基于ADAMS 的DCT 傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

王寧凱

（鄭州日產(chǎn)汽車有限公司，河南鄭州 450018）

引言

變速器在拖拉機(jī)上的研發(fā)及應(yīng)用來看，按照歷史發(fā)展，主要涉及手動(dòng)變速器、自動(dòng)變速器、負(fù)載換擋變速器三種類型。手動(dòng)變速器在小功率拖拉機(jī)上應(yīng)用較多，負(fù)載變速器主要裝配在一些中型拖拉機(jī)上，而大型拖拉機(jī)一般裝配自動(dòng)變速器或全負(fù)載型換擋變速器。相比手動(dòng)變速器，自動(dòng)變速器解決了上述的主要問題，國內(nèi)目前在自動(dòng)變速器領(lǐng)域的研究也取得了較大進(jìn)展，特別是電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）和液力機(jī)械式自動(dòng)變速器（AT）的應(yīng)用，較大改善了產(chǎn)品的動(dòng)力輸出和性能，但仍然無法解決換擋過程的動(dòng)力中斷問題[1-2]。而裝有雙離合器變速器（DCT）的拖拉機(jī)在換擋時(shí)動(dòng)力中斷是不存在的，因此拖拉機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得到了改善，其作業(yè)效率和性能指標(biāo)也有較大提高。

1 模型建立

1.1 DCT 傳動(dòng)方案確定

本研究采用三中間軸式的傳動(dòng)方案，確定的傳動(dòng)方案有三根平行的中間軸，每根軸之間角度為120°布置，中心為奇數(shù)和偶數(shù)檔輸入軸，且到三根中間軸的距離相等，所選齒輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)一致，每個(gè)檔位模數(shù)、壓力角、齒數(shù)等都相同。三根中間軸上分別有四個(gè)檔位，布置有每個(gè)檔位的從動(dòng)齒輪。倒擋是通過安裝的在輸出軸的反向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，因此，此方案輸出(12+12)個(gè)擋位。

1.2 DCT 傳動(dòng)模型建立

通過傳動(dòng)比，確定傳動(dòng)系統(tǒng)中心距、齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒寬等參數(shù)，參數(shù)化建模時(shí)，對(duì)零件的約束通過公式完成，直齒輪的參數(shù)不同，通過設(shè)置公式進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)，可以建立整個(gè)系統(tǒng)的齒輪，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)依次繪制出雙離合器變速器結(jié)構(gòu)中的其他齒輪。

1.3 ADAMS 模型建立

在CATIA 軟件中建立了DCT 的總裝配體，由于ADAMS/View可以直接識(shí)別CATIA 文件，因此可以將DCT 總裝配體通過保存為合適的文件導(dǎo)入ADAMS/View環(huán)境中，進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真。

齒輪軸系中共有22 個(gè)齒輪，通過六根軸用固定副聯(lián)接。在ADAMS 中選擇固定副命令，再選擇2Bod-1loc，在需要聯(lián)接的兩構(gòu)件上分別選取，最后選擇一點(diǎn)放置該運(yùn)動(dòng)副[3]。

同理，在ADAMS 環(huán)境下，對(duì)DCT 傳動(dòng)系統(tǒng)添加其它約束，進(jìn)行虛擬樣機(jī)的創(chuàng)建。需要對(duì)其添加固定副、旋轉(zhuǎn)副、齒輪副以及驅(qū)動(dòng)和負(fù)載。對(duì)三根中間軸及輸入輸出軸添加旋轉(zhuǎn)副，輸入軸與大地固接，其它軸固接于輸入軸，每檔齒輪與軸之間添加固定副，每個(gè)獨(dú)立的零件體相互聯(lián)接，確立虛擬樣機(jī)整個(gè)空間的固定位置。在仿真環(huán)境下，再對(duì)其添加碰撞力，以創(chuàng)建更加真實(shí)的DCT 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，模擬其受力情況[4]。通過補(bǔ)償法和沖擊函數(shù)法對(duì)其添加接觸力。目前，使用最廣泛的接觸力方法為沖擊函數(shù)法。在Impact 選項(xiàng)下，需要確定接觸剛度、指數(shù)、阻尼和切入深度。最終完成虛擬樣機(jī)模型的約束設(shè)置。

2 拖拉機(jī)DCT 虛擬仿真分析

2.1 動(dòng)力性學(xué)仿真分析

以一檔為例，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，DCT 剩余檔位的仿真分析方法以此為據(jù)。一檔齒輪傳動(dòng)，有兩對(duì)齒輪嚙合，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩計(jì)算齒輪間的嚙合力。在輸入端、輸出端添加200 N·M 的力矩[5]。在ADAMS中，轉(zhuǎn)速單位為deg/sec（1rpm=6deg/sec），輸入2 000 rpm 即12 000 的仿真速度，得到齒輪的切向力、徑向力、軸向力、嚙合合力隨時(shí)間變化的曲線分別見圖1-4。

圖1 齒輪切向嚙合力

圖2 齒輪徑向嚙合力

圖3 齒輪軸向嚙合力

圖4 齒輪嚙合合力

2.2 基于ADAMS 的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

基于ADAMS 的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，為避免DCT 虛擬樣機(jī)由于沖擊所造成的輸入轉(zhuǎn)速的突變，采用階躍函數(shù)的方式對(duì)兩根輸入軸施加初試轉(zhuǎn)速。設(shè)輸入軸初試轉(zhuǎn)速函數(shù)為STEP（time，0，0d，0.2，13200d），輸入軸的輸出轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的關(guān)系見圖5，輸入軸轉(zhuǎn)速在0.2 s后保持不變。

圖5 輸入軸輸出轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化關(guān)系

以一檔為例，模擬其檔位的輸出轉(zhuǎn)速，對(duì)一檔添加接觸力與外載荷，得到一檔輸出轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線見圖6，一檔仿真輸出值在1 263 deg 左右，與理論值較為接近，說明DCT 傳動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定。

圖6 一檔輸出轉(zhuǎn)速

對(duì)其它檔位發(fā)仿真輸出轉(zhuǎn)速時(shí)，每個(gè)檔位需加載負(fù)荷和接觸力，給定其負(fù)載值為220 N·M。與一檔步驟相同，依次完成剩余檔位的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

3 仿真結(jié)果分析

對(duì)嚙合合力的理論計(jì)算值和基于ADAMS 的仿真值進(jìn)行比較，計(jì)算出兩者的誤差百分比。表1 是齒輪嚙合力的理論計(jì)算值和仿真值的比較結(jié)果，從表1 中可以看到，結(jié)果非常接近，因此可以判斷仿真設(shè)置的參數(shù)較為合理，驗(yàn)證了虛擬樣機(jī)模型的正確性[6]。

表1 齒輪嚙合力理論值和仿真值

齒輪的切向力曲線波動(dòng)較小，齒輪的切向力在4 856 N 附近比較集中；齒輪的徑向力在作周期性變化，考慮到齒輪的嚙合時(shí)嚙合齒數(shù)在持續(xù)改變，并且這一改變成周期性交替，齒輪的剛度也在周期性變化，因此曲線的波動(dòng)是合理的；齒輪軸向嚙合力在0 N 附近集中，這與直齒齒輪相符合；齒輪嚙合合力也是成周期性波動(dòng)，可以解釋為齒輪副在嚙合過程中，同時(shí)參加嚙合的齒數(shù)是成周期性交替變化。

每個(gè)檔位的輸出轉(zhuǎn)速通過傳動(dòng)比計(jì)算各個(gè)檔位的理論輸出轉(zhuǎn)速，與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，仿真得出的輸出轉(zhuǎn)速的平均值與理論輸出轉(zhuǎn)速結(jié)果非常相近，見表2 和表3。

表2 各檔輸出轉(zhuǎn)速理論值和仿真值

表3 各檔輸出轉(zhuǎn)速理論值和仿真值

每個(gè)檔位輸出轉(zhuǎn)速在“0”時(shí)刻都有一個(gè)明顯的突變，在轉(zhuǎn)速輸出瞬間，軸的轉(zhuǎn)速發(fā)生了一定的沖擊，此沖擊存在于十二個(gè)檔位的所有仿真曲線中。因?yàn)樵贒CT 齒輪嚙合時(shí)，它們之間有細(xì)微的齒側(cè)間隙的存在，能夠合理解釋沖擊的發(fā)生。仿真起始瞬間，齒輪間阻力可忽略不計(jì)，轉(zhuǎn)速以突變的形式增加，而當(dāng)兩對(duì)嚙合齒輪完全嚙合時(shí)，轉(zhuǎn)速的突變會(huì)很快消失，趨于穩(wěn)定。

輸出軸轉(zhuǎn)速在0.2 s 之前上升較快，0.2 s 之后輸出值作周期性變化，此變化穩(wěn)定保持在一定范圍之內(nèi)，這是由于齒輪完全進(jìn)入了嚙合狀態(tài)。由于嚙合時(shí)兩個(gè)齒輪相互接觸，其接觸剛度呈周期性改變，因此轉(zhuǎn)速的輸出值會(huì)在一定區(qū)間內(nèi)周期性波動(dòng)。齒輪嚙合沖擊產(chǎn)生了輸出轉(zhuǎn)速的周期性變化及波動(dòng)，這種動(dòng)力學(xué)特性在齒輪實(shí)際傳動(dòng)過程中也較為相符。

檔位變大，傳動(dòng)比變小時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)速曲線作周期性波動(dòng)的時(shí)間間隔變得越來越小。因?yàn)閭鲃?dòng)比的變小，轉(zhuǎn)速在輸出時(shí)會(huì)增大，使兩個(gè)嚙合齒輪的嚙合周期變小，轉(zhuǎn)速的增加提高了齒輪的嚙合頻繁度，因此周期性波動(dòng)的時(shí)間間隔會(huì)變小，也越容易發(fā)生。

拖拉機(jī)DCT 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真體現(xiàn)出了轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定輸出，除了在起始瞬間表現(xiàn)的突變較為明顯，在0.2 s 之后，其轉(zhuǎn)速輸出在一定區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

本文創(chuàng)建了拖拉機(jī)DCT 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS 對(duì)拖拉機(jī)DCT 傳進(jìn)行了傳動(dòng)特性仿真分析，仿真值和理論計(jì)算值誤差在合理范圍內(nèi)，對(duì)嚙合力波動(dòng)原因進(jìn)行了分析。對(duì)拖拉機(jī)DCT 齒十二個(gè)檔位進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，除了在起始瞬間表現(xiàn)的突變較為明顯，在0.2 s 之后，其轉(zhuǎn)速輸出在一定區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，穩(wěn)定性較好。