基于AMESim商用汽車AMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

徐立平， 王振宇

（1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州510075；2.哈爾濱宏泰偉業(yè)科技有限公司，哈爾濱150078）

0 引言

商用汽車使用條件惡劣，車輛負(fù)荷大，擋位多，換擋操作復(fù)雜，駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度高。電控自動(dòng)機(jī)械式變速器、（AMT）在原固定軸式有級(jí)變速器的基礎(chǔ)上，通過(guò)加裝自動(dòng)操縱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。AMT繼承了傳統(tǒng)機(jī)械變速器的傳動(dòng)效率高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是商用汽車AMT系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的好壞直接影響換擋品質(zhì)以及整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。商用汽車上有充足的氣源，開發(fā)電控氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以充分利用已有氣源。電控氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不污染環(huán)境、工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)具有反應(yīng)速度快、沖擊小、元件加工簡(jiǎn)單、便于布置等優(yōu)點(diǎn)。本文以某型商用汽車機(jī)械變速器為基礎(chǔ)，進(jìn)行了AMT系統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與性能仿真。

1 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須達(dá)到換擋過(guò)程平穩(wěn)、沖擊小、響應(yīng)快、中間位置定位準(zhǔn)確和防止產(chǎn)生過(guò)大的動(dòng)載荷等要求［1］，因此換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下面要求：

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)換擋力。選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性之一是產(chǎn)生合適的換擋力。換擋力過(guò)大，會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)在同步器主從動(dòng)部分未達(dá)到同步之前就強(qiáng)行換擋，導(dǎo)致接合套與目標(biāo)擋齒圈產(chǎn)生很大的沖擊，即“非同步?jīng)_擊”現(xiàn)象［2］，增加了換擋噪聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生打齒現(xiàn)象，影響同步器和變速器的壽命。換擋力過(guò)小，可能會(huì)出現(xiàn)掛不上擋的情況，并且使同步器滑摩時(shí)間增加，既延長(zhǎng)了換擋時(shí)間，又增大了滑摩功，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致同步器燒蝕。同步器扭矩引起的沖擊度和滑摩功與換擋力有著直接的關(guān)系，故需要重點(diǎn)控制選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的換擋力。

2）換擋速度。換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度直接決定換擋時(shí)間的長(zhǎng)短，是評(píng)價(jià)執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能好壞的重要指標(biāo)。換擋速度過(guò)快會(huì)產(chǎn)生比較大的換擋力，造成沖擊；換擋速度太慢，執(zhí)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)遲鈍，延長(zhǎng)換擋時(shí)間，增加變速器的功率損失，降低整車動(dòng)力性。

3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位精度。在換擋過(guò)程中變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)有3～4個(gè)工作位置，如果空擋位置定位不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致同步器結(jié)合套與結(jié)合齒圈非正常接觸，造成同步器結(jié)合套、接合齒圈等早期磨損，降低部件的使用壽命，同時(shí)導(dǎo)致變速器不能順利完成選擋動(dòng)作［3］。選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移控制是重點(diǎn)，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有良好的位置精度、運(yùn)行可靠，避免出現(xiàn)掛不上擋位、脫擋或非正常磨損。

2 換擋方案設(shè)計(jì)

某客車選用了8擋變速箱，變速箱由主箱和高低擋副箱組成，主箱有4個(gè)擋位，高低擋副箱有2個(gè)擋位，主箱和高低擋副箱串聯(lián)組合成8個(gè)擋位，變速箱動(dòng)力傳遞原理如圖1。主箱有3根換擋撥叉分別與3個(gè)結(jié)合套連接，控制1-5擋、2-6擋、3-7擋、4-8擋擋位。高低擋副箱有一根撥叉軸連接一個(gè)結(jié)合套，控制主箱擋位在低速還是高速，即是1擋還是5擋。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主箱和高低擋副箱分別由兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同控制。主箱采用正交式選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)（選擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)相互垂直），選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)都采用三作用三位置氣缸驅(qū)動(dòng)。高低擋副箱采用兩作用兩位置氣缸驅(qū)動(dòng)平行式換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見圖2。

根據(jù)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，在該系統(tǒng)中有8個(gè)電磁閥，其中 V1、V2、V3 控制主箱選擋氣缸，V4、V5、V6 控制主箱換擋氣缸，V7、V8控制高低副箱換擋氣缸。同時(shí)在主氣路中增加了電控調(diào)壓閥。換擋過(guò)程中各擋位電磁閥的邏輯關(guān)系如表1所示。

圖1 變速箱動(dòng)力傳遞原理圖

圖2 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案

表1 擋位電磁閥的邏輯關(guān)系表

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)換擋力分析

同步器換擋力的數(shù)學(xué)模型如圖3，假設(shè)潤(rùn)滑阻力影響不計(jì)，同步過(guò)程車速保持不變，根據(jù)牛頓第二定律、摩擦學(xué)公式，系統(tǒng)的輸入和輸出存在下列關(guān)系［4］：

式中：J1為輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；t為同步時(shí)間；ω1為輸入軸的角速度；ω2為輸出軸的角速度；ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角速度； in+1、in為變速器 in+1、in擋傳動(dòng)比；f為同步器摩擦錐面的摩擦因數(shù)；R、α為摩擦錐面的平均半徑和半錐角；F為換擋力。

圖3 同步器數(shù)學(xué)模型

根據(jù)式（1）～式（5）可以得出換擋過(guò)程中，作用在同步器上的換擋力F與同步時(shí)間的t關(guān)系為

式中ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式（6）可知，換擋力F與同步時(shí)間t相互影響，同步時(shí)間短則換擋力大，同步時(shí)間長(zhǎng)則換擋力小，同步時(shí)間確定后有唯一的換擋力與之對(duì)應(yīng)。由試驗(yàn)采集到手動(dòng)換擋時(shí)間為0.5 s，同步時(shí)間為0.2～0.3 s，根據(jù)式（6）可以計(jì)算各擋的換擋力大小，進(jìn)而確定最大換擋力，為執(zhí)行氣缸設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

換擋氣缸的換擋力存在如下的數(shù)學(xué)關(guān)系：

式中：D為氣缸缸徑；d為活塞桿直徑；Pin為進(jìn)氣腔壓力；Pout為排氣腔壓力；η為摩擦導(dǎo)致的損失系數(shù)。

通過(guò)式（7）可以得出影響方程平衡的變量為F、D、Pin、Pout、d。F 在式（1）～式（6）已經(jīng)求得。整車氣源壓力是恒定，排氣腔與大氣相通，得到 Pin、Pout近似值。根據(jù)式（7）和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定換擋執(zhí)行氣缸缸徑D和活塞桿直徑d，從而確定換擋部件的主要尺寸。

將計(jì)算得到的 F、D、Pin、Pout、d、換擋時(shí)間等參數(shù)，輸入到在“AMESim”上搭建的仿真分析模型，仿真分析換擋力的變化情況、換擋速度和換擋時(shí)間等情況，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證輸入?yún)?shù)是否符合實(shí)際需要。

4 換擋過(guò)程的AMESim仿真分析

“AMESim”軟件，其全稱為 Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems（高級(jí)工程系統(tǒng)仿真建模環(huán)境），它為流體（液體及氣體）、機(jī)械、控制、電磁等工程系統(tǒng)提供了一個(gè)較為完善的綜合仿真環(huán)境及靈活的解決方案。可以采用基本元素法按照實(shí)際物理的系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建自定義模塊或仿真模型。

“AMESim”軟件建模過(guò)程中，需要依次完成草圖模式（Sketch mode）、子模型模式（Submodel mode）、參數(shù)設(shè)置（Parameter mode）和運(yùn)行仿真（Run mode）四步。

1）草圖模式-搭建換擋氣缸系統(tǒng)模型。在“AMESim”軟件換擋氣缸分析模型應(yīng)與實(shí)際換擋氣缸實(shí)際物理模型結(jié)構(gòu)保持一致。系統(tǒng)中部件的連接方式應(yīng)與實(shí)際系統(tǒng)連接方式一項(xiàng)。建立的分析模型如圖4。

圖4 換擋氣缸分析模型

2）子模型模式-給元件分配子模型。氣缸采用缸體固定、活塞推桿移動(dòng)的PNPA001子模型。有三個(gè)端口，輸入氣體壓力、輸出力、距離、速度參數(shù)。采用兩個(gè)PNPA001子模型模擬實(shí)際氣缸機(jī)構(gòu)。在工作過(guò)程中氣缸的體積和壓力發(fā)生變化，在系統(tǒng)模型中加入PNCH012子模型。

負(fù)載和活塞限位使用帶摩擦的MAS005質(zhì)量塊子模型模擬，MAS005質(zhì)量塊輸入力，輸出距離、速度、加速度。

控制氣缸的換向閥，采用兩個(gè)兩位三通的伺服閥，其子模型為PNSV231_05。控制伺服閥的信號(hào)源選用帶有不對(duì)稱方波的PNSV231_05子模型，方波的周期、寬度可以調(diào)整。

氣源選用理想氣體PNGD001子模型。

3）參數(shù)設(shè)置。在參數(shù)設(shè)置中，AMESim將對(duì)前面所搭建的系統(tǒng)進(jìn)行各種檢查并生成可執(zhí)行代碼，說(shuō)明完成仿真的必須求解的方程。大多數(shù)AMESim子模型都有一組參數(shù)與之關(guān)聯(lián)，這些參數(shù)被設(shè)置為合理的默認(rèn)值，仿真運(yùn)行前需要把這些參數(shù)設(shè)置為實(shí)際值。設(shè)置的主要參數(shù)見表2。

表2 主要參數(shù)設(shè)置

4）運(yùn)行仿真。進(jìn)入仿真模式，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)開始時(shí)間0 s，結(jié)束時(shí)間10 s，通信間隔值0.1 s。開始仿真，結(jié)果如圖5～圖8。

從圖5～圖7可以得到，氣缸在0.3 s時(shí)活塞桿到達(dá)換擋位置，此時(shí)對(duì)應(yīng)的推力只有100 N，同步器會(huì)出現(xiàn)滑磨，接合套與目標(biāo)擋齒圈不能同步，產(chǎn)生沖擊，不能滿足換擋要求。因此將輸入壓力修正到0.5 MPa、換擋活塞直徑修正到0.06 m，仿真結(jié)果如圖7～圖8，在換擋開始0.9 s時(shí)達(dá)到要求的換擋力，同時(shí)到達(dá)指定換擋位置，滿足換擋要求。

5 結(jié)論

根據(jù)某客車8擋手動(dòng)變速器換擋機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和選換擋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)氣動(dòng)選換擋系統(tǒng)。計(jì)算換擋力、氣缸主要參數(shù)等，并用AMESim對(duì)氣動(dòng)換擋系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析，檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，為設(shè)計(jì)人員提供參考。

圖5 活塞桿移動(dòng)距離曲線

圖6 換擋力曲線

圖7 換擋力曲線

圖8 活塞桿移動(dòng)距離曲線

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