基于ADAMS 的DCT 傳動系統仿真分析

王寧凱

（鄭州日產汽車有限公司，河南鄭州 450018）

引言

變速器在拖拉機上的研發及應用來看，按照歷史發展，主要涉及手動變速器、自動變速器、負載換擋變速器三種類型。手動變速器在小功率拖拉機上應用較多，負載變速器主要裝配在一些中型拖拉機上，而大型拖拉機一般裝配自動變速器或全負載型換擋變速器。相比手動變速器，自動變速器解決了上述的主要問題，國內目前在自動變速器領域的研究也取得了較大進展，特別是電控機械式自動變速器（AMT）和液力機械式自動變速器（AT）的應用，較大改善了產品的動力輸出和性能，但仍然無法解決換擋過程的動力中斷問題[1-2]。而裝有雙離合器變速器（DCT）的拖拉機在換擋時動力中斷是不存在的，因此拖拉機的動力性和經濟性得到了改善，其作業效率和性能指標也有較大提高。

1 模型建立

1.1 DCT 傳動方案確定

本研究采用三中間軸式的傳動方案，確定的傳動方案有三根平行的中間軸，每根軸之間角度為120°布置，中心為奇數和偶數檔輸入軸，且到三根中間軸的距離相等，所選齒輪機構的參數一致，每個檔位模數、壓力角、齒數等都相同。三根中間軸上分別有四個檔位，布置有每個檔位的從動齒輪。倒擋是通過安裝的在輸出軸的反向機構實現的，因此，此方案輸出(12+12)個擋位。

1.2 DCT 傳動模型建立

通過傳動比，確定傳動系統中心距、齒數、模數、壓力角、齒寬等參數，參數化建模時，對零件的約束通過公式完成，直齒輪的參數不同，通過設置公式進行參數驅動，可以建立整個系統的齒輪，從而實現參數化設計，通過參數化設計依次繪制出雙離合器變速器結構中的其他齒輪。

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入ADAMS/View環境中，進行系統動力學仿真。

齒輪軸系中共有22 個齒輪，通過六根軸用固定副聯接。在ADAMS 中選擇固定副命令，再選擇2Bod-1loc，在需要聯接的兩構件上分別選取，最后選擇一點放置該運動副[3]。

同理，在ADAMS 環境下，對DCT 傳動系統添加其它約束，進行虛擬樣機的創建。需要對其添加固定副、旋轉副、齒輪副以及驅動和負載。對三根中間軸及輸入輸出軸添加旋轉副，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，每個獨立的零件體相互聯接，確立虛擬樣機整個空間的固定位置。在仿真環境下，再對其添加碰撞力，以創建更加真實的DCT 齒輪傳動系統虛擬樣機，模擬其受力情況[4]。通過補償法和沖擊函數法對其添加接觸力。目前，使用最廣泛的接觸力方法為沖擊函數法。在Impact 選項下，需要確定接觸剛度、指數、阻尼和切入深度。最終完成虛擬樣機模型的約束設置。

2 拖拉機DCT 虛擬仿真分析

2.1 動力性學仿真分析

以一檔為例，對其進行動力學仿真，DCT 剩余檔位的仿真分析方法以此為據。一檔齒輪傳動，有兩對齒輪嚙合，根據發動機的扭矩計算齒輪間的嚙合力。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 的運動學仿真

基于ADAMS 的運動學仿真，為避免DCT 虛擬樣機由于沖擊所造成的輸入轉速的突變，采用階躍函數的方式對兩根輸入軸施加初試轉速。設輸入軸初試轉速函數為STEP（time，0，0d，0.2，13200d），輸入軸的輸出轉速隨時間變化的關系見圖5，輸入軸轉速在0.2 s后保持不變。

圖5 輸入軸輸出轉速隨時間變化關系

以一檔為例，模擬其檔位的輸出轉速，對一檔添加接觸力與外載荷，得到一檔輸出轉速隨時間變化的曲線見圖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 傳動系統輸出轉速較為穩定。

圖6 一檔輸出轉速

對其它檔位發仿真輸出轉速時，每個檔位需加載負荷和接觸力，給定其負載值為220 N·M。與一檔步驟相同，依次完成剩余檔位的運動學仿真。

3 仿真結果分析

對嚙合合力的理論計算值和基于ADAMS 的仿真值進行比較，計算出兩者的誤差百分比。表1 是齒輪嚙合力的理論計算值和仿真值的比較結果，從表1 中可以看到，結果非常接近，因此可以判斷仿真設置的參數較為合理，驗證了虛擬樣機模型的正確性[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嚙合齒數在持續改變，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，可以解釋為齒輪副在嚙合過程中，同時參加嚙合的齒數是成周期性交替變化。

每個檔位的輸出轉速通過傳動比計算各個檔位的理論輸出轉速，與仿真結果進行比較，仿真得出的輸出轉速的平均值與理論輸出轉速結果非常相近，見表2 和表3。

表2 各檔輸出轉速理論值和仿真值

表3 各檔輸出轉速理論值和仿真值

每個檔位輸出轉速在“0”時刻都有一個明顯的突變，在轉速輸出瞬間，軸的轉速發生了一定的沖擊，此沖擊存在于十二個檔位的所有仿真曲線中。因為在DCT 齒輪嚙合時，它們之間有細微的齒側間隙的存在，能夠合理解釋沖擊的發生。仿真起始瞬間，齒輪間阻力可忽略不計，轉速以突變的形式增加，而當兩對嚙合齒輪完全嚙合時，轉速的突變會很快消失，趨于穩定。

輸出軸轉速在0.2 s 之前上升較快，0.2 s 之后輸出值作周期性變化，此變化穩定保持在一定范圍之內，這是由于齒輪完全進入了嚙合狀態。由于嚙合時兩個齒輪相互接觸，其接觸剛度呈周期性改變，因此轉速的輸出值會在一定區間內周期性波動。齒輪嚙合沖擊產生了輸出轉速的周期性變化及波動，這種動力學特性在齒輪實際傳動過程中也較為相符。

檔位變大，傳動比變小時，其輸出轉速曲線作周期性波動的時間間隔變得越來越小。因為傳動比的變小，轉速在輸出時會增大，使兩個嚙合齒輪的嚙合周期變小，轉速的增加提高了齒輪的嚙合頻繁度，因此周期性波動的時間間隔會變小，也越容易發生。

拖拉機DCT 運動學仿真體現出了轉速的穩定輸出，除了在起始瞬間表現的突變較為明顯，在0.2 s 之后，其轉速輸出在一定區間內波動，穩定性較好。

4 結論

本文創建了拖拉機DCT 多體系統動力學虛擬樣機模型，運用多體動力學分析軟件ADAMS 對拖拉機DCT 傳進行了傳動特性仿真分析，仿真值和理論計算值誤差在合理范圍內，對嚙合力波動原因進行了分析。對拖拉機DCT 齒十二個檔位進行了運動學仿真，除了在起始瞬間表現的突變較為明顯，在0.2 s 之后，其轉速輸出在一定區間內波動，穩定性較好。