【文章內(nèi)容簡介】 rface strength．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．． 44 4． 5 The summary ． ．．．．．．．． ． ．．． ． ．．．．．． ．．．．．．． ． ．．．．．．．． ．．． ． ． ．． ．．．．．．． 45 Chapter 5 Strength analysis of key parts ． ． ． ． ． ． ．． 46 5． 1 Strength analysis ofthe shifting shaft． ．．．．．．． ． ． ．．．．．．．．．．．．．．．． ．．． ．．．． ． ．．． 46 5． 1． 1 Dynamic strength analysis of the shifting shaft．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．． ．．．．． ．．． 46 5． 1． 2 Static strength analysis ofthe shifting shaft． ．．．．．． ．．． ． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 48 5． 1． 3 Validation ． 5 1 5． 2 Strength analysis ofthe fork ．．．．．．． ．．．． ． ． ．．． ．．．．．． ． ．．．．．．．．．．．．．． ．．． ． ． 52 5． 2． 1 Dynamic strength analysis ofthe fork． ． ． ． ． ． ． 53 1；． 2． 2 Static strength analysis ofthe fork ． ． ． ． ． ． 55 1；． 2． 3 Structure optimization ofthe fork． ． ． ． 57 1；． 3 Structure optimization ofthe shifting plate ． ． ． ． ． 59 5． 4 The summary ． ． ． ． ． 64 Couelusions and Prospects．．．． ． ．．． ．．．．．．．．．．．．．．． ．．．． ．．．．．．． ． ． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 65 Couclusions．．．． ．．．．．． ．．．．． ．．．．． ．．．．．． ． ．．． ． ． ．．．． ．．． ． ． ．．．．．．．．．． ．．．．． ． ． 61； Prospects ．．．．．． ．． ．．． ． ．．．．．．． ．．．． ． ． ．．．．． ．．．． ．．． ． ． ． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 66 Reference ．．． ． ． ．．．．．． ． ．．． ．．． ．．．． ．．． ．．．．． ．． ．．． ． ．．．．． ． ． ．．． ．．．．．．．．． 68 Published Papers．．． ． ．．．．．．． ． ．．．． ． ．．．．．．． ．．． ．． ．．． ．．．．． ． ．．．． ． ． ．．． ． ． 72 Original Statement．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．． ． ． ．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．． ．．．．．． 73 IX 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 Copyright Statement ． ． ．．． ． ． ． ．．． ． ． ．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．． 73 Acknowledgements．．．． ． ． ． ． ． ． 74 X 第一章緒論 第一章緒論 1． 1論文的研究背景及意義 當前，自動變速器成為汽車上除新能源動力外發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域，以多樣 化、不斷創(chuàng) 新為特點的各種自動變速器技術(shù)迅猛發(fā)展，競爭激烈，成為當今世界汽 車工業(yè)發(fā)展的一道靚麗風景線。 1． 1． 1 我國自動變速器發(fā)展背景 在各種變速器技術(shù)中，從手動變速器 MT(Manual Transmission)過渡到機械 式自動變速器 AMT(Automatic Mechanical Transmission)再到雙離合自動變速器 DCT(Double Clutch Transmission)的三步走戰(zhàn)略被看作是最符合我國國情的【 1】。 AMT 是在傳統(tǒng)手動變速器技術(shù)的基礎(chǔ)上，改造離合器分離機構(gòu) 和選換擋執(zhí)行機 構(gòu)，加裝變速器電控單元 TCU(Transmission 動裝置、線束和檔位選擇器等自動化所需元器件，根據(jù)傳感器的反饋，利用事先設(shè) 定好的程序(如最佳換擋規(guī)律、離合器接合規(guī)律等 )實時地對執(zhí)行機構(gòu)進行電子控 制，執(zhí)行原來由人工操縱完成的離合器分離、接合以及變速器選換擋等動作，從而 實現(xiàn)汽車行駛過程中換擋與離合的全自動化。 AMT 由于保留了干式離合器與手動 變速器的齒輪傳動等大部分結(jié)構(gòu)，只改動了其手動操縱部分及上蓋殼體，不僅生產(chǎn) 繼承性好，只需在原手動變速器生產(chǎn)線上添置或改造少部分設(shè)備即可實現(xiàn)批 量生 產(chǎn)，而且保留了手動變速器結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、制造與維護成本低、適用范圍 廣等優(yōu)點。 Control Unit)、傳感器、選換擋驅(qū) 由于 AMT 的種種優(yōu)勢，加上我國具有雄厚的手動變速器生產(chǎn)制造基礎(chǔ)，開發(fā) 自主品牌 AMT 成為我國汽車行業(yè)從根本上解決 “有車無自動變速器 ”窘境的首選 方向。目前，雖然國內(nèi)已有企業(yè)如中國重汽、綦齒傳動、重慶青山、陜西法士特等 均向市場推出了自主設(shè)計生產(chǎn)的 AMT 產(chǎn)品并成功裝車：例如，北齒與北京理工大 學(xué)合作研制的四檔 AMT 成功搭載在 2021 年北京奧運會的電動公交上，向世界展 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 示了 “綠色奧運，科技奧運 ”的理念；重慶青山開發(fā)的 AMT 批量配裝在江淮同悅 和長安奔奔等微型轎車上等。但是，國內(nèi)對 AMT 關(guān)鍵技術(shù)的掌握仍處于初級階 段，自主品牌 AMT 被市場廣泛接受以打破國內(nèi)自動變速器市場長期被國外壟斷的 現(xiàn)狀尚需時日，其實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化面臨的考驗主要表現(xiàn)在以下幾個方面【 2Sl： (1)控制難度大 由于 AMT 取消了離合器踏板和選換擋操縱桿，駕駛者的行車意圖只能夠通過 加速踏板信號來表達，而汽車行駛的工況是復(fù)雜的，其受車載狀況、路面狀況以及 周圍環(huán)境等多種因素的影響。在起步及換擋時，需要對離 合器、變速器與發(fā)動機三 者的動作進行匹配，以保證換擋品質(zhì)。對于其中單獨一個動作 (尤其是離合器分 合 )的控制，本身就具有高度非線性、滯后等特點，三者之問的協(xié)調(diào)更是難上加 難。這不僅需要 TCU 與發(fā)動機電控單元具有良好的通訊和匹配，而且需要制定合 理的換擋邏輯和良好的控制策略。 (2)換擋品質(zhì)的提高 AMT 屬于非動力換擋，選換擋之前必須分離離合器，等到待掛檔齒輪轉(zhuǎn)速和 汽車行駛速度同步、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和離合器從動盤轉(zhuǎn)速同步兩次同步之后才能使之無 沖擊地掛上檔，這樣造成換擋時間較長，動力中斷明顯，嚴重影響汽車的 動力性。 這也一直被視作 AMT 最大的軟肋，使 AMT 多被應(yīng)用于經(jīng)濟型轎車和商用車。此 外，換擋時間過長加速了離合器和同步器中摩擦元件的磨損，將影響其使用的耐久 性。加大換擋力雖然可以縮短換擋時間，但換檔前后轉(zhuǎn)矩的突變會使汽車車速產(chǎn)生 瞬時加速度，給汽車平順性帶來不利；在變速器內(nèi)部則表現(xiàn)為同步器接合齒間的撞 擊，有可能造成接合齒破壞，甚至引起換擋軸和撥叉的斷裂或變形失效等。好的換 擋品質(zhì)要求既要保證換擋平順，又要保證整車動力性和耐久性，顯然這三者是矛盾 的，只能根據(jù)設(shè)計對象和設(shè)計要求在三者之間作協(xié)調(diào)，以找到晟 佳的平衡點。 (3)選換擋機構(gòu)的設(shè)計 AMT 選換擋機構(gòu)可采用氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動或電機驅(qū)動等形式，它接收來自 于 TCU 的指令，代替駕駛者的手腳成為實現(xiàn)選換擋動作的直接執(zhí)行者，其性能的 好壞直接決定了 AMT 設(shè)計開發(fā)的成敗。換擋過程中， TCU 發(fā)出換檔指令后，若選 換擋機構(gòu)不能及時退到空檔，機構(gòu)將會鎖止而無法掛檔；若不能準確及時地掛入目 標檔位，汽車動力中斷時間就會增加；若自鎖、互鎖裝置不可靠將出現(xiàn)卡檔、跳檔 2 第一章緒論 或亂檔等故障。所以，選換擋機構(gòu)須滿足電控系統(tǒng)的各種需要以 適應(yīng)自動化控制， 其基本要求是響應(yīng)速度快，執(zhí)行精度高，中間位置定位準確，防止產(chǎn)生過大的動載 荷以及安裝布置方便等。而這就需要不斷優(yōu)化選換擋機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高機械加 工水平以及完善控制方法和策略等。 (4)可靠性 可靠性關(guān)系到車輛的安全，是車輛自動化裝置需要優(yōu)先考慮的問題。 AMT 的 可靠性主要包括電控部分軟、硬件的可靠性和機械部分執(zhí)行機構(gòu)、傳動系統(tǒng)的可靠 性等。不管仿真分析多準確、臺架試驗多完善，只有將變速器樣機裝到整車上，經(jīng) 歷千變?nèi)f化行駛工況的磨礪，才能檢驗產(chǎn)品成熟度及可靠性，而這必須有 一定的裝 車量和行駛里程積累，這也是能讓消費者相信并接受自主品牌 AMT 的前提。同 時，一定的故障診斷和容錯能力也是車輛自動化裝置所必須具備的。 1． 1． 2 換擋機構(gòu)研究的背景及意義 換擋機構(gòu)是換擋操縱的最終執(zhí)行者，其動態(tài)特性關(guān)系到 AMT 本身乃至整車性 能的發(fā)揮。換擋平順、擋位清晰、靈活輕便是設(shè)計人員一直追求的目標，同時也是 評價一臺變速器性能優(yōu)劣的最直接指標【 6l，所以換擋機構(gòu)的設(shè)計與開發(fā)是 AMT 研 發(fā)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 目前國內(nèi)相關(guān)企業(yè)大多采用傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法來開發(fā)變速器換擋機構(gòu)，即 “理論計算一物理樣機試驗一改進 ”的開發(fā)理念：先設(shè)計計算換擋機構(gòu)符合換檔性 能要求的結(jié)構(gòu)與尺寸，再用 CAD 軟件建立零件三維模型，虛擬裝配并檢查干涉情 況，根據(jù)經(jīng)驗公式手算重要零件的強度與剛度；接著，利用 CAD 軟件繪制工程 圖，計算尺寸鏈，分配公差，依據(jù)工程圖紙制造實物樣機；再進行各種臺架試驗和 道路試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，調(diào)整相關(guān)的尺寸、公差甚至結(jié)構(gòu)，調(diào)整后再制造實物樣 機進行試驗，如此周而復(fù)始直到滿足客戶要求。這種產(chǎn)品開發(fā)方式，只能以物理樣 機試驗的方式來驗證設(shè)計結(jié)果，不僅費時費力，還需要付出高昂 的開發(fā)費用。而 且， AMT 換檔過程是在零點幾秒的時間內(nèi)發(fā)生的，且各工作零件都處于動態(tài)變化 的狀態(tài)，傳統(tǒng)的理論分析和換擋試驗方法無法或需要很大代價才能捕捉到瞬時的零 件間相互作用及物理量變化，即使進行試驗也無法保證能夠得到一些規(guī)律性的結(jié) 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 果，而且試驗結(jié)論還可能受許多偶然因素的影響。這勢必造成對設(shè)計的變速器換擋 機構(gòu)性能了解不夠全面，面臨一定風險。 如果在設(shè)計階段，使用 CAE 技術(shù)，可以將極短時間內(nèi)發(fā)生的換擋過程以動畫 的形式直觀地重現(xiàn)在設(shè)計者面前，而且可以得出換 擋過程中各工作零部件的動態(tài)特 性曲線，從而為換擋機構(gòu)的設(shè)計、換擋品質(zhì)的評價和優(yōu)化以及換擋控制程序的設(shè)計 和驗證等提供依據(jù)和參考。而且， CAE 分析相當于是在之前建立的 CAD 模型上進 行的 “深加工 ”，可以使 CAD 模型得到更好的利用，不再僅局限于檢查干涉，而 是可以方便地發(fā)現(xiàn)并修改設(shè)計缺陷，仿真試驗不同的設(shè)計方案，對整個系統(tǒng)進行不 斷改進，直到獲得最優(yōu)設(shè)計方案以后，再制造樣機。從而可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周 期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，極大地降低重復(fù)制造物理樣機和進行試驗所帶來的巨額研發(fā)費 用，這在工程實踐中具有重 大意義。隨著市場競爭日益激烈和用戶要求不斷提高， 不少企業(yè)已經(jīng)意識到了這一點， “根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，利用計算優(yōu)化 ”的模式開始流行 開來。 基于以上背景，加上飛翔公司開發(fā)的幾款 AMT 產(chǎn)品在近期的路試過程中均出 現(xiàn)不同程度的換檔困難或換不到位的狀況，在此背景下，本文圍繞一套 AMT 換擋 機構(gòu)展開了研究，并運用 CAE 技術(shù)實現(xiàn)了動態(tài)換擋和強度校核，旨在充分揭示換 擋機構(gòu)的工作機理，為 AMT