手动变速箱同步器数学模型的建立与优化.pdf

机械工程师 M E C H A N I C A LE N G l N E E R 手动变速箱同步器数学模型的建立与优化 伊辉 王剑彬 王学虎 南华大学机械工程学院 湖南衡阳4 2 1 0 0 1 摘要 通过对锁环式惯性同步器的结构 工作原理以及结合过程的分析研究 结合同步器的工作过程及同步器设计公式 以缩短同步器司步时闻为目标 选取摩擦锥面锥角O 摩擦锥面的平均摩擦半径尺 摩擦锥面宽度L 摩擦锥面摩擦因数肛 结 合齿的锁止角口五个对同步器性能影响较大的参数对同步器进行数学建模 针对模型中设计变量 目标函数及约束条件 为 了提高计算效率 利用M a t l a b 优化工具箱中的F m n co n 函数 建立非约束性M 文件 然后进行数学模型优化 关键词 同步器 工作原理 数学建模 M a t l a b 优化 中图分类号 T P3 9 1 7文献标志码 A文章编号 1 0 0 2 2 3 3 3 2 0 1 7 0 1 0 0 7 9 0 3 E s t a b l is h m e n ta n dO p t im iz a t io no ft h eM a t h e m a t ica lM o d e la b o u tM a n u a lT r a n s m is s io nS y n ch r o n iz e r Y IH u i W A N GJ ia n b in W A N GX u e h u S ch o o lo f M e ch a n ica l E n g in e e r in g U n iv e r s it yo f S o u t h C h in a H e n g y a n 9 4 2 1 0 0 1 C h in a A b s t r a ct T h isp a p e rs t u d ie st h es t r u ct u r e w o r k in gp r in cip l ea n dp r o ce s so ft h el o ckr in gt y p ein e r t ia ls y n ch r o n iz e r T o s h o r t e nt h es y n ch r o n iz a t io n t im e t h ew o r k in gp r o ce s sa n dd e s ig n e df o r m u l ao ft h es y n ch r o n iz e ra r eu s e dt ob u il d m a t h e m a t ica lm o d e lo ft h es y n ch r o n iz e rb a s e do nf ict io nco n eA n g l e0 a v e r a g ef r ict io nco n er a d iu sR f r ict io nco n ew id t h L t h ef r ict io nco e f f icie n to fco n e 斗a n dco m b in in gt o o t hl o ckh o r n sp I nv ie wo fd e s ig nv a r ia b l e o b j e ct iv ef u n ct io na n d co n s t r a in tco n d it io n so ft h em o d e l F m in co nf u n ct io no fM a t l a bo p t im iz a t io nt o o l sisu s e dt oe s t a b l is han o n b in d in g d o cu m e n tMt oim p r o v et h eco m p u t a t io n a le f f icie n cy T h e nt h em a t h e m a t ica lm o d e liso p t im iz e d K e y w o r d s s y n ch r o n iz e r o p e r a t in gp r in cip l e m a t h e m a t ica lm o d e l in g M a t l a bo p t im iz a t io n 0 引言 变速箱是汽车传动系统重要组成部分 而同步器又是 汽车变速箱的重要组成部分 同步器结合与分离时间短 结合与分离的平顺与否反映一辆汽车的舒适性及换挡平 顺性 而这反映到变速器上就是换挡时变速器内部 同步 器 冲击反馈到变速杆上 1 为了提高驾驶的舒适性 缩短 换挡时间 对手动变速器进行研究是很有必要的 1 同步器工作原理 汽车同步器利用摩擦原理 使结合套与待啮合结合 齿圈迅速同步 并防止二者达到同步之前产生齿轮冲击 现代汽车上广泛使用摩擦式惯性同步器 汽车同步器分 为锁环式惯性同步器和锁销式惯性同步器 锁环式惯性 同步器一般应用于轿车和轻 中型货车中 锁销式惯性同 步器一般应用在中 大型货车当中 如图1 所示为锁环式陨性同步器分解图 由图可知 锁环 式贤陛同步器由结合齿圈 锁环 花键毂 结合套等组成 结合齿圈锁环结合套 夭 麓 蕙 而刀刀 同步器按工作过程不同可以分为同步过程和锁止过 程1 2 3 1 如图2 所示 汽车锁环式惯性同步器换挡过程大致分 为3 个阶段 第一阶段 结合套在轴向换挡力的作用下向左 移动 结合套的锁止角与锁环锁止角相互抵触 第二阶段 结合套在轴向换挡力的作用下继续向左移动 结合齿圈锥 面与锁环锥面相互压紧 直到锁环与结合套二者速度相 同 这样结合套与锁环进入结合 第三阶段 结合套继续向 左移动 结合套花键齿与结合齿圈花键齿的锁止角相互抵 触 最终结合套与结合齿圈进入啮合 整个换挡过程结束 2 锁环式惯性同步器数学模型建立 2 J 设计变量 通过同步器工作原理分析 以缩短同步时间为目 网址 w w w j x g cs co r n 电邮 h r b e n g in e e r 1 6 3 co m2 0 1 7 年第1 期l7 9 机械工程师 M E C H A N I C A LE N G l N E E R 标 我们选取了摩擦锥面的锥角 摩擦锥面的平均半径 R 摩擦锥面宽度三 锥面摩擦因魏 结合齿的锁止角卢等 五个对同步器影响较大的参数作为设计变量 即 个 一T x l 戈1 乒2 3 乒4 乒5J l O t 卢 R 肛J 就设计变量的5 个参数做简单说明 2 2目标函数 同步过程简化模型如图3 所示 对其简化数学模型做进一步理论分析 建立同步器 同步时间的数学模型 根据牛顿第二定律 胜掣 1 山2 式中 M 为力矩 N m j 为转动惯量 k g m 2 咖为角位移 r a d o 模型的输入端 五盟 一雌幔 2 d 2 模型的输出端 工盟 雌幔 3 d t 2 将式 2 和式 3 两边同时对t 求积分 上芈 一犯一坂 A 4 工芈 脚犯 日 5 若假设同步器输出端角速度为 则输入端角速度为 r 0 3 贝l J t O 时 A J cr f O B J t o 将其代入式 4 式 5 中可得 上芈 一吩崛 上M 6 工芈 脚蛆 f 扣 7 将式 6 与式 7 进行变换后代人式 8 可得 一M 一坂 馄 M t 鸩一幔 U t 8 整理可得同步器的摩擦力矩为 昨兰 型t 等 j 1 一N 可得同步器同步时间为 U 1 一r 6 一一O M l J 产J M J M 0 c 1 0 2 3 约束条件 约束条件是指一个可行方案必须满足的设计限制 条件 约束条件设置的好坏直接影响优化结果 所以 对 于约束条件的设置是很重要的 否则达不到理想的结果 对于上述的目标函数 应保证换挡力一定的情况下 二次 冲击力在一个可接受的范围内追求目标函数最小值 具 体来讲 要满足的约束条件有 1 防止摩擦锥面发生自锁 cE I a r ct a n 肛 2 摩擦锥面平均半径R 与锥面工作宽度L 之比为 2 詈 s 3 摩擦锥面强度砖茅 虿盖 P o 式中 P N 为摩 擦锥面间所受的正压力乒 为摩擦锥面的面积 P 为比压 许用系数 取 P 2 0 0 0 k P a 4 同步器锁止条件 t a 印 i掣L 式中 R 为锁止 n S s l n o t 面节圆半径 3M a t l a b 优化设计 M a t l a b 由美国M a t h w o r k s 公司开发的 自带优化工具 箱的优化软件 为优化问题的求解提供了方便 所以 M a t l a b 在线性 非线性优化问题上应用非常广泛P l 为了 表1 某轿车同步器部分参数初始值 减少编程与提高效率 我们直接利用M a t l a b 优化工具箱 中的F m in co n 函数进行模型优化求解 通过目标函数 约 束条件的分析可知 该问题是一种多约束的多元函数最 小值求解问题 需要建立非线性约束条件M 文件 然后按 照程序输入某轿车原始数据 最后根据约束条件M 文件 及原始数据优化得出最优解 如表l 所示 为某轿车5 6 挡同步器结构参数 摩擦锥 面角d 为6 5 结合齿锁止角J B 为2 5 摩擦锥面平均半径R 为3 6m n 摩擦锥面宽度己为8m m 锥面摩擦因数弘取 0 1 2 理论计算同步时间约0 2 1 4 0s M a t l a b 优化后的结构 参数如表2 所示 优化后的摩擦锥面角为6 2 比设计初始 值减少了4 6 2 结合齿锁止角为3 0 比初始值增加了越 2 0 摩擦锥面半径受同步器结构限制 优化后的摩擦锥 面半径可取约束条件下的最大值即可 同步时间为 0 1 7 1 0 比初始值理论初始时问减少2 0 1 通过与某轿 车同步器初始结构参数比较 验证了M a t l a b 优化设计方 法的可行性 为后续同步器三维模型装配及虚拟样机动 力学仿真提供指导 参考文献 1 董晓露 变速箱用同步器的设计与应用 J 机械管理开发 2 0 1 2 3 1 2 3 1 2 5 12J G O N GZ o n g y a n g Z H A N GW e ig o n g C H E NG u a n g A n a l y s e sa n d E v a l u a t io no nS y n ch r o n iz e ro fM a n u a l T r a n s m is s io n C f l h e W o r k s h o p o n C o m p u t a t io n a lI n t e l l ig e n ce I n d u s t r ia l 8 0I2 0 1 7 年第1 期网址 w w w j x g cs co r n 电邮 h r b e n g in e e r 1 6 3 co m 机械工程师 M E C H A N I C A LE N G l N E E R 一种高效 省力快递分拣车的设计和研究 张成龙 彭彦秉 李凡 高小宝 王永泉 湖北汽车工业学院机械工程学院 湖北十堰4 4 2 0 0 2 摘要 研制了一种便于小件快递中转运输的快递车 该车采用了链条带动平板的传动方式 并且结合常闭式脚踏刹车装置 能实现大量小件快递的免弯腰装卸 通过隔板的调整可实现货物的分拣功能 该车可以根据具体的工况实现系列化设计 大 幅减轻工人的劳动强度 减少用工人数 提高工作效率 快递车结构简单 操作方便 经济性好 有较好的应用推广价值 关键字 快递分拣 便捷运输 高效装卸 中图分类号 T H6 9 1 5 文献标志码 A文章编号 1 0 0 2 2 3 3 3 2 0 1 7 0 1 0 0 8 1 0 2 D e s ig na n dR e s e a r cho faH ig hE f f icie n cya n dL a b o rS a v in gE x p r e s sD e l iv e r yV e h icl e Z H A N G C h e n g l o n g P E N GY a n b in g L IF a n G A OX ia o b a o W A N GY o n g q u a n S ch o o lo f M e ch a n ica l E n g in e e r in g H u b e iU n iv e r s it yo f A u t o m o t iv e T e ch n o l o g y S h iy a n 4 4 2 0 0 2 C h in a A b s t r a ct s T h isp a p e rd e s ig n sa ne x p r e s s ca r w h ichisco n v e n ie n t l yu s e dinca r r y in ge x p r e s s e s C o m b in in gw it hn o r m a l l y cl o s e df o o ta ct u a t e db r a k e ch a int r a n s m is s io nis a p p l ie dt oa v o ids t o o pw h e nl o a d in ga n du n l o a d in gl a r g en u m b e ro f e x p r e s s e s D ia p h r a g m sa r eu s e dt oa ch ie v ef u n ct io no fcl a s s if y in ge x p r e s s e s A cco r d in gt ot h es p e cif icw o r k in gco n d it io n s e r ie sd e s ig no ft h eca rca nb eu s e dt or e d u cel a b o u rin t e n s it ya n dco u r ie rn u m b e r a n de n h a n cew o r k in ge f f icie n cy T h is e x p r e s s ca rh a sa d v a n t a g e so fs im p l es t r u ct u r e s co n v e n ie n ta n de co n o m icch a r a ct e r s a n db e t t e rv a l u ef o rp o p u l a r iz a t io n K e y w o r d s g o o d ss o r t in g co n v e n ie n tt r a n s p o r t a t io n e f f icie n tl o a d in ga n du n l o a d in g 0 引言 现代科学技术创新设计此起彼伏 飞速发展 而科技 渗入到各个行业也是越发深远 作为社会搬运工的交通 运输行业的发展和创新设计也是倍受青睐 根据目前情 况 交通运输行业的发展依旧是针对铁路 航空 高速公 路 船舶行业的道路修建以及相应交通工具的大空间 低 油耗 等方面的设计和优化 而在短途运输方面 很多设 计仅仅是通过简单地将大车改小 亦或是利用简单的动 力装置加上简单的储物装置组合而成的运输工具刚 这 样不仅不能提高工作效率 而且浪费了大量的人力资源 完全不符合现代高效的工作和生活方式 特 别是在快递运输行业的运输起点 终点和中 转站这些运输流程中 目前存在着货物乱堆 放 暴力投送 工作人员不停弯腰搬运等低质 量 低效率问题 而且在解决快递分拣 运输 装卸等方面的问题仍然存在着许多不足 譬 如 当快递被运输到指定位置后就被随意堆 放在地面上 然后再通过人力进行暴力投送 这样一来 不仅会损坏快递件 而且到达站点 后还需要工作人员不停地弯腰对快递按投送 题 设计出了一款小型快递装卸分拣车嘲 在快递运输起 点 终点和中转站等运输流程中比较快捷地辅助工作人员 完成快