手動(dòng)變速器整車虛擬樣機(jī)換擋品質(zhì)分析

張小坤，吳遠(yuǎn)迪，葛琳，張靜

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

手動(dòng)變速器整車虛擬樣機(jī)換擋品質(zhì)分析

張小坤，吳遠(yuǎn)迪，葛琳，張靜

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

手動(dòng)變速器選、換擋力是評(píng)價(jià)整車換擋性能的重要指標(biāo)。文章介紹的包含詳細(xì)同步器的整車系統(tǒng)仿真模型，可模擬車輛行駛過程中變速器同步器的同步運(yùn)動(dòng)過程，仿真分析手柄球換擋力特性曲線。換擋力的仿真結(jié)果與GSA試驗(yàn)結(jié)果相吻合。基于此模塊化的整車系統(tǒng)仿真 模型，可對(duì)換擋機(jī)構(gòu)和同步器等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可評(píng)估新產(chǎn)品的換擋品質(zhì)，為同步器等關(guān)鍵元件的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

變速器；換擋機(jī)構(gòu)；同步器；換擋力

引言

近年來隨著手動(dòng)變速器的發(fā)展和應(yīng)用，換擋品質(zhì)分析變得越來越重要，傳統(tǒng)的換擋品質(zhì)分析是通過試驗(yàn)臺(tái)或者整車樣機(jī)來完成，在仿真方面缺少詳細(xì)的同步器模型以及整車系統(tǒng)仿真環(huán)境，本文介紹的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和手動(dòng)變速器的整車系統(tǒng)模型，是基于 SimulationX系統(tǒng)仿真平臺(tái)建立，即可仿真模擬靜態(tài)換擋力，同時(shí)可提供整車行駛環(huán)境，進(jìn)行動(dòng)態(tài)換擋力仿真，并觀察整車的動(dòng)態(tài)特性，此環(huán)境更接近于駕駛員實(shí)際操作的情況，通過仿真分析，對(duì)手動(dòng)變速器的前期設(shè)計(jì)進(jìn)行初步評(píng)估與優(yōu)化，減少后期的優(yōu)化和試驗(yàn)次數(shù)，縮短研發(fā)周期。

系統(tǒng)仿真模型不僅設(shè)置了整車行駛環(huán)境，同時(shí)考慮了影響換擋性能的主要因素，如換擋機(jī)構(gòu)的杠桿摩擦與間隙、拉索的剛度與效率、發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性、曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與摩擦、離合器的減震、變速器傳動(dòng)軸的剛度、齒輪的側(cè)隙與剛度、同步器齒輪結(jié)構(gòu)、同步器的嚙合運(yùn)動(dòng)以及輪胎與車身的行駛阻力等，系統(tǒng)仿真時(shí)控制車速（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）與試驗(yàn)測(cè)試的工況相同，然后進(jìn)行各擋位的換擋動(dòng)作。

1 整車系統(tǒng)建模

本文以華晨汽車研究院某5速手動(dòng)變速箱車型為研究對(duì)象，其選換擋機(jī)構(gòu)組成如圖1所示，包含手球、拉索、杠桿、換擋軸、detent和撥叉軸等結(jié)構(gòu)，為了模擬整車行駛環(huán)境，除了建立選換擋機(jī)構(gòu)模型，還需建立發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、半軸、輪胎以及車身等模型。

1.1 選換擋機(jī)構(gòu)建模

選換擋機(jī)構(gòu)模型包括選擋機(jī)構(gòu)和換擋機(jī)構(gòu)，圖2為選換擋結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，根據(jù)選擋桿的位置判斷可換的擋位，模型中設(shè)定選擋桿位置為(0,0)時(shí)，可換 3/4擋，選擋桿位置在左側(cè)，可換1/2擋，選擋桿位置在右側(cè)時(shí)，可換5/R擋。

圖1 選換擋機(jī)構(gòu)3D圖

圖2 擋位路徑示意圖

使用1D平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械模型庫(kù)來搭建選換擋結(jié)構(gòu)模型，定義結(jié)構(gòu)質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、杠桿比、選換擋剛度、換擋剛度、拉索剛度、拉索效率、detent、撥叉軸限位、結(jié)構(gòu)間隙和摩擦力等。換擋模型如圖3所示，選擋模型類似。

圖3 換擋模型

圖4 齒輪副模型

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器建模

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線

4缸1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)模型中設(shè)置曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，外特性曲線如圖6所示，建立發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型，在動(dòng)態(tài)換擋時(shí)根據(jù)換擋過程的實(shí)際操作，控制離合器的打開和閉合動(dòng)作。

離合器的模型主要考慮離合器的摩擦片尺寸，靜摩擦系數(shù)，滑動(dòng)摩擦系數(shù)，質(zhì)量飛輪、離合器外殼、壓盤、摩擦片、從動(dòng)盤和傳動(dòng)軸等轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖7 離合器模型

圖8 離合器特性曲線

1.3 手動(dòng)變速器建模

手動(dòng)變速器的模型包括傳動(dòng)軸、齒輪和同步器等結(jié)構(gòu)。

1.3.1 傳動(dòng)軸

軸的模型由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模型、扭轉(zhuǎn)彈簧和阻尼模型組合而成。根據(jù)輸入、輸出軸的的形狀（變截面）、動(dòng)力（扭矩）的作用位置對(duì)軸進(jìn)行劃分。根據(jù)鋼材的剪切模量G，軸的長(zhǎng)度L和直徑d（外徑和內(nèi)徑），計(jì)算出劃分軸段的剛度：

對(duì)軸進(jìn)行剛度劃分后，再對(duì)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的分段劃分，原則是每個(gè)剛度兩邊各考慮一段轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。根據(jù)每段軸的幾何尺寸與密度ρ，可以計(jì)算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

1.3.2 齒輪副模型

齒輪結(jié)構(gòu)模型，需添加齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒寬、螺旋角、側(cè)隙等參數(shù)，根據(jù)變速器的擋位齒輪布置，建立對(duì)應(yīng)的齒輪副模型。齒輪副模型見圖4所示。

1.3.3 同步器建模

圖9 同步器模型

圖10 變速器模型

本5擋變速器同步器為慣性式同步器，分為單向同步器和雙向同步器兩種，1/2擋，3/4擋使用雙向步器，5擋使用單向同步器結(jié)構(gòu)。同步器的原理圖如圖9所示，添加實(shí)際的齒形參數(shù)后，可通過三維視圖來預(yù)覽齒形結(jié)構(gòu)，并可查看同步過程動(dòng)畫。

1.3.4 5擋手動(dòng)變速器模型搭建

在輸入、輸出軸之間添加齒輪副和同步器，手動(dòng)變速器總成仿真模型如圖10所示。

1.4 車輛模型建模

變速器通過差速器將動(dòng)力傳遞到半軸、輪胎上，模型如圖11所示，此模型考慮了半軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與剛度，輪胎的滑移曲線、滾動(dòng)半徑、及滾動(dòng)慣量，車輛模型考慮了風(fēng)阻、滾阻、坡度阻力和質(zhì)量。

圖11 車輛模型

圖12 整車模型

1.5 整車模型搭建

將上述建立的變速器分析模型、發(fā)動(dòng)機(jī)分析模型、整車模型進(jìn)行搭載，即可完成手動(dòng)變速器整車仿真分析模型，搭載后的整車模型見圖12所示。

2 整車換擋系統(tǒng)測(cè)試

本文介紹的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)為GFI公司的GSA 整車換擋質(zhì)量分析系統(tǒng)，可測(cè)量換擋過程中各傳動(dòng)軸速度、換擋球柄在X、Y、Z方向上的受力及在X、Y方向的行程。按操作員要求，以2維圖表示載荷、行程、時(shí)間、速度和擋位五個(gè)參數(shù)中的任何兩個(gè)參數(shù)的關(guān)系，例如，行程與時(shí)間，載荷與行程距離，載荷與速度、擋位等。

圖13 GSA整車換擋質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)

圖14 GSA測(cè)試曲線

圖15 靜態(tài)選擋力對(duì)比

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括硬件采集設(shè)備和軟件處理分析工具，如圖13所示。

通過各傳感器來測(cè)量選擋力、換擋力、選擋行程、換擋行程、車速(CAN Bus)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (CAN Bus)等，圖14為試驗(yàn)中多次測(cè)試換擋力的結(jié)果曲線。

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

本文主要針對(duì)靜態(tài)選、換擋力和動(dòng)態(tài)換擋力進(jìn)行比較。

3.1 靜態(tài)選、換擋力

靜態(tài)測(cè)試和仿真時(shí)車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，用很小的力緩慢的操作換擋手柄從空擋位置到各擋位位置，得出換擋力與行程的曲線，測(cè)試時(shí)連續(xù)重復(fù)此動(dòng)作20 次以上，圖15中左圖為進(jìn)1擋的換擋力測(cè)試結(jié)果，X軸為行程，Y軸為例，右圖中紅色曲線是根據(jù)試驗(yàn)曲線描繪的結(jié)果，藍(lán)色曲線是仿真得到的結(jié)果，圖16為進(jìn)4擋的結(jié)果對(duì)比，其它結(jié)果相似，不一一列舉。

圖16 靜態(tài)換擋力對(duì)比（進(jìn)1擋）

圖17 靜態(tài)換擋力對(duì)比（進(jìn)4擋）

選擋力測(cè)試時(shí)，在行程兩端來回運(yùn)動(dòng)，選擋力的對(duì)比如圖17所示，左圖為多次測(cè)試曲線，右圖紅色曲線為試驗(yàn)結(jié)果，藍(lán)色為仿真結(jié)果。

3.2 動(dòng)態(tài)換擋力

動(dòng)態(tài)換擋力測(cè)試時(shí)，保持車輛在路況良好的測(cè)試跑道或高速公路上，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器充分預(yù)熱，手球速度設(shè)置為120 mm/s，換擋時(shí)間約0.5 s，動(dòng)態(tài)換擋主要觀察換擋力，換擋行程和二次沖擊（圖 13），二次沖擊是影響換擋舒適性的重要因素，發(fā)生在剛剛同步后出現(xiàn)的一個(gè)較大的峰值力，通常我們用換擋力比二次沖擊力來確定二次沖擊的程度，當(dāng)“力比值”小于2 時(shí)，二次沖擊在換擋手球上的感覺會(huì)很明顯，選擋過程與靜態(tài)仿真類似，不再贅述。

動(dòng)態(tài)換擋可以測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的結(jié)果：

控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500 rpm，由2擋進(jìn)1擋的動(dòng)態(tài)換擋力對(duì)比結(jié)果如圖18所示。

控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000 rpm，由3擋進(jìn)4擋的動(dòng)態(tài)換擋力對(duì)比結(jié)果如圖19所示。

控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2500 rpm，由4擋進(jìn)3擋的動(dòng)態(tài)換擋力對(duì)比結(jié)果如圖20所示。

測(cè)試時(shí)偶爾會(huì)產(chǎn)生較大的二次沖擊，圖18中的二次沖擊力約45N，換擋力約120 N，力比值大于2，仿真的結(jié)果可看到二次沖擊力，但均在測(cè)試結(jié)果范圍內(nèi)，變速器的換擋力比值滿足要求，圖18未考慮換擋行程限制，在換擋行程末端換擋力沒有增大，而圖19和圖20考慮了換擋行程限制的影響，圖19中出現(xiàn)較明顯的換擋力谷值與測(cè)試值不同，主要是由于駕駛員操作時(shí)不會(huì)保持勻速過程，同步后會(huì)緩慢進(jìn)行嚙合，而仿真時(shí)是按照勻速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行同步，對(duì)拉索有一個(gè)壓縮釋放的過程。

圖18 2降1動(dòng)態(tài)換擋力對(duì)比

圖19 3進(jìn)4動(dòng)態(tài)換擋力對(duì)比

圖20 4降3動(dòng)態(tài)換擋力對(duì)比

動(dòng)態(tài)換擋的過程，觀察換擋撥叉的行程，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速變化，車輛的加速度、速度等如圖21所示，撥叉行程對(duì)應(yīng)的擋位為1-5擋，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在2500 rpm左右，以3擋同步器的同步過程為例，同步時(shí)間約0.5 s，通過過程轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化過程，對(duì)同步器的參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化。

圖21 手動(dòng)換擋過程車輛動(dòng)態(tài)特性

4 結(jié)論

手動(dòng)變速器換擋力設(shè)計(jì)不合適，容易造成駕駛疲勞，而影響換擋力的非線性因素較多，通過簡(jiǎn)化的方法，計(jì)算精度較低，本文介紹手動(dòng)變速器虛擬樣機(jī)對(duì)靜、動(dòng)態(tài)換擋力的仿真計(jì)算，并且可模擬任意的試驗(yàn)工況；靜態(tài)換擋力驗(yàn)證是做動(dòng)態(tài)換擋力分析的基礎(chǔ)，通過靜態(tài)換擋力的仿真，驗(yàn)證了模型的換擋剛度、換擋行程、結(jié)構(gòu)間隙，標(biāo)定了錐面的摩擦系數(shù)；動(dòng)態(tài)換擋力仿真，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合度較好，實(shí)際應(yīng)用中，通過模塊化，參數(shù)化配置，可方便地完成新型變速器的整車模型，快速進(jìn)行換擋性能的評(píng)估。

[1] Hoshino H. Simulation on synchronization mechanism of transmis sion gearbox [J].International ADAMS User Conference,1998.

[2] Kim J,Park S,Seok C,et al,Simulation of the shift force for a manual transmission [J].Automobile Engineering,2003,217(D):573—581.

[3] 高維山.汽車設(shè)計(jì)叢書.變速器[M],北京:北京人民交通出版社,1990.

[4] 劉惟信,吳明常.同步器優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究[J].汽車工程,1990,22 (3):45-49.

[5] （德）Harald Naunheimer等著.汽車變速器理論基礎(chǔ)、選擇、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M] .王秀莉等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[6] 劉艷芳.SimulationX 精解與實(shí)例:多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真[M] ,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[7] 陳玉詳,臧孟炎,陳勇,等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的手動(dòng)變速器換擋力分析[J].中國(guó)機(jī)械工程,2012(23)8:996-1000.

Vehicle Virtual Prototype Shift Quality Analysis of Manual Transmission

Zhang Xiaokun, Wu Yuandi, Ge Lin, Zhang Jing
( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110141 )

Shift force of manual transmission is an important index of vehicle performance evaluation.In this paper contains a detailed synchronizer, a simulation model of vehicle system can simulate the transmission process of a vehicle traveling in the synchronous movement of each block synchronizer simulation analysis handles the ball shift force characteristic curve.The simulation result of the shift force in conformity with the GSA test results. Based on the modular vehicle system simulation model for shift institutions and synchronizer optimization of structure parameters such as, can evaluate the shift quality of new products, such as synchronizer provides the reference for the design of key components.

Transmission; Shifting Mechanism; Synchronizer; Shift Force

U463.2

A

1671-7988(2017)22-113-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.041

張小坤（1978-），男，遼寧省臺(tái)安人，工程師，碩士，研究方向：汽車變速器零部件設(shè)計(jì)及CAE仿真分析。

CLC NO.:U463.2

A

1671-7988(2017)22-113-04