前段與后段的連接，動(dòng)力得以傳遞。

2.2 車輛換擋階段

車輛在換擋過程中，利用單向離合器單向傳動(dòng)的特點(diǎn)，單向離合器切斷了輸出軸后段與輸出軸前段的連接，在結(jié)合套與齒輪齒圈結(jié)合的過程中，輸出軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大大減小，可以有效降低結(jié)合過程中二次沖擊力的大小，完成平順換擋操作。

2.3 倒擋階段

倒擋齒輪安裝在輸出軸的后段，直接與倒擋惰輪及中間軸上的倒擋齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)倒擋動(dòng)力傳遞，由于倒擋操縱是在停車的狀態(tài)下進(jìn)行，不存在二次沖擊的現(xiàn)象。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)階段

當(dāng)駕駛員制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)液同時(shí)被輸送到變速器上設(shè)置的從動(dòng)缸，從動(dòng)缸推桿推動(dòng)單向離合器上的鎖止離合器撥叉，實(shí)現(xiàn)單向離合器內(nèi)外圈的鎖止，進(jìn)而滿足需要發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的工況。

綜上所述，輸出軸離合器的設(shè)計(jì)簡化了傳統(tǒng)變速器復(fù)雜的同步器部分，省去各檔位同步器的鎖環(huán)，降低了制造成本、減少變速器中有色金屬的使用，提高了使用壽命及運(yùn)行的可靠性。目前，一種輸出軸離合器式變速箱已取得發(fā)明專利，專利號(hào)ZL 2015 1 0238047.6。

3 輸出軸離合器式變速器模型建立

通過三維逆向掃描建模的方式搭建某輕型轎車三軸四速手動(dòng)變速器模型，首先進(jìn)行零部件數(shù)據(jù)掃描，其中中間軸的三維掃描數(shù)據(jù)如圖3所示，通過逆向建模獲得各零部件三維實(shí)體模型，最后通過裝配各零部件獲得手動(dòng)變速器裝配模型;在此裝配模型的基礎(chǔ)上增加單向離合器、去除各檔位同步器鎖環(huán)、調(diào)整齒輪位置獲得離合器式手動(dòng)變速器三維模型，如圖4所示，其各檔位傳動(dòng)比與原變速器相同。

通過三維模型指導(dǎo)輸出軸離合器式手動(dòng)變速器樣機(jī)的制作，完成樣機(jī)如圖5所示。

4 換擋二次沖擊動(dòng)力學(xué)仿真分析

4.1 動(dòng)力學(xué)分析模型搭建

由于三擋切換四擋時(shí)，動(dòng)力輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)速差最大，沖擊最劇烈，因此本文以四擋為例，利用ADAMS/view模塊建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，設(shè)置各部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系及接觸關(guān)系，如表1所示。

變速器各部件之間的接觸力采用沖擊函數(shù)進(jìn)行定義[5]，沖擊函數(shù)方程為：

（1）

式中：Fn為沖擊力;k接觸剛度;dmax為切入深度;e為力指數(shù);STEP為階躍函數(shù);g為最大阻尼系數(shù);cmax為最大摩擦因數(shù);dg/dt為切入速度。

結(jié)合套上的換擋力一般取100～150N，本文研究對(duì)象為緊湊型轎車，因此取120N，并采用典型換擋力曲線進(jìn)行定義，典型換擋力曲線如圖6所示。

在典型換擋力曲線中，換擋時(shí)刻t1之前表示退出原檔位，此時(shí)的換擋力主要克服結(jié)合套與接合齒圈的接觸摩擦力以及自鎖鋼球的自鎖力;t1至t2為同步器的同步階段;t1時(shí)刻開始，結(jié)合套克服與鎖環(huán)之間的間隙，將鎖環(huán)壓向結(jié)合齒圈的摩擦錐面并產(chǎn)生摩擦力矩，換擋力在此過程中逐漸增大并產(chǎn)生一個(gè)峰值;隨著鎖環(huán)與接合齒圈速度逐漸同步，換擋力逐漸減小，t2時(shí)刻完成同步;之后結(jié)合套花鍵齒穿過鎖環(huán)花鍵齒與接合齒圈結(jié)合時(shí)會(huì)再次產(chǎn)生一個(gè)較小的峰值;式中FA為常規(guī)換擋力，F(xiàn)max為換擋力峰值[6]。

本文研究結(jié)合套退出三擋并掛入四擋的同步過程，因此在ADAMS中采用STEP函數(shù)進(jìn)行換擋力的定義;其表達(dá)式為STEP=（0，0，0.1，120），表示0～0.1S換擋力由0N階躍到120N，其后其換擋力保持在120N。

除各部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系及接觸關(guān)系定義外，還需定義同步器輸入端、輸出端的以下仿真參數(shù)，本文以四擋為例定義輸入端、輸出端的仿真參數(shù);四擋為直接檔，傳動(dòng)比i4=1，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2200r/min，三擋傳動(dòng)比i3=1.36，當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及阻力矩的計(jì)算根據(jù)分析車型的總質(zhì)量、輪胎滾動(dòng)半徑、主減速比等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在此不再贅述，仿真參數(shù)定義如表2所示[7]。

輸出軸離合器式變速器由于在換擋過程中斷開變速器輸出軸與后面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)的連接，在進(jìn)行新型變速器換擋過程分析時(shí)，四擋同步器連接部分的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即輸出端當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為382500 kg·m2，同步器受到的阻力矩僅考慮軸承部分的摩擦力及潤滑油的阻力矩，經(jīng)計(jì)算為256N·mm。

定義完成運(yùn)動(dòng)關(guān)系、接觸關(guān)系、換擋力曲線及初始狀態(tài)仿真參數(shù)后的同步器ADAMS仿真模型如圖7所示[8]。

4.2 換擋二次沖擊峰值評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)換擋二次沖擊劇烈程度主要通過二次沖擊力峰值大小及沖擊時(shí)間寬度，以下通過對(duì)比傳統(tǒng)變速器及輸出軸離合器式變速器換擋二次沖擊波形圖，評(píng)價(jià)其換擋品質(zhì)。

如圖8至9所示，傳統(tǒng)變速器同步過程中，由于同步器鎖環(huán)的摩擦作用，結(jié)合套與齒圈的角速度不斷趨于一致，在55ms速度達(dá)到一致，而后結(jié)合套穿過鎖環(huán)與齒輪齒圈的嚙合過程中，由于離合器的摩擦阻力矩及汽車行駛阻力等的影響，結(jié)合套與齒輪齒圈嚙合過程中產(chǎn)生速度振蕩并產(chǎn)生二次沖擊現(xiàn)象，此傳統(tǒng)變速器二次沖擊自55ms開始，至77ms結(jié)束，持續(xù)22ms;最大沖擊力峰值為137N，發(fā)生在第一次沖擊波形，第一次沖擊波形持續(xù)時(shí)間5ms，第一次沖擊波形為影響換擋品質(zhì)的主要因素。

輸出軸離合器式變速器在換擋過程中，結(jié)合套與齒圈在52ms接觸，經(jīng)過速度的振蕩，在54.5ms達(dá)到轉(zhuǎn)速一致，如圖10所示;由于新型變速器去掉鎖環(huán)部件，結(jié)合套與齒圈直接接觸，兩者接觸后速度振蕩時(shí)間較短，經(jīng)歷2.5ms的振蕩后完成同步，其沖擊曲線出現(xiàn)一次較大峰值，峰值為88N，如圖11所示。

輸出軸離合器式變速器相比傳統(tǒng)手動(dòng)變速器，換擋二次沖擊指標(biāo)中，沖擊力峰值由137N降低至88N，沖擊持續(xù)時(shí)間由22ms減少至2.5ms。

輸出軸離合器式手動(dòng)變速器去掉各檔同步器鎖環(huán)，并在輸出軸增設(shè)單向離合器，由于單向離合器切斷了變速器輸出軸至車輪的傳動(dòng)系統(tǒng)部分，大大降低了掛入某檔位時(shí)結(jié)合套的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通過仿真分析，驗(yàn)證了其對(duì)于降低換擋二次沖擊的良好效果。

5 花鍵齒參數(shù)化仿真分析優(yōu)化

5.1 花鍵齒優(yōu)化參數(shù)的選擇

花鍵齒端鎖止角與花鍵齒端棱線角對(duì)換擋二次沖擊峰值有較大影響[1]，因此將鎖止角與棱線角作為設(shè)計(jì)變量，研究其與二次沖擊力峰值之間的關(guān)系，通過合理選擇鎖止角與棱線角的數(shù)值，進(jìn)一步降低輸出軸離合器式手動(dòng)變速器的換擋二次沖擊。

為保證同步器設(shè)計(jì)要求，并統(tǒng)計(jì)目前在產(chǎn)變速器的鎖止角范圍，確定接合套與結(jié)合齒圈花鍵齒鎖止角參數(shù)化范圍為90°至130°，優(yōu)化步長為5°;確定接合套與結(jié)合齒圈花鍵齒棱線角參數(shù)化范圍為0°至10°，優(yōu)化步長為2°。

5.2 鎖止角的參數(shù)化建模

ADAMS軟件提供了強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，通過參數(shù)化坐標(biāo)點(diǎn)的方式，驅(qū)動(dòng)接合套與結(jié)合齒圈花鍵齒鎖止角變化，實(shí)現(xiàn)花鍵齒鎖止角的參數(shù)化。

以齒輪齒圈花鍵齒為例說明鎖止角的參數(shù)化建模過程，為方便建模，傳動(dòng)齒輪通過UG建模并導(dǎo)入ADAMS的方式建立，結(jié)合齒圈花鍵齒通過ADAMS中Plate功能建立;首先，通過Point點(diǎn)建立花鍵齒邊界坐標(biāo)點(diǎn)，通過Plate建模時(shí)，為保證花鍵齒沿徑向拉伸，在建立每一個(gè)花鍵齒時(shí)需定義局部坐標(biāo)系，建立完成的齒輪齒圈如圖12所示。

對(duì)花鍵齒頂點(diǎn)Marker點(diǎn)的X坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化定義，進(jìn)而改變花鍵齒的鎖止角，參數(shù)化建模方式如圖13所示，其中?X為定義的設(shè)計(jì)變量，通過賦予設(shè)計(jì)變量?X系列數(shù)值，驅(qū)動(dòng)鎖止角在90°至130°內(nèi)變化，步長為5°。

運(yùn)用ADAMS軟件設(shè)計(jì)研究功能探究鎖止角與二次沖擊峰值之間的關(guān)系，接合套與結(jié)合齒圈花鍵齒鎖止角參數(shù)化范圍為90°至130°，優(yōu)化步長為5°，共進(jìn)行9次自動(dòng)仿真計(jì)算，仿真結(jié)果顯示，鎖止角對(duì)二次沖擊力峰值及沖擊持續(xù)時(shí)間影響較大，鎖止角與二次沖擊力峰值的關(guān)系如圖14、圖15所示;當(dāng)鎖止角為110°時(shí)，沖擊力峰值最小，且沖擊持續(xù)時(shí)間最短，因此，選擇110°作為變速器鎖止角的設(shè)計(jì)角度。

5.3 棱線角的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鎖止角與棱線角的多參數(shù)優(yōu)化數(shù)值組合過多，仿真成本過高，因此，在選擇鎖止角110°的基礎(chǔ)上，通過UG軟件建立不同角度棱線角的齒輪與接合套三位模型，棱線角選值范圍為0°至10°，優(yōu)化步長為2°。

通過ADAMS軟件共進(jìn)行6次二次沖擊仿真計(jì)算，棱線角與二次沖擊力峰值的關(guān)系如圖16、圖17所示，且棱線角為8°時(shí)，沖擊力峰值最小，且沖擊持續(xù)時(shí)間最短，因此，選擇8°作為變速器棱線角的設(shè)計(jì)角度。

6 結(jié)論

（1）針對(duì)二次沖擊的產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計(jì)一種輸出軸離合器式手動(dòng)變速器，目的在于換擋過程中切斷變速器輸出端與后面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)的連接，降低輸出端的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，進(jìn)而降低二次沖擊峰值及沖擊時(shí)間。

（2）利用ADAMS軟件建立多剛體動(dòng)力學(xué)分析模型，以換擋二次沖擊最大的四擋為例進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明輸出軸離合器式變速器可明顯降低二次沖擊的峰值及沖擊時(shí)間，為輸出軸離合器式變速器的設(shè)計(jì)及研發(fā)提供了設(shè)計(jì)思路及理論支持。

（3）研究結(jié)果具有普遍適用性，輸出軸離合器的結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于手動(dòng)變速器、AMT自動(dòng)變速器、雙離合自動(dòng)變速器，用于有效降低換擋二次沖擊。

（4）通過ADAMS軟件的參數(shù)化建模及設(shè)計(jì)研究功能，進(jìn)行花鍵齒鎖止角與棱線角的參數(shù)化分析，通過分析確定最佳的鎖止角與棱線角數(shù)值組合，進(jìn)一步降低二次沖擊力峰值及沖擊持續(xù)時(shí)間。

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