張小坤，吳遠迪，葛琳，張靜

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

手動變速器整車虛擬樣機換擋品質分析

張小坤，吳遠迪，葛琳，張靜

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

手動變速器選、換擋力是評價整車換擋性能的重要指標。文章介紹的包含詳細同步器的整車系統(tǒng)仿真模型，可模擬車輛行駛過程中變速器同步器的同步運動過程，仿真分析手柄球換擋力特性曲線。換擋力的仿真結果與GSA試驗結果相吻合。基于此模塊化的整車系統(tǒng)仿真 模型，可對換擋機構和同步器等結構參數進行優(yōu)化，可評估新產品的換擋品質，為同步器等關鍵元件的設計提供依據。

變速器；換擋機構；同步器；換擋力

引言

近年來隨著手動變速器的發(fā)展和應用，換擋品質分析變得越來越重要，傳統(tǒng)的換擋品質分析是通過試驗臺或者整車樣機來完成，在仿真方面缺少詳細的同步器模型以及整車系統(tǒng)仿真環(huán)境，本文介紹的換擋執(zhí)行機構和手動變速器的整車系統(tǒng)模型，是基于 SimulationX系統(tǒng)仿真平臺建立，即可仿真模擬靜態(tài)換擋力，同時可提供整車行駛環(huán)境，進行動態(tài)換擋力仿真，并觀察整車的動態(tài)特性，此環(huán)境更接近于駕駛員實際操作的情況，通過仿真分析，對手動變速器的前期設計進行初步評估與優(yōu)化，減少后期的優(yōu)化和試驗次數，縮短研發(fā)周期。

系統(tǒng)仿真模型不僅設置了整車行駛環(huán)境，同時考慮了影響換擋性能的主要因素，如換擋機構的杠桿摩擦與間隙、拉索的剛度與效率、發(fā)動機的外特性、曲軸轉動慣量與摩擦、離合器的減震、變速器傳動軸的剛度、齒輪的側隙與剛度、同步器齒輪結構、同步器的嚙合運動以及輪胎與車身的行駛阻力等，系統(tǒng)仿真時控制車速（發(fā)動機轉速）與試驗測試的工況相同，然后進行各擋位的換擋動作。

1 整車系統(tǒng)建模

本文以華晨汽車研究院某5速手動變速箱車型為研究對象，其選換擋機構組成如圖1所示，包含手球、拉索、杠桿、換擋軸、detent和撥叉軸等結構，為了模擬整車行駛環(huán)境，除了建立選換擋機構模型，還需建立發(fā)動機、離合器、變速器、半軸、輪胎以及車身等模型。

1.1 選換擋機構建模

選換擋機構模型包括選擋機構和換擋機構，圖2為選換擋結構的位置關系，根據選擋桿的位置判斷可換的擋位，模型中設定選擋桿位置為(0,0)時，可換 3/4擋，選擋桿位置在左側，可換1/2擋，選擋桿位置在右側時，可換5/R擋。

圖1 選換擋機構3D圖

圖2 擋位路徑示意圖

使用1D平動和轉動機械模型庫來搭建選換擋結構模型，定義結構質量、轉動慣量、杠桿比、選換擋剛度、換擋剛度、拉索剛度、拉索效率、detent、撥叉軸限位、結構間隙和摩擦力等。換擋模型如圖3所示，選擋模型類似。

圖3 換擋模型

圖4 齒輪副模型

1.2 發(fā)動機、離合器建模

圖5 發(fā)動機模型

圖6 發(fā)動機外特性曲線

4缸1.5T發(fā)動機模型中設置曲軸的轉動慣量，外特性曲線如圖6所示，建立發(fā)動機轉速控制模型，在動態(tài)換擋時根據換擋過程的實際操作，控制離合器的打開和閉合動作。

離合器的模型主要考慮離合器的摩擦片尺寸，靜摩擦系數，滑動摩擦系數，質量飛輪、離合器外殼、壓盤、摩擦片、從動盤和傳動軸等轉動慣量。

圖7 離合器模型

圖8 離合器特性曲線

1.3 手動變速器建模

手動變速器的模型包括傳動軸、齒輪和同步器等結構。

1.3.1 傳動軸

軸的模型由轉動慣量模型、扭轉彈簧和阻尼模型組合而成。根據輸入、輸出軸的的形狀（變截面）、動力（扭矩）的作用位置對軸進行劃分。根據鋼材的剪切模量G，軸的長度L和直徑d（外徑和內徑），計算出劃分軸段的剛度：

對軸進行剛度劃分后，再對軸進行轉動慣量的分段劃分，原則是每個剛度兩邊各考慮一段轉動慣量。根據每段軸的幾何尺寸與密度ρ，可以計算出相應的轉動慣量：

1.3.2 齒輪副模型

齒輪結構模型，需添加齒數、模數、壓力角、齒寬、螺旋角、側隙等參數，根據變速器的擋位齒輪布置，建立對應的齒輪副模型。齒輪副模型見圖4所示。

1.3.3 同步器建模

圖9 同步器模型

圖10 變速器模型

本5擋變速器同步器為慣性式同步器，分為單向同步器和雙向同步器兩種，1/2擋，3/4擋使用雙向步器，5擋使用單向同步器結構。同步器的原理圖如圖9所示，添加實際的齒形參數后，可通過三維視圖來預覽齒形結構，并可查看同步過程動畫。

1.3.4 5擋手動變速器模型搭建

在輸入、輸出軸之間添加齒輪副和同步器，手動變速器總成仿真模型如圖10所示。

1.4 車輛模型建模

變速器通過差速器將動力傳遞到半軸、輪胎上，模型如圖11所示，此模型考慮了半軸的轉動慣量與剛度，輪胎的滑移曲線、滾動半徑、及滾動慣量，車輛模型考慮了風阻、滾阻、坡度阻力和質量。

圖11 車輛模型

圖12 整車模型

1.5 整車模型搭建

將上述建立的變速器分析模型、發(fā)動機分析模型、整車模型進行搭載，即可完成手動變速器整車仿真分析模型，搭載后的整車模型見圖12所示。

2 整車換擋系統(tǒng)測試

本文介紹的試驗測試系統(tǒng)為GFI公司的GSA 整車換擋質量分析系統(tǒng)，可測量換擋過程中各傳動軸速度、換擋球柄在X、Y、Z方向上的受力及在X、Y方向的行程。按操作員要求，以2維圖表示載荷、行程、時間、速度和擋位五個參數中的任何兩個參數的關系，例如，行程與時間，載荷與行程距離，載荷與速度、擋位等。

圖13 GSA整車換擋質量測試系統(tǒng)

圖14 GSA測試曲線

圖15 靜態(tài)選擋力對比

試驗測試系統(tǒng)包括硬件采集設備和軟件處理分析工具，如圖13所示。

通過各傳感器來測量選擋力、換擋力、選擋行程、換擋行程、車速(CAN Bus)和發(fā)動機轉速 (CAN Bus)等，圖14為試驗中多次測試換擋力的結果曲線。

3 仿真與試驗結果對比

本文主要針對靜態(tài)選、換擋力和動態(tài)換擋力進行比較。

3.1 靜態(tài)選、換擋力

靜態(tài)測試和仿真時車輛處于靜止狀態(tài)，用很小的力緩慢的操作換擋手柄從空擋位置到各擋位位置，得出換擋力與行程的曲線，測試時連續(xù)重復此動作20 次以上，圖15中左圖為進1擋的換擋力測試結果，X軸為行程，Y軸為例，右圖中紅色曲線是根據試驗曲線描繪的結果，藍色曲線是仿真得到的結果，圖16為進4擋的結果對比，其它結果相似，不一一列舉。

圖16 靜態(tài)換擋力對比（進1擋）

圖17 靜態(tài)換擋力對比（進4擋）

選擋力測試時，在行程兩端來回運動，選擋力的對比如圖17所示，左圖為多次測試曲線，右圖紅色曲線為試驗結果，藍色為仿真結果。

3.2 動態(tài)換擋力

動態(tài)換擋力測試時，保持車輛在路況良好的測試跑道或高速公路上，發(fā)動機與變速器充分預熱，手球速度設置為120 mm/s，換擋時間約0.5 s，動態(tài)換擋主要觀察換擋力，換擋行程和二次沖擊（圖 13），二次沖擊是影響換擋舒適性的重要因素，發(fā)生在剛剛同步后出現的一個較大的峰值力，通常我們用換擋力比二次沖擊力來確定二次沖擊的程度，當“力比值”小于2 時，二次沖擊在換擋手球上的感覺會很明顯，選擋過程與靜態(tài)仿真類似，不再贅述。

動態(tài)換擋可以測試發(fā)動機不同轉速時的結果：

控制發(fā)動機轉速1500 rpm，由2擋進1擋的動態(tài)換擋力對比結果如圖18所示。

控制發(fā)動機轉速2000 rpm，由3擋進4擋的動態(tài)換擋力對比結果如圖19所示。

控制發(fā)動機轉速2500 rpm，由4擋進3擋的動態(tài)換擋力對比結果如圖20所示。

測試時偶爾會產生較大的二次沖擊，圖18中的二次沖擊力約45N，換擋力約120 N，力比值大于2，仿真的結果可看到二次沖擊力，但均在測試結果范圍內，變速器的換擋力比值滿足要求，圖18未考慮換擋行程限制，在換擋行程末端換擋力沒有增大，而圖19和圖20考慮了換擋行程限制的影響，圖19中出現較明顯的換擋力谷值與測試值不同，主要是由于駕駛員操作時不會保持勻速過程，同步后會緩慢進行嚙合，而仿真時是按照勻速運動進行同步，對拉索有一個壓縮釋放的過程。

圖18 2降1動態(tài)換擋力對比

圖19 3進4動態(tài)換擋力對比

圖20 4降3動態(tài)換擋力對比

動態(tài)換擋的過程，觀察換擋撥叉的行程，發(fā)動機與變速器傳動軸的轉速變化，車輛的加速度、速度等如圖21所示，撥叉行程對應的擋位為1-5擋，發(fā)動機轉速控制在2500 rpm左右，以3擋同步器的同步過程為例，同步時間約0.5 s，通過過程轉速動態(tài)變化過程，對同步器的參數進行分析與優(yōu)化。

圖21 手動換擋過程車輛動態(tài)特性

4 結論

手動變速器換擋力設計不合適，容易造成駕駛疲勞，而影響換擋力的非線性因素較多，通過簡化的方法，計算精度較低，本文介紹手動變速器虛擬樣機對靜、動態(tài)換擋力的仿真計算，并且可模擬任意的試驗工況；靜態(tài)換擋力驗證是做動態(tài)換擋力分析的基礎，通過靜態(tài)換擋力的仿真，驗證了模型的換擋剛度、換擋行程、結構間隙，標定了錐面的摩擦系數；動態(tài)換擋力仿真，與試驗測試結果吻合度較好，實際應用中，通過模塊化，參數化配置，可方便地完成新型變速器的整車模型，快速進行換擋性能的評估。

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Vehicle Virtual Prototype Shift Quality Analysis of Manual Transmission

Zhang Xiaokun, Wu Yuandi, Ge Lin, Zhang Jing
( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110141 )

Shift force of manual transmission is an important index of vehicle performance evaluation.In this paper contains a detailed synchronizer, a simulation model of vehicle system can simulate the transmission process of a vehicle traveling in the synchronous movement of each block synchronizer simulation analysis handles the ball shift force characteristic curve.The simulation result of the shift force in conformity with the GSA test results. Based on the modular vehicle system simulation model for shift institutions and synchronizer optimization of structure parameters such as, can evaluate the shift quality of new products, such as synchronizer provides the reference for the design of key components.

Transmission; Shifting Mechanism; Synchronizer; Shift Force

U463.2

A

1671-7988(2017)22-113-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.041

張小坤（1978-），男，遼寧省臺安人，工程師，碩士，研究方向：汽車變速器零部件設計及CAE仿真分析。

CLC NO.:U463.2

A

1671-7988(2017)22-113-04