新型手動變速器換擋二次沖擊仿真分析

李小龍 成起強 王新

摘 要：為了降低換擋過程中的二次沖擊，提升用戶體驗，以降低換擋過程中輸出端當量轉動慣量為思路，文章設計了一款單向離合器式手動變速器。新型變速器將輸出軸設計成兩段，并以單向離合器相連，全部前進擋齒輪安裝在輸出軸的前段，與中間軸上各齒輪嚙合傳動完成變速變扭功能。運用ADAMS仿真軟件，對其換擋過程進行動態仿真分析，獲得新型手動變速器換擋二次沖擊曲線，通過與傳統手動變速器換擋二次沖擊曲線的對比，揭示了新型手動變速器在提高換擋平順性方面的優勢，并通過仿真分析探究花鍵齒鎖止角及棱線角與換擋二次沖擊的關系，通過合理選擇鎖止角與棱線角數值，進一步降低換擋二次沖擊。

關鍵詞：變速器;單向離合器;同步器;ADAMS;仿真

中圖分類號：U463.212+.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-98-05

A Simulation on the Secondary Impact of New Type Manual Transmission*

Li Xiaolong， Cheng Qiqiang， Wang Xin

（ School of Automotive Engineering， Tianjin Vocational Institute， Tianjin 300410 ）

Abstract： This paper proposes a new structure of the manual gearbox designed by the author， in order to reduce the equivalent moment of inertia at the output during shifting， and then reduce the secondary impact during shifting. The new gearbox designs the output shaft into two sections， which are connected with a one-way clutch. All forward gears are installed in the front section of the output shaft. The gears meshing drive with each gear on the intermediate shaft to complete the variable speed twisting function. The article aims at gaining the shift secondary impact curve of new manual transmission， which utilizing ADAMS simulation software to perform dynamic simulation analysis on the shift process. Compared with the shift secondary impact curve of traditional manual gearbox， it reveals the advantages of the new manual transmission in improving the smoothness of shifting. The relationship between the locking angle and ridgeline angle of the spline teeth and the secondary impact of the gear shift is explored through simulation analysis. By properly selecting the values of the locking angle and the ridgeline angle， the secondary impact of the gearshift can be further reduced.

Keywords： Transmission; One-way clutch; Synchronizer; ADAMS; Simulation

CLC NO.： U463.212+.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-98-05

前言

手動變速器換擋二次沖擊是評價換擋操作性能的重要指標，過大的二次沖擊將產生嚴重的振動及噪聲，影響換擋操作的舒適性及同步器的使用壽命。

目前，降低換擋二次沖擊的研究主要集中在同步器的結構分析及優化方面。其中李曉春和褚超美等人，利用ADAMS軟件建立同步器多剛體動力學模型，揭示了花鍵齒幾何參數對二次沖擊峰值的影響規律，獲得了最佳的花鍵齒參數組合，有效降低了二次沖擊的峰值[1]。余曉霞和張志剛等人利用AMESim軟件，建立同步器動態仿真模型，分析了輸入端轉動慣量、鎖環摩擦系數及鎖環摩擦錐角與換擋二次沖擊、同步沖量等的關系，通過優化分析得到了最優模型，有效降低了二次沖擊的峰值[2]。

同步器輸入端、輸出端的轉動慣量對二次沖擊的大小有著重要影響，二次沖擊隨轉動慣量的增加而增大[2]。本文提出的輸出軸離合器式變速器，在換擋過程中通過單向離合器切斷變速器輸出端與傳動系統的連接[3]，有效降低輸出端的轉動慣量，進而降低結合套與結合齒圈結合時的二次沖擊[4]，并利用ADAMS軟件建立同步器動力學仿真模型，通過模擬輸出軸離合器式變速器的換擋過程，獲得二次沖擊曲線，并與傳統手動變速器二次沖擊曲線比較，驗證了該新型手動變速器方案對于有效降低換擋二次沖擊的可行性。

1 換擋二次沖擊產生的原因

當鎖環通過摩擦作用使得動力輸入端的齒輪與動力輸出端的結合套同步后，結合套穿過鎖環與齒輪齒圈嚙合過程中經歷一段空行程，在經歷空行程的時段內，由于離合器摩擦阻力矩的影響，動力輸入端的齒輪轉速進一步降低，于此同時動力輸出端的結合套由于汽車輪胎滾動阻力及行駛阻力的影響，速度也進一步降低，但齒輪與結合套速度降低幅度不同而產生轉速差，這一轉速差就是齒輪齒圈與結合套嚙合時產生沖擊的原因，即二次沖擊的產生機理[1]。鎖環式同步器的工作過程如圖1所示。

二次沖擊的大小主要取決于動力輸入端與輸出端的轉速差以及輸入端與輸出端當量轉動慣量的大小。

2 輸出軸離合器式變速器工作原理

通過二次沖擊產生的原因分析，輸入端、輸出端當量轉動慣量的大小是影響二次沖擊大小的關鍵因素;設計一款輸出軸離合器式手動變速器，目的在于減小換擋過程中輸出端當量轉動慣量，進而降低換擋過程中的二次沖擊;新型變速器將輸出軸設計成兩段，并以單向離合器相連，全部前進擋齒輪安裝在輸出軸的前段，與中間軸上各齒輪嚙合傳動完成變速變扭功能，其結構原理如圖2所示。

2.1 前進擋階段

車輛處于前進狀態時，動力輸出軸前段向輸出軸后段傳遞，單向離合器的單向鎖止功能實現輸出軸前段與后段的連接，動力得以傳遞。

2.2 車輛換擋階段

車輛在換擋過程中，利用單向離合器單向傳動的特點，單向離合器切斷了輸出軸后段與輸出軸前段的連接，在結合套與齒輪齒圈結合的過程中，輸出軸的當量轉動慣量大大減小，可以有效降低結合過程中二次沖擊力的大小，完成平順換擋操作。

2.3 倒擋階段

倒擋齒輪安裝在輸出軸的后段，直接與倒擋惰輪及中間軸上的倒擋齒輪嚙合實現倒擋動力傳遞，由于倒擋操縱是在停車的狀態下進行，不存在二次沖擊的現象。

2.4 發動機制動階段

當駕駛員制動時，制動液同時被輸送到變速器上設置的從動缸，從動缸推桿推動單向離合器上的鎖止離合器撥叉，實現單向離合器內外圈的鎖止，進而滿足需要發動機制動的工況。

綜上所述，輸出軸離合器的設計簡化了傳統變速器復雜的同步器部分，省去各檔位同步器的鎖環，降低了制造成本、減少變速器中有色金屬的使用，提高了使用壽命及運行的可靠性。目前，一種輸出軸離合器式變速箱已取得發明專利，專利號ZL 2015 1 0238047.6。

3 輸出軸離合器式變速器模型建立

通過三維逆向掃描建模的方式搭建某輕型轎車三軸四速手動變速器模型，首先進行零部件數據掃描，其中中間軸的三維掃描數據如圖3所示，通過逆向建模獲得各零部件三維實體模型，最后通過裝配各零部件獲得手動變速器裝配模型;在此裝配模型的基礎上增加單向離合器、去除各檔位同步器鎖環、調整齒輪位置獲得離合器式手動變速器三維模型，如圖4所示，其各檔位傳動比與原變速器相同。

通過三維模型指導輸出軸離合器式手動變速器樣機的制作，完成樣機如圖5所示。

4 換擋二次沖擊動力學仿真分析

4.1 動力學分析模型搭建

由于三擋切換四擋時，動力輸入端與輸出端的轉速差最大，沖擊最劇烈，因此本文以四擋為例，利用ADAMS/view模塊建立動力學仿真模型，設置各部件間的運動關系及接觸關系，如表1所示。

變速器各部件之間的接觸力采用沖擊函數進行定義[5]，沖擊函數方程為：

（1）

式中：Fn為沖擊力;k接觸剛度;dmax為切入深度;e為力指數;STEP為階躍函數;g為最大阻尼系數;cmax為最大摩擦因數;dg/dt為切入速度。

結合套上的換擋力一般取100～150N，本文研究對象為緊湊型轎車，因此取120N，并采用典型換擋力曲線進行定義，典型換擋力曲線如圖6所示。

在典型換擋力曲線中，換擋時刻t1之前表示退出原檔位，此時的換擋力主要克服結合套與接合齒圈的接觸摩擦力以及自鎖鋼球的自鎖力;t1至t2為同步器的同步階段;t1時刻開始，結合套克服與鎖環之間的間隙，將鎖環壓向結合齒圈的摩擦錐面并產生摩擦力矩，換擋力在此過程中逐漸增大并產生一個峰值;隨著鎖環與接合齒圈速度逐漸同步，換擋力逐漸減小，t2時刻完成同步;之后結合套花鍵齒穿過鎖環花鍵齒與接合齒圈結合時會再次產生一個較小的峰值;式中FA為常規換擋力，Fmax為換擋力峰值[6]。

本文研究結合套退出三擋并掛入四擋的同步過程，因此在ADAMS中采用STEP函數進行換擋力的定義;其表達式為STEP=（0，0，0.1，120），表示0～0.1S換擋力由0N階躍到120N，其后其換擋力保持在120N。

除各部件運動關系及接觸關系定義外，還需定義同步器輸入端、輸出端的以下仿真參數，本文以四擋為例定義輸入端、輸出端的仿真參數;四擋為直接檔，傳動比i4=1，發動機轉速為2200r/min，三擋傳動比i3=1.36，當量轉動慣量及阻力矩的計算根據分析車型的總質量、輪胎滾動半徑、主減速比等參數進行計算，在此不再贅述，仿真參數定義如表2所示[7]。

輸出軸離合器式變速器由于在換擋過程中斷開變速器輸出軸與后面傳動系統的連接，在進行新型變速器換擋過程分析時，四擋同步器連接部分的當量轉動慣量，即輸出端當量轉動慣量為382500 kg·m2，同步器受到的阻力矩僅考慮軸承部分的摩擦力及潤滑油的阻力矩，經計算為256N·mm。

定義完成運動關系、接觸關系、換擋力曲線及初始狀態仿真參數后的同步器ADAMS仿真模型如圖7所示[8]。

4.2 換擋二次沖擊峰值評價

評價換擋二次沖擊劇烈程度主要通過二次沖擊力峰值大小及沖擊時間寬度，以下通過對比傳統變速器及輸出軸離合器式變速器換擋二次沖擊波形圖，評價其換擋品質。

如圖8至9所示，傳統變速器同步過程中，由于同步器鎖環的摩擦作用，結合套與齒圈的角速度不斷趨于一致，在55ms速度達到一致，而后結合套穿過鎖環與齒輪齒圈的嚙合過程中，由于離合器的摩擦阻力矩及汽車行駛阻力等的影響，結合套與齒輪齒圈嚙合過程中產生速度振蕩并產生二次沖擊現象，此傳統變速器二次沖擊自55ms開始，至77ms結束，持續22ms;最大沖擊力峰值為137N，發生在第一次沖擊波形，第一次沖擊波形持續時間5ms，第一次沖擊波形為影響換擋品質的主要因素。

輸出軸離合器式變速器在換擋過程中，結合套與齒圈在52ms接觸，經過速度的振蕩，在54.5ms達到轉速一致，如圖10所示;由于新型變速器去掉鎖環部件，結合套與齒圈直接接觸，兩者接觸后速度振蕩時間較短，經歷2.5ms的振蕩后完成同步，其沖擊曲線出現一次較大峰值，峰值為88N，如圖11所示。

輸出軸離合器式變速器相比傳統手動變速器，換擋二次沖擊指標中，沖擊力峰值由137N降低至88N，沖擊持續時間由22ms減少至2.5ms。

輸出軸離合器式手動變速器去掉各檔同步器鎖環，并在輸出軸增設單向離合器，由于單向離合器切斷了變速器輸出軸至車輪的傳動系統部分，大大降低了掛入某檔位時結合套的當量轉動慣量，通過仿真分析，驗證了其對于降低換擋二次沖擊的良好效果。

5 花鍵齒參數化仿真分析優化

5.1 花鍵齒優化參數的選擇

花鍵齒端鎖止角與花鍵齒端棱線角對換擋二次沖擊峰值有較大影響[1]，因此將鎖止角與棱線角作為設計變量，研究其與二次沖擊力峰值之間的關系，通過合理選擇鎖止角與棱線角的數值，進一步降低輸出軸離合器式手動變速器的換擋二次沖擊。

為保證同步器設計要求，并統計目前在產變速器的鎖止角范圍，確定接合套與結合齒圈花鍵齒鎖止角參數化范圍為90°至130°，優化步長為5°;確定接合套與結合齒圈花鍵齒棱線角參數化范圍為0°至10°，優化步長為2°。

5.2 鎖止角的參數化建模

ADAMS軟件提供了強大的參數化建模功能，通過參數化坐標點的方式，驅動接合套與結合齒圈花鍵齒鎖止角變化，實現花鍵齒鎖止角的參數化。

以齒輪齒圈花鍵齒為例說明鎖止角的參數化建模過程，為方便建模，傳動齒輪通過UG建模并導入ADAMS的方式建立，結合齒圈花鍵齒通過ADAMS中Plate功能建立;首先，通過Point點建立花鍵齒邊界坐標點，通過Plate建模時，為保證花鍵齒沿徑向拉伸，在建立每一個花鍵齒時需定義局部坐標系，建立完成的齒輪齒圈如圖12所示。

對花鍵齒頂點Marker點的X坐標進行參數化定義，進而改變花鍵齒的鎖止角，參數化建模方式如圖13所示，其中?X為定義的設計變量，通過賦予設計變量?X系列數值，驅動鎖止角在90°至130°內變化，步長為5°。

運用ADAMS軟件設計研究功能探究鎖止角與二次沖擊峰值之間的關系，接合套與結合齒圈花鍵齒鎖止角參數化范圍為90°至130°，優化步長為5°，共進行9次自動仿真計算，仿真結果顯示，鎖止角對二次沖擊力峰值及沖擊持續時間影響較大，鎖止角與二次沖擊力峰值的關系如圖14、圖15所示;當鎖止角為110°時，沖擊力峰值最小，且沖擊持續時間最短，因此，選擇110°作為變速器鎖止角的設計角度。

5.3 棱線角的優化設計

鎖止角與棱線角的多參數優化數值組合過多，仿真成本過高，因此，在選擇鎖止角110°的基礎上，通過UG軟件建立不同角度棱線角的齒輪與接合套三位模型，棱線角選值范圍為0°至10°，優化步長為2°。

通過ADAMS軟件共進行6次二次沖擊仿真計算，棱線角與二次沖擊力峰值的關系如圖16、圖17所示，且棱線角為8°時，沖擊力峰值最小，且沖擊持續時間最短，因此，選擇8°作為變速器棱線角的設計角度。

6 結論

（1）針對二次沖擊的產生機理，設計一種輸出軸離合器式手動變速器，目的在于換擋過程中切斷變速器輸出端與后面傳動系統的連接，降低輸出端的當量轉動慣量，進而降低二次沖擊峰值及沖擊時間。

（2）利用ADAMS軟件建立多剛體動力學分析模型，以換擋二次沖擊最大的四擋為例進行對比分析，結果表明輸出軸離合器式變速器可明顯降低二次沖擊的峰值及沖擊時間，為輸出軸離合器式變速器的設計及研發提供了設計思路及理論支持。

（3）研究結果具有普遍適用性，輸出軸離合器的結構可廣泛應用于手動變速器、AMT自動變速器、雙離合自動變速器，用于有效降低換擋二次沖擊。

（4）通過ADAMS軟件的參數化建模及設計研究功能，進行花鍵齒鎖止角與棱線角的參數化分析，通過分析確定最佳的鎖止角與棱線角數值組合，進一步降低二次沖擊力峰值及沖擊持續時間。

參考文獻

[1] 李曉春，褚超美.汽車同步器換擋二次沖擊的動態仿真[J].汽車工程，2014，36（12）：1498-1502.

[2] 余曉霞，張志剛.基于AEMSim同步器換擋性能仿真與優化[J].機械傳動，2018，42（03），60-65.

[3] 曲秀全，陸念力.超越離合器綜述[J].機械傳動，2005，29（1）：69-72.

[4] 陳震，鐘再敏.基于ADAMS的同步器同步過程仿真分析[J].汽車工程，2011，33（4）：340-344.

[5] 劉振軍，劉飛.雙離合自動變速器齒輪軸系三維建模與仿真[J].機械設計，2011，28（1）：73-76.

[6] 周帥.汽車手動變速器同步器的建模與仿真研究[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[7] 王望予.汽車設計（第4版）[M].北京：機械工業出版社，2004.

[8] 鄭建榮.虛擬樣機技術入門與提高[M].北京：機械工業出版社，2002.