雙倍檔變速器動力學

史 炎

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

自動變速器是汽車三大件之一[1–2]，至今有些國產汽車全系沒有自動檔，光亮的外殼掩蓋不了技術含量的低下。上世紀90年代國家開始連續資助自動變速器的研究，有據可查的國家自然科學基金資助已達760萬，而863項目[3]和973項目[4]資助力度更是達到上千萬/每項，20多年來我國專家學者對行星自動變速器、雙離合器式自動變速器做了大量深入細致的基礎研究，搞清了各型自動變速器的結構原理。但是我國自動變速器的研究一直處于跟蹤、仿制階段，相比強大的基礎研究能力，創造力和設計能力薄弱，從4速、6速一直研究到9速卻破解不了自動變速器技術壁壘，致使一些機構還在孜孜不倦地研究性能依靠左腳感覺的手動擋變速器[5]。通過對行星齒輪開關變速器[6]的結構深入研究，增設離合器設計出雙倍檔變速器，其檔位數量等于外嚙合齒輪數目，此種結構能以最少的外嚙合齒輪數量設計出8速、12速、16速變速器。

本文以雙倍檔變速器結構的8速變速器闡述雙倍檔變速器[7]的設計思想，重點分析齒圈制動時其自身結構的動力學性能。

1 雙倍檔變速器結構

單行星齒輪機構傳動特性公式[8]

式中ω1——太陽輪角速度，rad/s；

ω2——齒圈角速度，rad/s；

ω3——行星架角速度，rad/s；

a——齒圈與太陽輪齒數比。

將行星架作為輸出軸，式(1)改寫成

圖1 8速變速器結構示意圖

行星齒輪排1、2的行星架與輸出軸連接在一起，2個空心軸分別固定2組外嚙合齒輪。B是制動器，C是離合器，G是廣義離合器，可以是同步環、移動齒輪等，三者配合實現選檔、換檔。每增加一組外嚙合齒輪、一個廣義離合器G，則增加2個檔位。行星齒輪排1的檔位為奇數，行星齒輪排2的檔位為偶數，表1列出一種檔位元件工作順序。

表1 檔位元件工作序列

從互換性考慮，將行星齒輪排1、2的參數設為一致，按表1列出各檔位傳動比，如圖2所示。

圖2 各檔位傳動比與順序換檔線路圖

由圖2列出下式

對式(3)作如下化簡

由式(4)可知，i1—i4之間是一對多的關系，這為各檔位傳動比的設置提供了豐富的選擇。按文獻[6]設計行星齒輪參數，a=2.25，取i1=2.67，得到符合式(4)條件的其中一組數據：i2=1.93，i3=1/i2，i4=1/i1。各檔傳動比如表2所示，內含二個超速檔。

表2 各檔位傳動比

2 計算模型

在多體動力學分析軟件Simpack里建立第一、第二檔的齒輪模型，i1對應的外嚙合齒數為160/60，i2對應的外嚙合齒數為145/75，各齒輪其余參數見文獻[6]，雙倍檔變速器剛體動力學模型如圖3所示。

3 起動性能分析

文獻[6]采用控制齒圈的方式模擬起動，此處使用摩擦制動齒圈的方式模擬起動更接近實際情況，輸入軸以恒速200 rad/s轉動并受到200 N?m的恒定力矩作用，作用在齒圈上的摩擦制動力連續上升在車輛行走后才抱死齒圈。這種起動方式非常容易實現，監測齒圈的角速度低于設定值時，反饋到制動器上保持或減小摩擦力矩。

為充分調動市縣加大水利投入，落實地方配套資金，廣東省率先在全國開展省級水利建設示范縣專項資金競爭性分配改革，整縣推進農田水利和治洪治澇工程建設。通過競爭入選的水利示范縣將獲得省級水利資金4億元，地方須配套3億元。通過競爭性分配改革，水利資金分配從過去單一項目計劃安排向競爭性安排項目轉變，實現“多中選好、好中選優”。“十二五”期間，廣東省計劃開展30個水利建設示范縣建設，省財政將投入120億元，充分帶動地方水利建設投入至少90億元。

圖4反映了第一檔位輸出軸的角速度及從動齒輪1輸出力矩的變化，齒圈1降低角速度0.6 s后，輸出軸開始啟動，此時，力矩從0增長到356.9 N?m。

圖3 雙倍檔變速器拓撲模型

圖4 角速度、轉矩曲線

在1.5 s時，齒圈1被抱死，輸出軸角速度穩定在23.1 rad/s。從動齒輪1輸出力矩與齒圈1角速度成反比，按i1計算，能輸出最大533.3 N?m的力矩。可見，還有176.4 N?m的力矩沒用上，車輛就起動了。控制齒圈1不被抱死，就能以較大的力矩起動，而不會憋死輸入軸。

4 換檔性能分析

研究第一檔位換入第二檔位時變速器輸出軸角速度轉矩變化，從動齒輪反映了所在檔位力矩的變化，將其列為動力轉移過程的研究對象。假定制動器B1、B2的性能相同，換檔過程是制動器B1先逐漸放松，齒圈1趨于轉動，隨后制動器B2逐漸抱緊，齒圈2減速趨于靜止。為實現不中斷換檔，圖5至圖7反映了制動器B2滯后制動器B1的時間長短對換檔過程的影響。

圖5 制動器B1、B2同步

圖6 制動器B2滯后0.1秒

圖5至圖7，從動齒輪1圓周力逐漸下降，從動齒輪2圓周力逐漸上升，2個從動齒輪圓周力有動力交接過程。2個制動器同步，輸出軸角速度線性增長，換檔過程不平順，從動齒輪1圓周力反向沖擊最大。滯后0.1秒，輸出軸角速度線性增長，換檔過程依然不平順，但是從動齒輪1圓周力反向沖擊力減小。滯后0.3秒，換檔過程開始變得平穩，但是輸出軸角速度要先下降再上升。雖然都是不間斷換檔，圖5至圖6反映的是角速度線性換檔過程。

而圖7反映的是角速度衰減換檔過程，角速度衰減換檔能換來更平穩的檔位交替。

圖7 制動器B2滯后0.3秒

5 制動性能分析

國家重點資助項目[9]論述了一種繁瑣的減速制動控制策略，而對于雙倍檔變速器，在第一擋位制動時，可將制動器與齒圈之間的滑動摩擦設計成滾動摩擦，讓齒圈能自由轉動就不會憋死輸入軸，變速器各旋轉件會按照公式（1）平衡相互之間的角速度關系。齒圈角速度越低，來自發動機的阻力矩對制動的輔助越大；齒圈完全放松，則阻力矩不起輔助作用。

用第一擋位研究低速制動和高速跳換檔制動，對輸入軸施加一個恒定驅動力矩激勵，當輸出軸角速度爬升到所需速度，撤銷驅動力矩，同時阻力矩和制動力矩介入，取此時段的曲線作為研究內容。

5.1 低速制動

輸出軸角速度到達33 rad/s時計算發動機的阻力矩分別為200 N?m、100N?m、0 N?m時的性能，制動力矩取最大值。車輛定型后，最大制動力T隨之確定

相同制動力下，來自發動機的阻力矩越大，輸出軸角速度衰減越快。阻力矩為200 N?m時，輸出軸用時1.15秒靜止，比無阻力矩時快0.52秒。

5.2 高速制動

輸出軸角速度到達201 rad/s時計算發動機帶200 N?m阻力矩、無阻力矩的性能，圖9列出有無阻力矩時輸出軸的角速度對比。

阻力矩為200 N?m時，輸出軸用時3.0秒靜止，比無阻力矩時快0.94秒，比圖8的低速制動慢1.85秒。

圖8 不同阻力矩下輸出軸角速度變化

6 結語

（1）雙倍檔變速器充分利用了外嚙合齒輪，雙行星齒輪排構建好后，每增加一組齒輪就可以獲得2個檔位，很容易從8速變換成16速變速器。

圖9 輸出軸角速度變化

（2）雙倍檔變速器各檔位傳動比設計靈活，制造容易，所用技術都很成熟。

（3）起動和制動控制策略可以做得很簡單，讓齒圈或太陽輪低速自由轉動即可。

（4）2個行星齒輪排之間可進行動力交接，籍此實現不間斷換檔。揭示了不間斷換檔存在輸出軸角速度線性和非線性變化現象，為達到角速度線性換檔而不引起振動沖擊的理想效果，尚需開展深入細致的研究。

[1]WALKER P D,ZHANG N.Transmission of engine harmonics to synchronizer mechanisms in dual clutch transmissions[J].Journal of Vibration&Acoustics,2014,136(5):216-223.

[2]MASHADI B,MANSOURIAN S M,KAKAEE A H,et al.Control of a twin clutch transmission for smooth gearshifts[J].Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems,2015(ahead-of-print):1-21.

[3]秦大同，劉永剛，胡建軍，等.雙離合器式自動變速器兩離合器起步控制與仿真[J].機械工程學報，2010，46(18)：121-127.

[4]趙治國，胡笑天，姜嬌龍，等.干式雙離合器自動變速器起步滑模變結構協調控制及實時優化[J].機械工程學報，2012，48(24)：87-105.

[5]鄭坤，金川.汽車手動變速器的優化設計[J].裝備制造技術，2013，(8)：145-146.

[6]史炎.平行軸行星齒輪變速器結構與仿真[J].汽車實用技術，2015，(7)：96-98.

[7]史炎.一種行星齒輪二級變速器[P].中國專利，CN204127220U，2015-01-28.

[8]賈振華，郟國中.基于行星輪的8速自動變速器傳動比計算[J].汽車實用技術，2011(9)：39-41.

[9]朱敏，劉海鷗，王爾烈，等.減速制動時機械式自動變速器車輛換檔控制策略[J].機械工程學報，2015，51(2)：110-116.