一种基于AMESim的机械变速器静态换挡仿真方法

摘要

本发明涉及一种变速器的换挡仿真方法，具体涉及一种基于AMESim的机械变速器静态换挡仿真方法，以解决现有机械变速器设计过程中，存在不能准确对整个换挡过程中所有位置的换挡力进行预测，无法准确计算整个换挡力曲线，使得变速器换挡相关零件设计周期较长、成本增加的技术问题。本发明方法包括：建立基于AMESim的机械变速器静态换挡过程动力学仿真模型；获取机械变速器三处凹槽的初始设计参数以及换挡力曲线客观评价指标；将初始设计参数输入动力学仿真模型进行仿真；根据换挡力曲线客观评价指标不断进行迭代仿真，得到优化后的凹槽尺寸和弹簧参数的匹配方案。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变速器的换挡仿真方法，具体涉及一种基于AMESim的机械变速器静态换挡仿真方法。

背景技术

机械变速器内部均布置有自锁装置，其作用为防止自动跳挡和脱挡。自锁装置由自锁钢球和自锁弹簧组成，一般在拨叉轴或拨头表面设计有三个凹槽，当拨叉轴或拨头移动到空挡或某一工作位置时，必有一个凹槽正好对准自锁钢球，钢球在弹簧压力作用下嵌入该凹槽内，从而使拨叉轴或拨头不能自行脱出，保持在某一换挡位置。换挡过程中，凹槽形状的设计和弹簧的匹配对换挡力有较大影响，不合理的匹配会导致换挡力过大或过小、换挡卡滞、换挡有顿挫感，影响驾驶员换挡手感。

目前，对于换挡性能的评价多以主观评价为主，其对应的客观指标包括换挡力峰值力及行程、挂挡刚度、入挡吸入刚度、摘挡刚度、摘挡回位刚度等，此类指标在换挡力曲线中均可体现，准确的预测变速器静态换挡力曲线，对于评估静态换挡性能是至关重要的。在实际设计过程中一般通过经验对凹槽形状进行设计，并匹配弹簧，并根据换挡到某一固定位置计算该点的换挡力大小，不能准确对整个换挡过程中所有位置的换挡力进行预测，无法准确计算整个换挡力曲线。多是根据实验测试结果或驾驶员主观评价进行优化改进，由此带来优化设计周期较长、成本增加等问题。

中国专利CN110309614A公开了一种同步器换挡仿真方法，该换挡仿真方法主要关注动态换挡性能，包括同步器结合过程的动力学模型，对于静态换挡力相关的自锁结构、同步器压簧结构并未给出详细的建模。此外，其仿真模型的驱动系统机器人模型仅通过速度进行反馈控制，无法准确计算实际换挡力曲线。

发明内容

本发明的目的是解决现有机械变速器设计过程中，存在不能准确对整个换挡过程中所有位置的换挡力进行预测，无法准确计算整个换挡力曲线，使得变速器换挡相关零件设计周期较长、成本增加的技术问题，提出一种基于AMESim的机械变速器静态换挡仿真方法，建立准确的仿真模型，通过实验与仿真相结合的方法，对现有产品零件结构和弹簧参数等进行优化设计改进。

本发明的技术思路为：根据换挡结构进行仿真建模的方法，根据初始的凹槽形状与弹簧参数，计算换挡力曲线，并根据客观评价指标的大小进行凹槽尺寸与弹簧参数优化。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于AMESim的机械变速器静态换挡仿真方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、建立基于AMESim的机械变速器静态换挡过程动力学仿真模型；所述的仿真模型包括依次连接的试验台换挡力、位移与速度闭环反馈控制执行机构等效模型13、拨头自锁结构模型14、拨叉轴自锁结构模型15以及三组同步器压簧结构模型16；

步骤2、获取机械变速器拨头自锁结构1、拨叉轴自锁结构10以及同步器压簧结构12三处凹槽的初始设计参数以及换挡力曲线客观评价指标；

所述初始设计参数为凹槽尺寸，将凹槽尺寸保存为XYR数据格式文件；

所述换挡力曲线客观评价指标包括最大换挡力、最大摘挡力、挂挡吸入刚度、摘挡吸入刚度以及挂挡力要求；所述挂挡力要求为从空挡开始挂挡到最大作用力过程中，挂挡力逐渐变大，且仅有一个峰值点；

步骤3、动力学仿真模型调用初始设计参数进行仿真，仿真参数包括最大换挡力、最大换挡位移、最大换挡速度、等效转动惯量、凹槽面弹性模量以及钢球与凹槽摩擦系数；

步骤4、根据换挡力曲线客观评价指标不断进行迭代仿真，得到优化后的凹槽尺寸和弹簧参数的匹配方案。

进一步地，步骤1中，所述试验台换挡力、位移与速度闭环反馈控制执行机构等效模型13的换挡力模型为：

其中：F为执行机构换档力，K为执行机构等效刚度，c为执行机构等效阻尼系数，x为换挡位移，

进一步地，步骤4中，所述根据换挡力曲线客观评价指标不断进行迭代仿真，具体按以下方法进行：

1)客观评价指标：最大换档力；

采取措施：增大最大换档力时，首选D8↑、D10↑及D12↑至少一个参数变化；备选D1↓、D2↓、D3↑、D4↓、D6↓及D7↓至少一个参数变化；

2)客观评价指标：挂挡吸入刚度；

采取措施：增大挂挡吸入刚度时，首选D9↑和/或D11↑；备选D1↓、D5↓及D6↑至少一个参数变化；

3)客观评价指标：最大摘挡力；

采取措施：减小最大摘挡力时，D8↑、D10↑及D12↑至少一个参数变化；

4)客观评价指标：摘挡吸入刚度；

采取措施：增大摘挡吸入刚度时，首选D13↑和/或D11↑；备选D1↓、D5↓及D6↑至少一个参数变化；

5)客观评价指标：从空挡开始挂挡到最大作用力过程中，挂挡力逐渐变大，且仅有一个峰值点；

采取措施：D9↑、D11↑、D3↑、D4↓、D5↑及D6↓至少一个参数变化；

其中：定义拨头横截面中轴穿过的位置为坐标原点，D1为拨头凹槽最高点倒角半径；D2为拨头凹槽最高点x向尺寸；D3为拨头凹槽最高点y向尺寸；D4为拨头凹槽两斜面中线交点的y向尺寸；D5为拨叉轴凹槽斜面的水平夹角；D6为拨叉轴凹槽最高点倒角半径；D7为滑套凹槽斜面的竖直夹角；D8为拨头自锁弹簧安装压力；D9为拨头自锁弹簧刚度；D10为拨叉轴自锁弹簧安装压力；D11为拨叉轴自锁弹簧刚度；D12为同步器压簧结构弹簧安装压力；D13为同步器压簧结构弹簧刚度；↑表示参数增大；↓表示参数减小；

对上述换挡力曲线客观评价指标的迭代仿真没有先后顺序。

进一步地，步骤2中，所述凹槽尺寸为将凹槽截面轮廓等效为多条线段连接而成，且在拐点位置设有倒角圆弧过渡的一组尺寸。

进一步地，步骤4中，所述弹簧参数包括各弹簧的初始安装压力和刚度。

进一步地，步骤1中，所述仿真模型由AMESim中机械库模块搭建。

本发明的有益效果是：

1)本发明基于AMESim的机械变速器静态换挡仿真方法，通过实验与仿真相结合的方法，分析影响选换挡性能的主要因素，基于AMESim软件建立准确的仿真模型，在设计之初可以预测换挡力曲线，能有效减少反复试制、试验、改进的循环设计过程，最大程度减少试验成本，节省人力物力。

2)采用本发明的仿真方法对换挡过程中的换挡力、换挡位移、换挡速度等变量进行有效仿真，且各挡位工况下最大换挡力、最大摘挡力与实验结果误差较小，最大误差10％以内，换挡力曲线与实验结果一致性较好。

3)通过本发明基于AMESim的机械变速器静态换挡仿真方法，对现有产品零件结构和弹簧参数等进行优化设计改进，有效解决变速器操纵手感不佳问题，提高产品质量，降低售后故障率。

附图说明

图1为本发明基于AMESim的机械变速器静态换挡仿真方法流程图；

图2为本发明中机械变速器静态换挡结构示意图；

图3为本发明中基于AMESim的机械变速器静态换挡动力学仿真模型示意图；

图4为本发明试验台换挡力、位移与速度闭环反馈控制执行机构原理图；

图5为本发明实施例中机械变速器静态换挡过程换挡力及换挡位移示意图；

图6为本发明实施例中“换挡力-位移曲线”优化前、优化后仿真结果与试验结果对比示意图；

图7为图6中“换挡力-位移曲线”优化前结果示意图；

图8为图6中“换挡力-位移曲线”优化后结果示意图；

图9为图6中“换挡力-位移曲线”实验结果示意图；

图10为本发明实施例中拨头凹槽结构尺寸示意图；其中，D1、D2、D3、D4为对换挡力影响相对较大的设计尺寸；

图11为本发明实施例中拨叉轴凹槽结构尺寸示意图；其中，D5、D6为对换挡力影响相对较大的设计尺寸；

图12为本发明实施例中滑套凹槽结构尺寸示意图；其中，D7为对换挡力影响相对较大的设计尺寸。

附图标记说明：

1-拨头自锁结构，2-第一钢球，3-拨头，4-拨叉轴，5-导块，6-拨叉，7-滑套，8-摆销，9-横向换挡杆，10-拨叉轴自锁结构，11-第二钢球，12-同步器压簧结构；

13-试验台换挡力、位移与速度闭环反馈控制执行机构等效模型，14-拨头自锁结构模型，15-拨叉轴自锁结构模型，16-同步器压簧结构模型；

D1-拨头凹槽最高点倒角半径，D2-拨头凹槽最高点x向尺寸，D3-拨头凹槽最高点y向尺寸，D4-拨头凹槽两斜面中线交点的y向尺寸，D5-拨叉轴凹槽斜面的水平夹角，D6-拨叉轴凹槽最高点倒角半径，D7-滑套凹槽斜面的竖直夹角。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明根据实际结构，形成一种仿真建模的方法，可以预测换挡力曲线，并从中提取与主观评价指标相对应的客观评价指标，减少设计-实验-改进的循环过程，提高静态换挡性能。

如图1所示，本发明公开了一种基于AMESim的机械变速器静态换挡仿真方法，包括如下步骤：

步骤1：建立静态换挡过程动力学模型，包括试验台换挡力、位移与速度闭环反馈控制执行机构等效模型13、拨头自锁结构模型14、拨叉轴自锁结构模型15及同步器压簧结构模型16。

如图2所示，机械变速器静态换挡机构主要由拨头自锁结构1、拨叉轴自锁结构10和同步器压簧结构12组成。换挡时，外摇臂带动横向换挡杆9和拨头3旋转，同时通过导块5推动拨叉轴4沿轴向运动，与拨叉轴4固连的拨叉6带动滑套7沿轴向运动，左右分别运动到某固定位置即实现挂挡。

其中拨头自锁结构1由拨头凹槽、第一钢球2及弹簧组成。空挡位置时，第一钢球2在凹槽中间位置，当拨头3旋转时，第一钢球2沿凹槽表面运动，由于弹簧压力的作用产生阻力。

拨叉轴自锁结构10由拨叉轴凹槽、第二钢球11和弹簧组成。空挡位置时，第二钢球11在凹槽中间位置，当拨叉轴4轴向运动时，第二钢球11沿凹槽表面运动，在弹簧压力作用下产生阻力。

同时，同步器压簧结构12由滑套7上的凹槽、摆销8、弹簧组成。空挡位置时，摆销8处于凹槽中间位置，当滑套7沿轴向运动时，摆销8沿凹槽表面运动，在弹簧压力作用下产生阻力。

组合考虑以上三部分模块，建立基于AMESim的机械变速器静态换挡机构动力学仿真模型如图3所示。其中，试验台换挡力、位移与速度闭环反馈控制执行机构等效模型13、拨头自锁结构模型14、拨叉轴自锁结构模型15、同步器压簧结构模型16等物理模型均由AMESim中机械库模块搭建，同步器压簧结构模型16包括三组模拟同步器压簧结构。

试验台换挡力、位移与速度闭环反馈控制执行机构等效模型13的换挡力模型见公式(1)：

其中，F为执行机构的换档力，K为换挡执行机构等效刚度，c为换挡执行机构等效阻尼系数，x为执行机构换挡位移，

试验台换挡力、位移与速度闭环反馈控制执行机构原理图如图4所示，该换挡力模型中，需定义最大换挡速度(Vmax)与最大换挡力(Fmax)。图4中，system指试验台执行机构，实际建模时可用质量或惯量元件等效；其输出端out连接变速器内部机械换挡系统。

首先计算执行机构的理想换挡速度，见公式(2)，可根据反馈的作用力与设定的最大速度计算得到：

由式(2)得到的换挡速度

然后对该理想速度、位移进行反馈控制，并根据反馈控制原理，将执行机构的实际速度、位移与理想的换挡速度、位移进行作差比较，并将误差带入公式(1)计算执行机构作用力。

步骤2：获取初始设计参数以及换挡力曲线客观评价指标。

本发明实施例中，获取某款变速器三处凹槽以及弹簧的初始设计参数，对其进行仿真。

首先定义三处凹槽尺寸，AMESim软件将凹槽形状可看作多条线段连接而成，在交点位置有倒角圆弧过渡，并将凹槽形状尺寸保存成XYR数据格式文件。如表1所示，将设计尺寸定义成XYR数据格式，供仿真模型调用。

表1凹槽尺寸定义为XYR格式

拨头、拨叉轴、滑套凹槽尺寸如图10、图11、图12所示，图中标记了出对换挡力影响相对较大的设计尺寸D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。图10中，定义拨头横截面中轴穿过的位置为坐标原点，其中，D1为拨头凹槽最高点的倒角半径；D2为拨头凹槽最高点x向尺寸；D3为拨头凹槽最高点y向尺寸；D4为拨头凹槽两斜面中线交点的y向尺寸；图11中，D5为拨叉轴凹槽斜面的水平夹角；D6为拨叉轴凹槽最高点的倒角半径；图12中，D7为滑套凹槽斜面的竖直夹角。

三处弹簧参数如表2所示：

表2弹簧参数

换挡力曲线的客观评价指标一般根据设计要求定义，包括峰值点的数量、最大换挡力、最大摘挡力、挂挡吸入刚度、摘挡吸入刚度以及挂挡力要求；挂挡吸入刚度为挂挡力达到最大至挂挡到位曲线近似斜率；摘挡吸入刚度为摘挡力达到最大至摘挡到位曲线近似斜率；本实施例中的客观评价指标有以下要求：

1)最大换挡力200±10N；

2)最大摘挡力160±10N；

3)挂挡吸入刚度为55±10N/mm；

4)摘挡吸入刚度为40±10N/mm；

5)从空挡至最大挂挡力过程中挂挡力不断增大，该过程中仅有一个峰值点。

步骤3：将初始设计参数输入静态换挡动力学仿真模块进行仿真。

换挡过程中换挡力及换挡位移示意图如图4所示。为确保仿真与试验一致性，参照实验条件定义仿真参数，相关参数如下表3所示：

表3仿真参数

步骤4：根据客观评价指标不断进行迭代仿真，优化出理想的参数匹配方案。

除图10、图11、图12所示凹槽设计参数外，弹簧参数对换挡力曲线同样有较大影响，在实际迭代优化过程中所有参数需要组合使用，定义拨头自锁弹簧安装压力为参数D8，刚度为D9，定义拨叉轴自锁弹簧安装压力为参数D10，刚度为D11，定义同步器压簧结构弹簧安装压力为参数D12，刚度为D13。设计参数影响客观评价指标改变量如表4所示。

表4设计参数影响客观评价指标改变量

表5优化后凹槽参数

表6优化后弹簧参数

将拨头与拨叉轴尺寸、以及匹配弹簧进行优化，优化后凹槽尺寸如表5所示，优化后弹簧参数如表6所示，换挡力-位移曲线仿真与试验对比如图6所示。

从图7、图8、图9得到优化前、优化后、实验曲线各项客观评价指标如表7所示。

表7客观评价指标对比

可以看出，优化后各项评价指标均接近设计参数且与试验结果对标良好，仿真曲线与实验曲线一致性较好。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明技术方案的限制，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。