新型手动变速器换挡二次冲击仿真分析

李小龙 成起强 王新

摘 要：为了降低换挡过程中的二次冲击，提升用户体验，以降低换挡过程中输出端当量转动惯量为思路，文章设计了一款单向离合器式手动变速器。新型变速器将输出轴设计成两段，并以单向离合器相连，全部前进挡齿轮安装在输出轴的前段，与中间轴上各齿轮啮合传动完成变速变扭功能。运用ADAMS仿真软件，对其换挡过程进行动态仿真分析，获得新型手动变速器换挡二次冲击曲线，通过与传统手动变速器换挡二次冲击曲线的对比，揭示了新型手动变速器在提高换挡平顺性方面的优势，并通过仿真分析探究花键齿锁止角及棱线角与换挡二次冲击的关系，通过合理选择锁止角与棱线角数值，进一步降低换挡二次冲击。

关键词：变速器;单向离合器;同步器;ADAMS;仿真

中圖分类号：U463.212+.1  文献标识码：A  文章编号：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

手动变速器换挡二次冲击是评价换挡操作性能的重要指标，过大的二次冲击将产生严重的振动及噪声，影响换挡操作的舒适性及同步器的使用寿命。

目前，降低换挡二次冲击的研究主要集中在同步器的结构分析及优化方面。其中李晓春和褚超美等人，利用ADAMS软件建立同步器多刚体动力学模型，揭示了花键齿几何参数对二次冲击峰值的影响规律，获得了最佳的花键齿参数组合，有效降低了二次冲击的峰值[1]。余晓霞和张志刚等人利用AMESim软件，建立同步器动态仿真模型，分析了输入端转动惯量、锁环摩擦系数及锁环摩擦锥角与换挡二次冲击、同步冲量等的关系，通过优化分析得到了最优模型，有效降低了二次冲击的峰值[2]。

同步器输入端、输出端的转动惯量对二次冲击的大小有着重要影响，二次冲击随转动惯量的增加而增大[2]。本文提出的输出轴离合器式变速器，在换挡过程中通过单向离合器切断变速器输出端与传动系统的连接[3]，有效降低输出端的转动惯量，进而降低结合套与结合齿圈结合时的二次冲击[4]，并利用ADAMS软件建立同步器动力学仿真模型，通过模拟输出轴离合器式变速器的换挡过程，获得二次冲击曲线，并与传统手动变速器二次冲击曲线比较，验证了该新型手动变速器方案对于有效降低换挡二次冲击的可行性。

1 换挡二次冲击产生的原因

当锁环通过摩擦作用使得动力输入端的齿轮与动力输出端的结合套同步后，结合套穿过锁环与齿轮齿圈啮合过程中经历一段空行程，在经历空行程的时段内，由于离合器摩擦阻力矩的影响，动力输入端的齿轮转速进一步降低，于此同时动力输出端的结合套由于汽车轮胎滚动阻力及行驶阻力的影响，速度也进一步降低，但齿轮与结合套速度降低幅度不同而产生转速差，这一转速差就是齿轮齿圈与结合套啮合时产生冲击的原因，即二次冲击的产生机理[1]。锁环式同步器的工作过程如图1所示。

二次冲击的大小主要取决于动力输入端与输出端的转速差以及输入端与输出端当量转动惯量的大小。

2 输出轴离合器式变速器工作原理

通过二次冲击产生的原因分析，输入端、输出端当量转动惯量的大小是影响二次冲击大小的关键因素;设计一款输出轴离合器式手动变速器，目的在于减小换挡过程中输出端当量转动惯量，进而降低换挡过程中的二次冲击;新型变速器将输出轴设计成两段，并以单向离合器相连，全部前进挡齿轮安装在输出轴的前段，与中间轴上各齿轮啮合传动完成变速变扭功能，其结构原理如图2所示。

2.1 前进挡阶段

车辆处于前进状态时，动力输出轴前段向输出轴后段传递，单向离合器的单向锁止功能实现输出轴前段与后段的连接，动力得以传递。

2.2 车辆换挡阶段

车辆在换挡过程中，利用单向离合器单向传动的特点，单向离合器切断了输出轴后段与输出轴前段的连接，在结合套与齿轮齿圈结合的过程中，输出轴的当量转动惯量大大减小，可以有效降低结合过程中二次冲击力的大小，完成平顺换挡操作。

2.3 倒挡阶段

倒挡齿轮安装在输出轴的后段，直接与倒挡惰轮及中间轴上的倒挡齿轮啮合实现倒挡动力传递，由于倒挡操纵是在停车的状态下进行，不存在二次冲击的现象。

2.4 发动机制动阶段

当驾驶员制动时，制动液同时被输送到变速器上设置的从动缸，从动缸推杆推动单向离合器上的锁止离合器拨叉，实现单向离合器内外圈的锁止，进而满足需要发动机制动的工况。

综上所述，输出轴离合器的设计简化了传统变速器复杂的同步器部分，省去各档位同步器的锁环，降低了制造成本、减少变速器中有色金属的使用，提高了使用寿命及运行的可靠性。目前，一种输出轴离合器式变速箱已取得发明专利，专利号ZL 2015 1 0238047.6。

3 输出轴离合器式变速器模型建立

通过三维逆向扫描建模的方式搭建某轻型轿车三轴四速手动变速器模型，首先进行零部件数据扫描，其中中间轴的三维扫描数据如图3所示，通过逆向建模获得各零部件三维实体模型，最后通过装配各零部件获得手动变速器装配模型;在此装配模型的基础上增加单向离合器、去除各档位同步器鎖环、调整齿轮位置获得离合器式手动变速器三维模型，如图4所示，其各档位传动比与原变速器相同。

通过三维模型指导输出轴离合器式手动变速器样机的制作，完成样机如图5所示。

4 换挡二次冲击动力学仿真分析

4.1 动力学分析模型搭建

由于三挡切换四挡时，动力输入端与输出端的转速差最大，冲击最剧烈，因此本文以四挡为例，利用ADAMS/view模块建立动力学仿真模型，设置各部件间的运动关系及接触关系，如表1所示。

变速器各部件之间的接触力采用冲击函数进行定义[5]，冲击函数方程为：

（1）

式中：Fn为冲击力;k接触刚度;dmax为切入深度;e为力指数;STEP为阶跃函数;g为最大阻尼系数;cmax为最大摩擦因数;dg/dt为切入速度。

结合套上的换挡力一般取100～150N，本文研究对象为紧凑型轿车，因此取120N，并采用典型换挡力曲线进行定义，典型换挡力曲线如图6所示。

在典型换挡力曲线中，换挡时刻t1之前表示退出原档位，此时的换挡力主要克服结合套与接合齿圈的接触摩擦力以及自锁钢球的自锁力;t1至t2为同步器的同步阶段;t1时刻开始，结合套克服与锁环之间的间隙，将锁环压向结合齿圈的摩擦锥面并产生摩擦力矩，换挡力在此过程中逐渐增大并产生一个峰值;随着锁环与接合齿圈速度逐渐同步，换挡力逐渐减小，t2时刻完成同步;之后结合套花键齿穿过锁环花键齿与接合齿圈结合时会再次产生一个较小的峰值;式中FA为常规换挡力，Fmax为换挡力峰值[6]。

本文研究结合套退出三挡并挂入四挡的同步过程，因此在ADAMS中采用STEP函数进行换挡力的定义;其表达式为STEP=（0，0，0.1，120），表示0～0.1S换挡力由0N阶跃到120N，其后其换挡力保持在120N。

除各部件运动关系及接触关系定义外，还需定义同步器输入端、输出端的以下仿真参数，本文以四挡为例定义输入端、输出端的仿真参数;四挡为直接档，传动比i4=1，发动机转速为2200r/min，三挡传动比i3=1.36，当量转动惯量及阻力矩的计算根据分析车型的总质量、轮胎滚动半径、主减速比等参数进行计算，在此不再赘述，仿真参数定义如表2所示[7]。

输出轴离合器式变速器由于在换挡过程中断开变速器输出轴与后面传动系统的连接，在进行新型变速器换挡过程分析时，四挡同步器连接部分的当量转动惯量，即输出端当量转动惯量为382500 kg·m2，同步器受到的阻力矩仅考虑轴承部分的摩擦力及润滑油的阻力矩，经计算为256N·mm。

定义完成运动关系、接触关系、换挡力曲线及初始状态仿真参数后的同步器ADAMS仿真模型如图7所示[8]。

4.2 换挡二次冲击峰值评价

评价换挡二次冲击剧烈程度主要通过二次冲击力峰值大小及冲击时间宽度，以下通过对比传统变速器及输出轴离合器式变速器换挡二次冲击波形图，评价其换挡品质。

如图8至9所示，传统变速器同步过程中，由于同步器锁环的摩擦作用，结合套与齿圈的角速度不断趋于一致，在55ms速度达到一致，而后结合套穿过锁环与齿轮齿圈的啮合过程中，由于离合器的摩擦阻力矩及汽车行驶阻力等的影响，结合套与齿轮齿圈啮合过程中产生速度振荡并产生二次冲击现象，此传统变速器二次冲击自55ms开始，至77ms结束，持续22ms;最大冲击力峰值为137N，发生在第一次冲击波形，第一次冲击波形持续时间5ms，第一次冲击波形为影响换挡品质的主要因素。

输出轴离合器式变速器在换挡过程中，结合套与齿圈在52ms接触，经过速度的振荡，在54.5ms达到转速一致，如图10所示;由于新型变速器去掉锁环部件，结合套与齿圈直接接触，两者接触后速度振荡时间较短，经历2.5ms的振荡后完成同步，其冲击曲线出现一次较大峰值，峰值为88N，如图11所示。

输出轴离合器式变速器相比传统手动变速器，换挡二次冲击指标中，冲击力峰值由137N降低至88N，冲击持续时间由22ms减少至2.5ms。

输出轴离合器式手动变速器去掉各档同步器锁环，并在输出轴增设单向离合器，由于单向离合器切断了变速器输出轴至车轮的传动系统部分，大大降低了挂入某档位时结合套的当量转动惯量，通过仿真分析，验证了其对于降低换挡二次冲击的良好效果。

5 花键齿参数化仿真分析优化

5.1 花键齿优化参数的选择

花键齿端锁止角与花键齿端棱线角对换挡二次冲击峰值有较大影响[1]，因此将锁止角与棱线角作为设计变量，研究其与二次冲击力峰值之间的关系，通过合理选择锁止角与棱线角的数值，进一步降低输出轴离合器式手动变速器的换挡二次冲击。

为保证同步器设计要求，并统计目前在产变速器的锁止角范围，确定接合套与结合齿圈花键齿锁止角参数化范围为90°至130°，优化步长为5°;确定接合套与结合齿圈花键齿棱线角参数化范围为0°至10°，优化步长为2°。

5.2 锁止角的参数化建模

ADAMS软件提供了强大的参数化建模功能，通过参数化坐标点的方式，驱动接合套与结合齿圈花键齿锁止角变化，实现花键齿锁止角的参数化。

以齿轮齿圈花键齿为例说明锁止角的参数化建模过程，为方便建模，传动齿轮通过UG建模并导入ADAMS的方式建立，结合齿圈花键齿通过ADAMS中Plate功能建立;首先，通过Point点建立花键齿边界坐标点，通过Plate建模时，为保证花键齿沿径向拉伸，在建立每一个花键齿时需定义局部坐标系，建立完成的齿轮齿圈如图12所示。

对花键齿顶点Marker点的X坐标进行参数化定义，进而改变花键齿的锁止角，参数化建模方式如图13所示，其中?X为定义的设计变量，通过赋予设计变量?X系列数值，驱动锁止角在90°至130°内变化，步长为5°。

運用ADAMS软件设计研究功能探究锁止角与二次冲击峰值之间的关系，接合套与结合齿圈花键齿锁止角参数化范围为90°至130°，优化步长为5°，共进行9次自动仿真计算，仿真结果显示，锁止角对二次冲击力峰值及冲击持续时间影响较大，锁止角与二次冲击力峰值的关系如图14、图15所示;当锁止角为110°时，冲击力峰值最小，且冲击持续时间最短，因此，选择110°作为变速器锁止角的设计角度。

5.3 棱线角的优化设计

锁止角与棱线角的多参数优化数值组合过多，仿真成本过高，因此，在选择锁止角110°的基础上，通过UG软件建立不同角度棱线角的齿轮与接合套三位模型，棱线角选值范围为0°至10°，优化步长为2°。

通过ADAMS软件共进行6次二次冲击仿真计算，棱线角与二次冲击力峰值的关系如图16、图17所示，且棱线角为8°时，冲击力峰值最小，且冲击持续时间最短，因此，选择8°作为变速器棱线角的设计角度。

6 结论

（1）针对二次冲击的产生机理，设计一种输出轴离合器式手动变速器，目的在于换挡过程中切断变速器输出端与后面传动系统的连接，降低输出端的当量转动惯量，进而降低二次冲击峰值及冲击时间。

（2）利用ADAMS软件建立多刚体动力学分析模型，以换挡二次冲击最大的四挡为例进行对比分析，结果表明输出轴离合器式变速器可明显降低二次冲击的峰值及冲击时间，为输出轴离合器式变速器的设计及研发提供了设计思路及理论支持。

（3）研究结果具有普遍适用性，输出轴离合器的结构可广泛应用于手动变速器、AMT自动变速器、双离合自动变速器，用于有效降低换挡二次冲击。

（4）通过ADAMS软件的参数化建模及设计研究功能，进行花键齿锁止角与棱线角的参数化分析，通过分析确定最佳的锁止角与棱线角数值组合，进一步降低二次冲击力峰值及冲击持续时间。

参考文献

[1] 李晓春，褚超美.汽车同步器换挡二次冲击的动态仿真[J].汽车工程，2014，36（12）：1498-1502.

[2] 余晓霞，张志刚.基于AEMSim同步器换挡性能仿真与优化[J].机械传动，2018，42（03），60-65.

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[5] 刘振军，刘飞.双离合自动变速器齿轮轴系三维建模与仿真[J].机械设计，2011，28（1）：73-76.

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[7] 王望予.汽车设计（第4版）[M].北京：机械工业出版社，2004.

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