基于ADAMS的某DCT駐車性能仿真與試驗研究＊

楊仕林 丁問司

（華南理工大學，廣州 510640）

主題詞：雙離合自動變速器 駐車機構 駐車性能 參數優化

1 前言

駐車制動系統可分為車輪制動系統與變速器制動系統[1]，變速器制動系統主要依靠駐車機構實現制動，即變速器掛入P擋后，駐車機構對變速器輸出軸或差速器軸進行鎖止，以產生制動力[2]。

在雙離合自動變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）主動安全設計中，駐車機構是防止車輛以較高速度掛入P擋或防止車輛沿坡道滑行的重要安全裝置[3]。實際使用中受駕駛習慣或誤操作等因素影響，駕駛員不會待車輛完全停止后再掛入P擋。較高車速下的駐車鎖止會導致變速器因劇烈沖擊而損壞，并危及乘員安全。駐車機構設計過程中應保證車速高于5 km/h時駐車機構不發生鎖止，確保極端工況下乘員的安全性。

駐車機構是自動變速器內唯一的制動安全部件，但國內對自動變速器駐車機構的研究鮮有報道。張玉文等[4]使用多體動力學軟件RecurDyn對駐車機構P擋與R擋間切換的換擋性能影響因素進行了仿真分析和試驗驗證。劉詩等[5]對某自動變速器在坡道上的自鎖力與拔出力進行分析并完成了臺架試驗。林小鳳等[6]通過ADAMS和HyperWorks仿真研究了駐車車速與棘輪棘爪間峰值沖擊載荷的關系。費寧忠等[7]以等效慣量法建立了駐車機構動力學模型并計算得到臨界駐車速度，而仿真結果與整車試驗結果存在較大差距。本文在搭建經試驗驗證的較高精度駐車機構動力學模型的基礎上，開展對臨界駐車速度、駐車時間、最大駐車加速度（駐車過程中駐車加速度絕對值的最大值）3個駐車性能重要影響因素的分析，為駐車機構的設計優化提供參考。

2 駐車機構結構及工作原理

某雙離合自動變速器駐車機構結構如圖1所示，其工作過程為：駕駛員操作換擋桿掛入P擋時，換擋拉索帶動駐車控制軸1轉動，駐車定位規板6隨之轉動，定位銷總成7沿定位規板形線從R擋卡槽移動到P擋卡槽，定位規板的轉動帶動駐車推桿8移動，并通過駐車壓簧9推動駐車錐銷2與V形塊4接觸，在V形塊的導向作用下，駐車錐銷2將棘爪10壓入棘輪5的兩齒之間實現棘輪鎖止，棘輪與駐車軸間以花鍵連接，棘輪鎖止時駐車軸無法轉動，通過駐車軸與差速器常嚙合齒輪的作用可實現差速器的鎖止，完成駐車功能。當駕駛員需重新起動車輛時，退出P擋后，駐車定位規板6隨駐車控制軸1轉動，定位銷總成7從P擋卡槽移動到非P擋卡槽位置，駐車推桿8使駐車錐銷2與駐車棘爪10脫離接觸，駐車棘爪10在回位扭簧3的作用下復位脫離棘輪5，駐車功能隨之取消。

圖1 某雙離合自動變速器駐車機構的結構

3 臨界駐車速度

假設駐車鎖止過程中，棘輪勻速轉動角度為θl，轉動時間為tl，棘輪轉動角速度為ωl，則有：

棘輪安裝在駐車軸上，設駐車軸與半軸的傳動比為i，輪胎與地面間無滑動時有：

式中，v為車速；r為輪胎半徑。

在駐車鎖止過程中，駐車棘爪相對于棘爪軸的轉動角加速度為ε，轉動時間為tz，轉動角度為θz，假設棘爪運動過程為勻加速度轉動，則有：

棘爪轉動角加速度為：

式中，T1為錐銷作用在棘爪上的力矩；Tg為棘爪重力產生的力矩；T2為回位彈簧作用在棘爪上的力矩；J為棘爪相對于轉軸的轉動慣量。

當tl≥tz時，棘爪完全卡入棘輪齒槽，棘輪被鎖止，進而鎖止差速器和整車；當tl=tz時，車速即為臨界駐車速度v′，即駐車棘爪與駐車棘輪恰好嚙合且棘爪不再彈出時刻的車速，聯立式（1）～式（4）可得：

T1、T2、J、θz、θl、i與駐車機構的結構相關，T1還與錐銷錐角及壓簧相關，T2還與回位扭簧剛度及其預緊力相關。臨界駐車速度的調整可通過對各彈簧參數及駐車機構結構參數的調節實現。

4 駐車機構ADAMS動力學仿真模型

駐車機構是多自由度非線性復雜機械系統，利用動力學仿真軟件ADAMS[8]可準確搭建其動力學模型。ADAMS以剛體質心直角坐標(x,y,z)和剛體歐拉角(ψ,θ,φ)為廣義坐標，即對由n個剛體組成的系統，存在，多剛體動力學方程[9]為：

式中，T為系統動能；q為廣義坐標列陣；q˙為系統的廣義速度列陣；Q為廣義力列陣；ρ、μ分別為完整約束和非完整約束的拉氏乘子列陣；Φq為完整約束雅克比矩陣；θq為非完整約束矩陣。

ADAMS計算程序應用吉爾剛性積分算法及稀疏矩陣技術[10]，計算效率得以提高。

傳統的車輛系統模型建立時常將整車與變速器等效為一個旋轉部件的慣量盤，忽略了整車結構以及變速器內部旋轉部件對仿真結果的影響。為構建更加精確的駐車機構模型，本文將直接參與駐車功能的部件分成整車模塊、變速器模塊、駐車模塊3個部分。其中整車模塊主要由前橋、后橋、車輪、車體等組成，整車參數如表1所示，車體以質量塊表示，并依據整車載荷分布及質心高度進行質量塊的位置布置。變速器模塊考慮變速器內部所有轉動的部件及其轉動慣量。駐車模塊包含駐車操作桿、定位規板、定位銷總成、V形塊、推桿、錐銷、棘輪、棘爪等，主要參數如表2所示。在ADAMS系統中建立的駐車機構多剛體模型如圖2所示。仿真計算時采用穩定的SI2準則的GSTIFF求解器。考慮到模型瞬態行為，將初始仿真步長設置為最大步長的0.05倍，積分器的最大積分次數設置為12階，仿真時間為10 s，仿真步長為0.001 s。

表1 某車型整車計算參數

表2 某車型駐車機構關鍵參數

圖2 基于ADAMS的駐車機構動力學模型

5 仿真結果及試驗驗證

為研究某款搭載雙離合變速器的SUV駐車機構的性能，在測試車輛上安裝移動體測速傳感器以精確測量駐車過程的車速、加速度、漂移角和操縱穩定性，如圖3所示。傳感器速度精度為0.1 km/h，加速度量程為±4g（g為重力加速度），精度為1%，其采樣頻率達10 Hz。駐車系統試驗流程為：車輛在平直路面上以D擋前進，車速調整至5 km/h時，掛入P擋，記錄車輛從掛入P擋到停止時間段內的速度、加速度曲線。

圖3 臨界駐車試驗設備

臨界駐車速度的仿真計算與試驗測試的對比如圖4a所示，車速低于臨界車速時將迅速下降，并經多次震蕩后減弱到零。圖4b所示的車輛加速度歷程顯示了駐車過程中的沖擊。車輛加速度在車速低于臨界駐車速度后持續震蕩，逐漸衰減至零。試驗與仿真結果的對比如表3所示，其中臨界駐車速度、駐車時間、最大駐車加速度的最大誤差不超過3.7%，且仿真結果與試驗結果變化趨勢一致，表明本文的駐車機構動力學模型具有較高的準確性。

圖4 仿真結果與試驗數據

表3 試驗與仿真結果對比

6 駐車性能關鍵影響因素

換擋手柄推入P擋的速度是駐車性能的影響因素之一，影響換擋過程中汽車的減速度，從而影響完全掛入P擋時刻的車速，進而影響駐車時間。臨界駐車速度與最大駐車加速度出現在棘爪齒卡入棘輪槽的瞬態過程中，P擋掛入速度對該過程影響很小，不是駐車性能的關鍵影響因素。

本文針對臨界駐車速度、駐車時間及最大駐車加速度等駐車性能指標，使用控制變量法對壓簧預緊力、壓簧剛度、回位扭簧預緊力矩、回位扭簧剛度、錐銷錐角等駐車性能關鍵影響參數進行敏感性分析，仿真參數以前文中經驗證的動力學模型參數為基準，將控制變量的值分別調整為基準的0.9倍、1.0倍、1.1倍，其他參數保持不變。

6.1 壓簧預緊力

壓簧預緊力對駐車性能的影響如圖5所示，3種壓簧預緊力下的仿真結果如表4所示。由圖5可知，隨著壓簧預緊力的增大，臨界駐車速度提高，駐車時間縮短。

圖5 壓簧預緊力影響分析

當壓簧預緊力增加時，其作用于棘爪的力增大，使棘爪轉動角加速度增大，在棘輪棘爪齒隙不變的情況下，轉過相同角度用時更少，使臨界駐車速度提高。同時，因壓簧預緊力增加，棘輪棘爪表面作用力增大，棘輪轉速下降較快。臨界駐車速度的提高，使得減速到對應臨界駐車速度的駐車時間縮短。因此，增大壓簧預緊力可有效提高臨界駐車速度，縮短駐車時間。然而，不同壓簧預緊力對最大駐車加速度的影響不明顯。

6.2 壓簧剛度

壓簧剛度對駐車性能的影響如圖6所示，3種壓簧剛度下的仿真結果如表5所示。分析可知：隨著壓簧剛度的增加，臨界駐車速度提高，駐車時間縮短。在同等壓縮量條件下，壓簧剛度的增加實際上增加了壓緊力，因此，壓簧剛度對臨界駐車速度和駐車時間的影響與壓簧預緊力的影響一致。

然而，增加壓簧剛度后棘輪棘爪連接剛度也隨之增強，駐車加速度亦隨之增大，使駐車過程對乘員的沖擊增強，對車輛的行駛平順性不利。因此，壓簧設計時需適當降低剛度，以降低駐車沖擊，同時應增加壓簧預緊力，以滿足臨界駐車速度和駐車時間的要求。

圖6 壓簧剛度影響分析

表5 壓簧剛度仿真結果對比

6.3 回位扭簧預緊力矩

回位扭簧預緊力矩對駐車性能的影響如圖7所示，3種回位扭簧預緊力矩下的仿真結果如表6所示。由圖7和表6可知，隨著回位扭簧預緊力矩增大，駐車速度降低，駐車時間延長，而最大駐車加速度對預緊力矩不敏感。

回位扭簧預緊力矩與壓簧預緊力作用相反，原因在于回位彈簧施加反向力矩，隨著回位扭簧預緊力矩增加，作用于棘爪上的力削弱，則棘爪轉動角加速度減小，導致臨界駐車速度減小，減速到對應臨界駐車速度所需時間增加。因此，增大回位扭簧預緊力矩將減小臨界駐車速度，延長駐車時間，而對最大駐車加速度的影響有限。

圖7 回位扭簧預緊力矩影響分析

表6 回位扭簧預緊力矩的仿真結果對比

6.4 回位扭簧剛度

回位扭簧剛度對駐車性能的影響如圖8所示，3種回位扭簧剛度下的仿真結果如表7所示。分析可知：隨著回位扭簧剛度的增大，駐車速度降低，駐車時間延長，最大駐車加速度增大。回位扭簧剛度增大相當于增加了其在相同扭轉量條件下的預緊力矩，因此回位扭簧剛度對臨界駐車速度和駐車時間的影響與回位扭簧預緊力矩影響一致。同時，棘輪棘爪連接剛度也會隨回位扭簧剛度的增加而增大，最大駐車加速度也隨之增大，導致駐車沖擊增大。

圖8 回位扭簧剛度影響分析

6.5 錐銷錐角

錐銷錐角對駐車性能的影響如圖9所示，3種錐銷錐角下的仿真結果如表8所示。分析可知：隨著錐銷錐角增大，臨界駐車速度減小，駐車時間增大，而最大駐車加速度減小。原因為，當錐角增大時，作用在棘爪上的力分量減小，棘爪的轉動加速度減小，使臨界駐車速度變小，減速到臨界駐車速度所需時間增加，棘輪棘爪的連接剛度、駐車加速度隨著錐角的增大而減小。因此，在不改變壓簧、回位彈簧參數的情況下，加大錐銷錐角可有效降低駐車加速度，減小車輛駐車沖擊，相應地也會降低臨界速度和延長駐車時間。

表7 回位扭簧剛度的仿真結果對比

圖9 錐銷錐角影響分析

表8 錐銷錐角的仿真結果對比

7 結束語

本文針對某雙離合變速器駐車機構動力學特性，開展了多剛體動力學建模仿真，通過試驗驗證了模型的準確性，并進行了多重影響因素分析，獲得了如下結論：增加壓簧預緊力或減小回位彈簧預緊力矩，可提高臨界駐車速度，縮短駐車時間，但對抑制最大駐車加速度影響有限；增加壓簧剛度與降低回位扭簧剛度，可提高臨界駐車速度，縮短駐車時間，但增大壓簧剛度會增強棘輪棘爪連接剛度，從而增大最大駐車加速度，造成駐車沖擊；提高錐銷錐角可在降低臨界駐車速度和延長駐車時間的情況下，有效降低駐車加速度，削弱車輛駐車沖擊。駐車機構設計時應綜合考量各因素的影響。