基于ADAMS 的DCT 传动系统仿真分析

王宁凯

（郑州日产汽车有限公司，河南郑州 450018）

引言

变速器在拖拉机上的研发及应用来看，按照历史发展，主要涉及手动变速器、自动变速器、负载换挡变速器三种类型。手动变速器在小功率拖拉机上应用较多，负载变速器主要装配在一些中型拖拉机上，而大型拖拉机一般装配自动变速器或全负载型换挡变速器。相比手动变速器，自动变速器解决了上述的主要问题，国内目前在自动变速器领域的研究也取得了较大进展，特别是电控机械式自动变速器（AMT）和液力机械式自动变速器（AT）的应用，较大改善了产品的动力输出和性能，但仍然无法解决换挡过程的动力中断问题[1-2]。而装有双离合器变速器（DCT）的拖拉机在换挡时动力中断是不存在的，因此拖拉机的动力性和经济性得到了改善，其作业效率和性能指标也有较大提高。

1 模型建立

1.1 DCT 传动方案确定

本研究采用三中间轴式的传动方案，确定的传动方案有三根平行的中间轴，每根轴之间角度为120°布置，中心为奇数和偶数档输入轴，且到三根中间轴的距离相等，所选齿轮机构的参数一致，每个档位模数、压力角、齿数等都相同。三根中间轴上分别有四个档位，布置有每个档位的从动齿轮。倒挡是通过安装的在输出轴的反向机构实现的，因此，此方案输出(12+12)个挡位。

1.2 DCT 传动模型建立

通过传动比，确定传动系统中心距、齿数、模数、压力角、齿宽等参数，参数化建模时，对零件的约束通过公式完成，直齿轮的参数不同，通过设置公式进行参数驱动，可以建立整个系统的齿轮，从而实现参数化设计，通过参数化设计依次绘制出双离合器变速器结构中的其他齿轮。

1.3 ADAMS 模型建立

在CATIA 软件中建立了DCT 的总装配体，由于ADAMS/View可以直接识别CATIA 文件，因此可以将DCT 总装配体通过保存为合适的文件导入ADAMS/View环境中，进行系统动力学仿真。

齿轮轴系中共有22 个齿轮，通过六根轴用固定副联接。在ADAMS 中选择固定副命令，再选择2Bod-1loc，在需要联接的两构件上分别选取，最后选择一点放置该运动副[3]。

同理，在ADAMS 环境下，对DCT 传动系统添加其它约束，进行虚拟样机的创建。需要对其添加固定副、旋转副、齿轮副以及驱动和负载。对三根中间轴及输入输出轴添加旋转副，输入轴与大地固接，其它轴固接于输入轴，每档齿轮与轴之间添加固定副，每个独立的零件体相互联接，确立虚拟样机整个空间的固定位置。在仿真环境下，再对其添加碰撞力，以创建更加真实的DCT 齿轮传动系统虚拟样机，模拟其受力情况[4]。通过补偿法和冲击函数法对其添加接触力。目前，使用最广泛的接触力方法为冲击函数法。在Impact 选项下，需要确定接触刚度、指数、阻尼和切入深度。最终完成虚拟样机模型的约束设置。

2 拖拉机DCT 虚拟仿真分析

2.1 动力性学仿真分析

以一档为例，对其进行动力学仿真，DCT 剩余档位的仿真分析方法以此为据。一档齿轮传动，有两对齿轮啮合，根据发动机的扭矩计算齿轮间的啮合力。在输入端、输出端添加200 N·M 的力矩[5]。在ADAMS中，转速单位为deg/sec（1rpm=6deg/sec），输入2 000 rpm 即12 000 的仿真速度，得到齿轮的切向力、径向力、轴向力、啮合合力随时间变化的曲线分别见图1-4。

图1 齿轮切向啮合力

图2 齿轮径向啮合力

图3 齿轮轴向啮合力

图4 齿轮啮合合力

2.2 基于ADAMS 的运动学仿真

基于ADAMS 的运动学仿真，为避免DCT 虚拟样机由于冲击所造成的输入转速的突变，采用阶跃函数的方式对两根输入轴施加初试转速。设输入轴初试转速函数为STEP（time，0，0d，0.2，13200d），输入轴的输出转速随时间变化的关系见图5，输入轴转速在0.2 s后保持不变。

图5 输入轴输出转速随时间变化关系

以一档为例，模拟其档位的输出转速，对一档添加接触力与外载荷，得到一档输出转速随时间变化的曲线见图6，一档仿真输出值在1 263 deg 左右，与理论值较为接近，说明DCT 传动系统输出转速较为稳定。

图6 一档输出转速

对其它档位发仿真输出转速时，每个档位需加载负荷和接触力，给定其负载值为220 N·M。与一档步骤相同，依次完成剩余档位的运动学仿真。

3 仿真结果分析

对啮合合力的理论计算值和基于ADAMS 的仿真值进行比较，计算出两者的误差百分比。表1 是齿轮啮合力的理论计算值和仿真值的比较结果，从表1 中可以看到，结果非常接近，因此可以判断仿真设置的参数较为合理，验证了虚拟样机模型的正确性[6]。

表1 齿轮啮合力理论值和仿真值

齿轮的切向力曲线波动较小，齿轮的切向力在4 856 N 附近比较集中；齿轮的径向力在作周期性变化，考虑到齿轮的啮合时啮合齿数在持续改变，并且这一改变成周期性交替，齿轮的刚度也在周期性变化，因此曲线的波动是合理的；齿轮轴向啮合力在0 N 附近集中，这与直齿齿轮相符合；齿轮啮合合力也是成周期性波动，可以解释为齿轮副在啮合过程中，同时参加啮合的齿数是成周期性交替变化。

每个档位的输出转速通过传动比计算各个档位的理论输出转速，与仿真结果进行比较，仿真得出的输出转速的平均值与理论输出转速结果非常相近，见表2 和表3。

表2 各档输出转速理论值和仿真值

表3 各档输出转速理论值和仿真值

每个档位输出转速在“0”时刻都有一个明显的突变，在转速输出瞬间，轴的转速发生了一定的冲击，此冲击存在于十二个档位的所有仿真曲线中。因为在DCT 齿轮啮合时，它们之间有细微的齿侧间隙的存在，能够合理解释冲击的发生。仿真起始瞬间，齿轮间阻力可忽略不计，转速以突变的形式增加，而当两对啮合齿轮完全啮合时，转速的突变会很快消失，趋于稳定。

输出轴转速在0.2 s 之前上升较快，0.2 s 之后输出值作周期性变化，此变化稳定保持在一定范围之内，这是由于齿轮完全进入了啮合状态。由于啮合时两个齿轮相互接触，其接触刚度呈周期性改变，因此转速的输出值会在一定区间内周期性波动。齿轮啮合冲击产生了输出转速的周期性变化及波动，这种动力学特性在齿轮实际传动过程中也较为相符。

档位变大，传动比变小时，其输出转速曲线作周期性波动的时间间隔变得越来越小。因为传动比的变小，转速在输出时会增大，使两个啮合齿轮的啮合周期变小，转速的增加提高了齿轮的啮合频繁度，因此周期性波动的时间间隔会变小，也越容易发生。

拖拉机DCT 运动学仿真体现出了转速的稳定输出，除了在起始瞬间表现的突变较为明显，在0.2 s 之后，其转速输出在一定区间内波动，稳定性较好。

4 结论

本文创建了拖拉机DCT 多体系统动力学虚拟样机模型，运用多体动力学分析软件ADAMS 对拖拉机DCT 传进行了传动特性仿真分析，仿真值和理论计算值误差在合理范围内，对啮合力波动原因进行了分析。对拖拉机DCT 齿十二个档位进行了运动学仿真，除了在起始瞬间表现的突变较为明显，在0.2 s 之后，其转速输出在一定区间内波动，稳定性较好。