基于虚拟样机技术的手动变速器换挡力分析

陈玉祥 臧孟炎 陈 勇 胡志华

1.华南理工大学，广州，510640 2.浙江吉利汽车研究院有限公司，杭州，311228

0 引言

变速器换挡机构的运动学和动力学特性关系到变速器乃至整车性能的发挥。换挡平顺、挡位清晰、灵活轻便是变速器设计人员一直追求的目标，同时也是评价一台变速器换挡性能优劣的重要指标。换挡力过大或过小都将严重影响手动变速器换挡操纵性能，在设计阶段就应该对手动变速器换挡力进行仿真分析，以达到了解换挡性能的目的。但事实上，目前了解手动变速器换挡操纵性能的主要方法还是实验检测，对手动变速器换挡过程进行建模并仿真分析换挡性能的研究还处于探索阶段［1－3］。首先，同步器的仿真研究还停留在简化模型阶段，不能建立有效的变速器整体动力学模型。其次，换挡性能测试方法不统一，更没有统一有效的换挡性能评价方法和评价指标。

虚拟样机技术利用CAD技术，建立与物理样机一致的数字化仿真模型，进行和物理样机相同的性能测试和评估［4］。本文基于虚拟样机技术，依据德国吉孚手动变速器测试方法，以ADAMS为平台，联合Pro/E建模，对手动变速器换挡过程进行仿真分析。通过ADAMS对手动变速器三种工况（1挡换2挡、2挡换1挡和挂倒挡）进行动力学分析，得到了换挡力和换挡位移的关系，建立了一种仿真分析手动变速器换挡力的研究方法。通过仿真结果与实验结果的比较，确认了该方法的有效性。

1 手动变速器动力学模型的建立

1.1 模型建立流程

本文以浙江吉利汽车研究院有限公司某型号五挡手动变速器为研究对象，建立虚拟样机。为了模拟驾驶员操纵换挡手柄时变速器及整个传动机构反馈到驾驶员手上的力，动力学模型包含离合器从动盘、变速器主体和手柄操纵机构等换挡过程涉及的主要零部件。虚拟样机中，为考虑离合器从动盘的影响，在变速器输入轴上添加同等转动惯量的圆盘来等效处理。对钢丝软轴和操纵机构做了适当的简化处理，没有考虑壳体、轴承和螺栓等零部件对仿真结果的影响。

ADAMS建模功能差，而其他建模软件建立的模型导入ADAMS后某些几何信息会丢失，导致定义齿轮副等运动副时操作困难。我们在Pro/E中建立变速器零部件三维实体模型之后，采用 MSC公司开发的Pro/E专用接口程序M/Pro进行初步约束定义并实现三维模型数据的转换。该软件没有单独的界面，安装后的菜单管理器就挂接在Pro/E的操作界面里。首先，在Pro/E中建立各零部件三维实体模型并精确装配。然后，利用M/Pro，在Pro/E界面里将各零部件三维实体模型全部生成刚体，定义简单约束，添加定位标记。在此基础上，将模型导入ADAMS软件并完善后实施仿真分析。最后，将仿真结果与实验结果进行比较，如果不相符，则返回前面各步依次分析错误原因。建模流程如图1所示。

1.2 软轴和同步器的建模

1.2.1 软轴建模

变速器软轴是连接手柄操纵机构和变速器的桥梁，对换挡性能有很大的影响。为了使钢丝软轴的功能模型化，对钢丝软轴进行了适当的简化处理。参照一种钢丝绳处理方法［5］，用离散的小圆柱体通过衬套和球铰链连接的方式模拟钢丝软轴：将钢丝软轴细分为若干小段，每一个小段视为一个刚体，每两个刚体之间用衬套连接，使各个刚体的质心运动学参数（任意时刻的位移、速度、加速度等）和动力学参数（相对位移、转角、相互间的作用力与反作用力等）与实际软轴尽可能一致。

图1 建模流程

首先，软轴两端的拉索是刚体，根据设计要求，换挡手柄在中间位置时，拉索和选（换）挡摇臂的初始角度都保持在90°附近。然后，根据换挡机构的功能和软轴的作用，以软轴位移损失30%左右为目标，确定衬套的刚度和阻尼，使虚拟样机软轴具有和物理样机一致的动力学特性。圆柱体衬套连接模型如图2所示。

1.2.2 同步器建模

同步器是汽车变速器的重要部件，它使变速器主从动部分同步以后再接合，从而减小冲击和噪声，减小换挡力，使得换挡平顺，延长变速器的寿命。本文采用的双锥锁环式同步器结构如图3所示。

图2 圆柱体衬套连接方法

图3 双锥锁环式同步器的结构

同步器工作过程十分复杂，许多研究者将同步器单独建模，即将同步器简化为带有锥面的主从部分，工作过程则简化为在轴向力作用下的摩擦过程，并以此为依据进行理论上的计算［6－7］。这种分析并不能反映接合套在运动的各个阶段所受到的力。本文通过同时添加运动副和接触约束，实现双锥锁环式同步器的整体建模，能完全模拟同步器的锁止和同步过程。这两个过程根据接合套、外环和接合齿圈等零件的相对位置可以细分为7个阶段：①接合套从两挡之间的中性位置开始向外环移动；②接合套和外环接触；③外环、中环和内环接触，实现锥面摩擦，直到接合套和待接合齿轮速度同步；④接合套通过外环到达接合齿圈的接触点；⑤接合套和接合齿圈齿端倒角接触；⑥接合套在接合齿圈上继续移动；⑦接合套和接合齿轮端面接触［2］。

同步器整体模型中，在内环和轮毂之间定义移动副，同时定义内环和中环以及内环和轮毂之间的接触。移动副使内环和轮毂同速转动，同时内环还能轴向移动。接触可以限制内环在轴向的移动范围。同样，在中环和接合齿圈之间定义移动副和接触。在外环和输出轴定义圆柱副，在外环和轮毂以及外环和中环之间定义接触。圆柱副使外环能转动和轴向移动，外环和轮毂的接触使轮毂带动外环一起转动。外环、中环和内环的主要接触如图4所示。

图4 外环、中环和内环的主要接触

所有接触采用solid to solid的方式和impact函数算法，钢制部件的接触刚度为105N/mm，非线性指数为1.5，阻尼为50N·s/mm，从而使模型在几何结构不失真的情况下避免发生接触穿透。在外环和中环、中环和内环之间的接触添加库伦摩擦，静摩擦因数为0.14，动摩擦因数为0.09。这样外环、中环和内环之间的摩擦过程就可以使同外环、内环等速的轮毂及其所联系的一系列运动件转速增大或减小，同中环等速的接合齿圈及其所联系的一系列运动件转速减小或增大。在接合套运动过程中，定义和外环、接合齿圈以及齿轮端面的接触，如图5所示。图5中，箭头表示接合套受到拨叉的作用力方向。

图5 接合套运动过程中的主要接触

值得注意的是，接触定义过多之后，求解速度明显变慢甚至发生穿透，导致求解失败。在ADAMS三维接触中，产生接触的2个物体必须是封闭的几何实体，且模型几何结构失真会严重影响接触计算的精度。利用M/Pro转换到ADAMS中的图形有Render和SLA两种格式，选择Render格式可以在ADAMS中得到几何结构不失真的模型。同时采用分时段仿真的方法［8］提高动力学仿真计算效率，防止多接触碰撞下的模型发生穿透。

2 动力学模型主要参数

本文对手动变速器1挡换2挡、2挡换1挡以及挂倒挡3种工况建立动力学模型并进行仿真分析。

1挡换2挡、2挡换1挡时，发动机转速为2000r/min，主要工作部件是锁环式同步器，不涉及选挡过程，换挡时间设置为0.5s。挂倒挡时，发动机怠速，主要工作部件是啮合齿轮，要经历选挡、换挡两个阶段，选挡时间设置为0.1s，挂挡时间为0.5s。除了挂倒挡时倒挡齿轮啮合采用接触定义外，其他齿轮啮合采用齿轮副定义。为了提高仿真模型的准确性，车身质量转化为输出轴的当量转动惯量Iv［7］：式中，m为汽车总质量；Rr为轮胎的滚动半径；Iw为1个车轮的转动惯量；i0为主减速比；ic为常啮合变速比。

此外，虚拟样机中的移动副、转动副等一些基本的运动副及相关接触面考虑了摩擦因数的影响。动力学模型主要输入参数如表1所示。

表1 动力学模型主要输入参数

实验检测时，驾驶员对换挡手柄的操作是一个主观过程而难以描述，通常将这个过程采用模糊逻辑控制或简化为手柄的匀速转动等方法处理［2，9］。本文将驾驶员对换挡手柄的操作简化为手柄的匀速转动：在换挡手柄球头质心上建立一个Marker，于该点施加绕换挡手柄转动中心另一个Marker的点对点约束（仅保留2个转动自由度），添加适当的驱动函数便可模拟选（换）挡过程（左右转动模拟选挡，前后转动模拟换挡）。

3 实验与换挡力分析

3.1 换挡性能实验简介

物理样机进行换挡性能检测时，将换挡手柄球头换成安装有应力感应装置的球头，球头通过细小杠杆和位移传感器连接。经过培训的驾驶员熟练操纵换挡手柄，快速完成选（换）挡过程。由压力传感器获得变速器及整个传动机构传递到驾驶员手上的阻力（换挡力），由位移传感器获得球头的位移，并将选（换）挡力与选（换）挡位移的关系曲线输出到电脑。这个过程反复进行若干次以减小驾驶员主观因素的影响。变速器换挡性能测试系统如图6所示。

图6 变速器换挡性能测试系统

3.2 换挡力分析以及换挡难易程度评价

3个换挡过程的换挡力－换挡位移测试结果由图7中的细实线描述。以图7a中1挡换2挡曲线为例，我们看到该换挡力－换挡位移关系曲线有3个峰值：峰值1是在退挡时，互锁、自锁装置的阻碍使得换挡力增加；峰值2（最大换挡力）是在同步器接合过程中产生的。接合套与外环之间的接触在接合套和待接合的接合齿圈速度同步之前是一直保持的。此时换挡手柄仍在转动，换挡位移继续变化，但接合套的位移几乎没有变化，传动系统变形增大，换挡力迅速增大。当二者的速度同步之后，接触消失，外环对接合套的阻碍消失，传动系统积蓄的能量迅速释放，换挡力迅速减小；当接合套和齿轮端面接触后，换挡手柄继续转动，接合套受阻使其位移不发生变化，换挡力增加，产生峰值3。

图7 仿真结果与实验结果

事实上，只要接合套和齿轮端面接触，换挡过程就已经完成。换挡性能实验为了保持换挡过程的完整性和持续性，在接合套和齿轮端面接触之后继续推动换挡手柄，使得接合套和齿轮端面接触时间延长，换挡结束时，换挡力迅速增大。该过程对换挡性能没有影响，评价换挡难易程度的主要参考值是同步器接合过程中产生的峰值2，该值越大，换挡越困难。因此，通过对手动变速器换挡力－换挡位移曲线分析，我们就可以了解变速器的换挡性能，特别是对手动变速器换挡难易程度做出有效判断。

4 仿真结果与实验结果对比

1挡换2挡、2挡换1挡和挂倒挡3种工况下，换挡力－换挡位移仿真分析结果分别以加点粗实线置于图7中。1挡换2挡换挡力仿真结果和实验结果幅值的均值接近一致，但换挡位移仿真结果较实验结果稍小。首先，物理样机换挡起始阶段有一个消除间隙的过程。这些间隙存在于换挡手柄到同步器一系列连接中，而仿真模型中没有，所以换挡位移仿真结果滞后于实验结果。其次，仿真结果的峰值3较实验提前发生，其原因在于：物理样机在同步器结合、换挡力达到峰值2的过程中伴随有换挡杆和拨叉等零件的变形，同时当换挡力越过峰值2迅速减小时，换挡力会出现小于零的换挡吸入现象，此时上述一些变形会消失，间隙会重新产生。而虚拟样机难以考虑由制造和安装带来的间隙以及上述零件的变形，并且不会产生换挡吸入感。2挡换1挡（图7b）仿真分析结果与1挡换2挡情况基本一样，不再赘叙。

将挂倒的挡仿真分析结果和实验结果比较（图7c）后发现，仿真分析结果的换挡力有明显波动并出现谷值。换挡力产生波动是因为倒挡没有同步器，倒挡过程依靠齿轮的接触啮合过程实现，仿真模型接触阻尼考虑不充分，导致产生接触冲击。出现谷值的原因：挂倒挡是以换挡手柄在3挡和4挡中间为初始位置，要经历先选挡后换挡的过程。驾驶员对换挡手柄的操纵是连续过程，而在仿真过程中，通过对换挡手柄添加相应的运动，导致选挡到换挡有方向上的突变，换挡力的仿真结果产生谷值。

整体而言，仿真分析和实验基本一致，说明手动变速器换挡性能通过仿真分析可以得到有效评价。

5 结语

本文以某型号汽车手动变速器为研究对象，采用虚拟样机技术，在完成选（换）挡软轴简化建模和同步器整体建模的基础上，建立了手动变速器换挡过程动力学模型。对手动变速器3个挡位的换挡过程进行了仿真分析，得到了与对应实验基本一致的仿真结果，说明该研究方法对手动变速器换挡性能的评价行之有效。在手动变速器设计阶段完全可以通过该方法对换挡性能进行预测和评价，以提高产品性能和设计效率。

［1］Tang Xuemei.The Script Simulation of Shifting Process in Transmission System［C］//International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering.Wuhan，2010：3226－3228.

［2］Kim J，Park S，Seok C，et al.Simulation of the Shift Force for a Manual Transmission［J］.Journal of Automobile Engineering，2003，217（7）：573－581.

［3］Zheng Quan，Sirivasan K，Rizzoin G.Transmission Shift Controller Design Based on a Dynamic Model of Transmission Response［J］.Control Engineering Practice，1999，7（8）：1007－1014.

［4］陈立军，任卫群，张云清，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［5］李爱平，蒋超平，刘雪梅.以ADAMS为平台的钢丝绳动张力仿真分析［J］.现代制造工程，2010（1）：43－46.

［6］赵世琴，黄宗益，陈明，等.同步器换档接合过程的数学模型［J］.同济大学学报，1999，27（6）：676－180.

［7］唐琛.微型汽车手动变速器设计与优化［D］.武汉：武汉理工大学，2010.

［8］石明全.基于ADAMS的多接触问题研究［J］.计算机工程与应用，2004（29）：220－222.

［9］葛安林，金辉，张洪坤，等.一种汽车智能换挡体系的研究［J］.中国机械工程，2001，12（5）：585－588.