變速器操縱裝置氣路控制參數的優化設計研究

張發勇，郭增鋼

(陜西法士特集團公司 汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119)

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變速器操縱裝置氣路控制參數的優化設計研究

張發勇，郭增鋼

(陜西法士特集團公司 汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119)

摘要：以一種汽車變速器操縱裝置氣路控制機構的原理及工作過程出發，研究其設計的基本方法，用其準確的數學物理模型進行描述，并借助matlab軟件進行參數的優化設計。在參數的優化設計過程中，研究其設計的基本規律和相關參數與目標功能參數之間的關系，并指出了在進行該類機構的設計過程中特別需要注意的事項。

關鍵詞：變速器；氣路控制參數；優化設計

0引言

隨著機械優化設計技術和CAD技術的飛速發展,各種優化設計方法和工具性軟件不斷涌現,這些為在實際工作中做出最佳的設計提供了可能。現以一款汽車多檔位主副箱復合式變速器操縱裝置的氣路控制參數的設計入手，通過對其工作過程精確建模，并利用matlab軟件所提供的豐富工具進行優化設計，選擇最優的參數，使氣路控制系統工作更可靠，性能更優異。同時，總結了該類結構的一些設計方法和技巧[1，2]。

1操縱裝置氣路控制系統的工作原理

圖1為某8檔變速器的檔位圖，其操縱裝置的具體實現方式如圖2所示。

圖1　某8檔變速器單H操縱的檔位圖

在圖2中，壓縮空氣經空氣濾清調節器L調節后，以670~710KPa的壓力進入主氣路M，并到達氣路控制閥B的進氣側，由氣路控制閥B控制壓縮氣體是否可以通過氣管A到達單H閥C的進氣側。在氣路控制閥B的進氣側有一條紅色氣管，壓縮空氣經紅色氣管進入手柄G。手柄G上設置的高低檔控制開關，控制壓縮氣體是否可以通過黑色氣管進入單H閥C的控制氣口側。

圖2　變速器單H操縱的原理圖

當進行高低檔位區的切換時(如5檔降4檔)，駕駛員在變速器的5檔時先將高低檔開關置于低檔區位置，此時，單H閥C的控制側的壓力使得單H閥C的進氣管路接通換檔氣缸D的低檔進氣管路E，同時將氣缸D高檔側的壓縮氣體通過單H閥C排入大氣，為副箱高低檔位區的轉換做好準備。但由于此時變速器的主箱仍處于掛檔狀態，氣路控制閥B處于截止狀態，主氣路M的壓縮氣體無法通過截止閥B，所以副箱不進行轉換。然后，駕駛員將變速器從5檔摘至空檔，此時，氣路控制閥B導通，壓縮氣體經氣管A、單H閥C及低檔進氣管E進入副箱氣缸D的低檔側，使得副箱高低檔同步器從高檔掛向低檔，從而使得變速器進入低檔區。這時，駕駛員再將變速器掛入4檔，氣路控制閥再次處于截止狀態，從而完成了從高檔區向低檔區的轉換。低檔區向高檔區轉換時，與上述過程相似，不再贅述。

圖3所示為氣路控制閥B的作用原理圖。圖示位置為變速器處于空檔時的狀態，此時，氣路控制閥B的柱塞處于撥頭2的V型凹槽內，氣路控制閥導通。當變速器掛入某一檔位后，撥頭2繞其軸心旋轉一定的角度，此時撥頭將氣路控制閥B的柱塞頂出V型槽，氣路控制閥截止。

圖3　氣路控制閥的作用原理圖

2單H操縱裝置存在的問題引出及探討

雖然上述操縱裝置在原理上可以實現設定的功能，但是仍然存在一定的設計隱患。接上文(當進行5檔降4檔操作時)，駕駛員在5檔檔位時，將手柄G上的高低檔預選開關置于低檔區位置，此時單H閥C將副箱進行高檔降低檔的氣路已經準備好。駕駛員在換檔的過程中，氣路控制閥B的柱塞從撥頭2的圓弧面向V型槽滑落的過程中肯定存在一點，在這一點氣路控制閥B的將開始導通，即此時將開始有壓縮氣體經單H閥C進入副箱氣缸D，副箱開始高低檔位區的轉換。但此時撥頭2尚未到達空檔位置，此時進行副箱高低檔位區的切換將造成由于主箱仍處于掛檔狀態使得副箱同步器的同步慣量大大增加，超出同步器的承受能力，造成轉換過程中的滑套撞擊聲和副箱同步器摩擦材料的早期損壞。

為避免上述問題，需要對氣路控制閥B的導通行程m、柱塞球頭半徑r、撥頭2的圓弧半徑R、V型槽的角度β進行合理的設計。

3氣路控制模型的建立

將圖3所示的氣路控制閥B的作用原理圖簡化為圖4所示的形式。圖中m、r、R、β如上文所述，L為氣路控制閥B的安裝面距離撥頭旋轉軸線的距離，A為氣路控制閥即將導通時其柱塞的伸出長度，點(x0,y0)為撥頭2處于空檔位置時柱塞球頭與V型槽斜面的接觸點，點(x1,y1)為氣路控制閥B導通瞬間柱塞球頭與V型槽斜面的接觸點在撥頭回到空檔位置后在圖示坐標系中的對應點。

圖4　氣路控制閥作用原理簡化圖

根據圖4所述的原理圖，只有設計合理的參數使得轉角θ足夠小(其中θ=θ2-θ1)，才能避免變速器主箱仍在檔位時，氣路控制閥B就開始給副箱氣缸D通氣，從而使副箱同步器開始轉換，造成的換檔撞擊聲和摩擦材料早期磨損問題。根據圖4所述的機械裝置和作用原理得到了如下形式的一組公式：

(1)

(2)

式(1)是根據撥頭和柱塞在氣路導通瞬時的幾何位置關系，由余弦定理得到。式(2)根據撥頭2在空檔位置時的幾何位置關系(x0=-rsinβ-m，y0=rcosβ)，由以撥頭軸心為圓心的圓的方程和過點(x0,y0)且傾角為β的V型槽斜面的直線方程聯立而來。由式(2)可以求得點(x1,y1)，從而得到式(3)：

(3)

對于特定的操縱裝置，其L、A往往為已知常數，對于任意一組m、r、R、β，都可以根據上述式(1)、式(2)、式(3)，求得θ1、θ2，從而得到轉角值θ。

4氣路控制參數的優化

由于m、r、R、β受到撥頭和氣路控制閥結構和尺寸的限制，只能在特定的區間內取值，因此，可以在該范圍內對可以取得的數值進行合理的選擇，使得轉角θ值最小，從而達到最優設計。

根據操縱裝置的尺寸要求和設計經驗，可設定各參數的取值范圍如下：

利用matlab軟件提供的豐富函數庫和強大的計算功能，在上述取值范圍內，對式(1)～式(3)進行求解，得到了θmin=1.75°，此時m=2.0、r=6、R=42.5、β=35°。從該結果中，可以看出，m、β取區間的最小值，r取區間的最大值，R取區間內的值時，轉角取得最小值θmin。于是，對于該類設計，可以得到如下的經驗：

1) 導通行程m和V型槽的角度β越小，轉角值越小；

2) 柱塞球頭半徑r越大，轉角值越小；

3) 撥頭2的圓弧半徑R夠用即可，過大和過小都會使轉角增大；

為驗證上述結論，對式(1)-式(3)進行了進一步的分析。

4.1轉角差θ隨柱塞球頭半徑r和撥頭有效半徑R的關系

取β=35°、m=2.26，m和R的取值范圍分別為：

得到了圖5所示的轉角值θ的分布圖形。此時，最小轉角差為2.03°，此時氣路控制閥球頭半徑為r=4.75，撥頭有效半徑為R=41.8mm。

圖5　轉角差隨氣閥球頭及撥頭半徑的關系

4.2轉角差θ隨V型槽角度β和導通行程m的關系

取r=4.75、R=41.8，β和m的取值范圍分別為：

得到圖6所示的θ的分布圖形，此時，最小轉角差仍為2.03°，此時撥頭凹槽角度β為35°，氣路控制閥截止行程m為2.26mm。

圖6　轉角差隨撥頭凹槽角度及導通行程的關系

通過上述1、2兩部分的論證，說明本部分開始得出的優化結論是正確的。在進行該類結構的設計時，應充分考慮上述參數變化對目標參數的影響，在結構允許的情況下，合理選擇相關參數的具體數值及公差(有的參數對公差特別敏感，如導通行程m)，使得目標參數得到優化。

5結語

1) 介紹了主副箱復合型變速器單H操縱的結構原理和工作過程；

2) 通過對該單H操縱工作原理的介紹，指出了現有結構存在的問題，并對該問題進行了詳細的分析，建立了其數學模型；

3) 研究了該系統數學模型的特點，并利用matlab軟件對該系統模型進行分析和優化，得出了具體的優化參數，可以指導設計改進的進行；

4) 所介紹的優化設計方法，對該類結構的設計具有普遍的指導意義。

參考文獻:

[1] 申永勝. 機械原理教程[M]. 北京：清華大學出版社，1999: 102-115.

[2] 劉會燈，等. Matlab編程基礎與典型應用[M]. 北京：人民郵電出版社，2008: 51-182.

Study of Optimization Design for Pneumatic Control Parameters

of A Transmission Shifting Mechanism

ZHANG Fa-yong,GUO Zeng-gang

(Shaanxi Fast Group CO., LTD., Xi’an 710119, China)

Abstract:This paper introduces the principle and working process of pneumatic control system of a kind of transmissions, studies its design methods and mathematical equation and optimizes the parameters by matlab software. In the optimization process, it also studies the basic design rules of this kind of systems and the relationships between these design parameters and the objective parameters and points out the special attentions in design process of this kind of systems.

Keywords:transmission; pneumatic control parameter; optimization design

收稿日期：2014-11-27

中圖分類號：U463.212

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0174-03

作者簡介：張發勇(1980-)，男，山東德州人，工程師，主要從事變速器設計及同步器設計研究。