车AMT气压换挡执行机构设计与动态分析

1、2010年2月 第38卷第3期机床与液压MACHINE TOOL&HYDRAULICSFeb.20lO V01.38No.3DOI:10.3969/j.issn.10013881.2010.03.020载重汽车AMT气压换挡执行机构设计与动态分析杨小辉1”,徐颖强1,李世杰1(1.西北工业大学,陕西西安710072;2.陕西法士特集团,陕西西安710077摘要:根据AMT选一换挡执行机构的设计要求,开发设计了某载重汽车AMT换挡气压系统及换挡执行机构。根据气 压原理,建立选一换挡机构动态数学模型,以MATALAB/sIMuLINK软件为平台,进行该执行机构换挡过程的动态模型建 立,针对

2、不同气源压力下执行机构的进、排气腔的压力和行程变化进行了动态仿真分析,为AMT的选一换挡执行机构的设 计研究提供理论依据。关键词:AMT;气压;选一换挡执行机构;仿真中图分类号:U463.212文献标识码:A 文章编号:10013881(201030643Dynamic Analysis and Design on Pneumatic DriveShift Mechanism of AMT System for Heavy-truckYANG Xiaohuil”,XU Yingqian91,LI Shijie。(1.Northwestern Polytechnic University。Xia

3、n Shaanxi 710072,China;2.Shaanxi Fast Group,Xian Shaanxi 710077,ChinaAbstract:A kind of pneumatic system and drive shift mechanism of automated mechanical transmission(AMTsystem for heavytruck was introduced based on the design requests of the drive shift mechanism.The dynamic mathematical model of

4、the drive shift mechanism was established based on pneumatic principle.The dynamic model.of this mechanism WaS built by MATLAB/SIMU LINK software.The variety of pressure and stroke of intake/exhaust chamber wag simulated under different air pressures.Keywords:Automatedmechanical transmission(AMT;Pne

5、umatic;Drive select-shift mechanism;Simulation载重汽车使用条件恶劣,变速器负载大、挡位 多,选换挡操纵复杂,从国际载重汽车自动变速技术 发展趋势和目前我国载重汽车装用的都是手动机械式 变速器,并形成了相当规模的生产与研发能力的现实 出发,要提高载重汽车操纵的轻便程度和汽车行驶的 安全性,提高车辆的动力性和经济性,采用电控机械 式自动变速(AMT技术是最好的途径。AMT系 统中执行机构的研究与开发是其重点内容之一。换挡 执行机构的性能直接影响整个AMT系统的性能,必 须保证其响应速度快、工作稳定可靠、安装布置方 便。同时执行机构也应充分利用载重汽车原

6、有的液压 或气压装置,最大限度地降低系统成本。气压驱动执 行机构,具有容量大、操作简便、易于实现安全保 护、元件加工简单、污染少、便于空间布置等优 点心1。因此作者以某载重汽车机械变速器为研究对 象,进行AMT系统气压执行机构的开发设计与性能 仿真。1选一换挡执行机构的设计要求选一换挡执行机构必须达到换挡过程平稳、冲击 小、响应快,中间位置定位准确和防止产生过大的动 载荷等要求口j。因此,换挡气压执行机构设计时应满 足以下要求:(1执行机构的行程执行机构行程的设计要求通过尺寸链的换算,较 精确地确定行程尺寸的公差,最终得到执行机构的行 程。如果行程过短,则可能出现挂不上挡或者脱挡的 情况;行程

7、过长时,对换挡品质的影响虽不是很大, 但会造成换挡过程完成后同步器或滑套上仍然受到较 大的轴向推力,从而影响同步器或滑套的寿命。 (2换挡速度换挡速度影响换挡力的大小。换挡速度过快会产 生较大的冲击力;换挡速度过慢则会影响整个挂挡时 间;增加换挡过程的动力中断时间,影响车辆的加速 性能。因此换挡速度将直接影响换挡品质。根据实践 经验,载重汽车完成一次换挡的总时间一般1.6S较 为合适,而一次挂挡时间最好不要超过500ms。 (3执行机构的推力推力大小直接影响换挡的可靠性和同步器或滑套收稿日期:200902一18基金项目:国家自然科学基金资助项目(50875214;国家自然科学基金资助项目(10

8、6721340作者简介:杨小辉(1979一,男,硕士研究生,工程师,研究方向为机械变速器和电控机械自动变速器的研究等。电话:029884939282。Email:xiaohui019。 万 方数据第3期 杨小辉等:载重汽车AMT气压换挡执行机构设计与动态分析 65的寿命。推力过小可能造成挂不进挡,啮合齿与套 之间打滑,产生较大噪声,导致同步器或滑套早期损 坏;推力过大,同样会导致同步器或滑套寿命减小。 通常动态换挡力大于静态换挡力。因此推力应以动态 条件下最大换挡速度时各挡所需的最大换挡推力实测 值为依据进行设计,并通过对不同方式实时控制推力 大小,从而保证换挡品质和

9、同步器或滑套寿命。 (4位置定位变速器换挡执行机构有3个位置,中间位置定位 不准确直接导致啮合齿与套之间接触,造成啮合齿、 同步器或滑套等早期损坏,甚至造成变速器不能顺利 选挡等。选挡执行机构的位置一般为24个,位置 定位不准确直接导致变速器不能顺利选挡。根据实践 经验,载重汽车一般位置相差不超过0.5nlln。2执行机构设计2.1选一换挡执行机构气压控制系统根据载重汽车9挡手动变速器换挡结构特点设计 该选一换挡执行机构气压控制系统。该变速器为主副 箱结构,主箱为3根换挡拨叉轴,分别控制低挡区的 RlL挡、12挡、34挡和高挡区的R2、56挡、78挡(L为爬坡挡,有一个挡位不用。根据 其结构特

10、点,采用传统的x.Y型式的选一换挡机 构。选一换挡气压缸各有3个工作位置。副箱的高低 挡切换保留了原有气动控制系统。选一换挡执行机构 气压控制系统如图1所示。选一换挡系统中气压动力 源由原车发动机上的空气压缩机和储气筒提供。在进 入选一换挡电磁阀的气路中设置了比例减压阀,由 AMT电控单元控制,根据不同工况和挡位实时控制 换挡气压缸的工作压力,从而调节不同挡位时气压缸 的换挡力。空气压缩机图1选一换挡执行机构气压控制系统2.2双作用三位置气缸”o选一换挡双作用三位置气压缸结构如图2所示, 为对称的中间输出式双作用三位置气缸,缸筒内设两 个滑套,活塞杆中部固定换挡拨头,气压缸两侧分别 有进气口。

11、活塞作用面积一般不小于衬套的作用面 积,因为挂挡作用力一般大于摘挡作用力。当气压缸 的左腔进气时,推动活塞杆和右滑套向右运动,换挡拨头带动换挡拨叉轴和拨叉完成进挡动作。左右两腔同时进气时,右腔的作用面积为滑套加 图2双作用三位置 活塞杆,左腔的作用 气缸结构简图面积仅为活塞杆,在差动力的作用下活塞杆及右滑套 向左运动,到达中间位置后活塞杆左右两侧的作用力 相等,活塞杆上的作用力为零,由于惯性的作用,活 塞杆继续向左运动,此时左腔的作用面积为滑套加活 塞杆,右腔的作用面积仅为活塞杆,在差动力的作用 下阻止活塞继续向左运动,活塞杆处于中间位置,变 速器回到空挡。当气压缸的右侧进气时,推动活塞杆 和

12、左滑套向左运动,完成进挡动作。此三位置气压缸 结构简单,布置方便,具有速度快、换挡时间短、动 作准确等优点,可满足AMT选一换挡动作的要求。 3换挡执行机构气压缸的动态数学模型为方便建立描述换挡执行机构气压缸运动数学模 型,对其运动过程作出以下假设:气体为理想气体; 气缸进排气过程为等熵过程,排气腔直接与大气相 连;取气压缸的摩擦力为定值;忽略由于气体速度引 起的气体惯性力的影响,气体只是以静压力形式作用 于活塞;系统与外界无热量交换。3.1进排气流量方程在气动技术中,经常将气流所通过的各种气动元 件抽象成一个收缩喷嘴或节流小孔来计算,其进排气 流量可用下列公式计算"。:、 晤jum

13、封而PuAef告(等“(等一】,o.528<等< r=?b8,叭pP。“0.528(1 式中:k为气体绝热指数;R为气体常数;T为小孔 上游气体的温度;P。为小孔上游气体的压力;A。为 小孔的有效断面积;P。为小孔下游气体的压力;Q。 为流过小孑L的气体流量。3.2气缸能量方程3.2.1进气腔能量方程根据变质量系统的能量方程可得出气缸进气腔能 量方程¨。7:dpl解tQ。助。dX ,” d一 A.X.X d 、。7 万 方数据66 机床与液压 第38卷式中:Q。.为流入进气腔气体的质量流量;A。为进气 腔活塞的截面积;X为活塞位移;t为气源温度;P, 为进气腔气体压力。3

14、.2.2排进气腔能量方程根据变质量系统的能量方程可得出气缸排气腔能 量方程"“:dp:印2dX妆T2Qm2。 dtLXdt一砑丽 u虹咒=T(P2/p。 (4 式中:Q租为流出排气腔气体的质量流量;A:为排气 腔活塞的截面积;L为活塞的行程;乃为气缸排气腔 的气体温度;P:为排气腔气体压力;P。为气源压力。 3.3换挡执行机构气压缸运动方程当换挡执行机构气压缸水平安装,只受惯性负载 时,根据假设条件(3、(4和牛顿第二定律,气 液缸活塞的运动方程为J:r12M等=A,P,一A护:一FL只 (5 U式中:肘为负载、活塞等的质量;F。.为最大换挡力; E为气缸的摩擦力。4换挡执行机构气压

15、缸的计算分析4.1换挡执行机构气压缸的基本尺寸静态确定 以某9挡载重汽车为例,取气源压力P。=0.6 MPa,换挡行程为13.5mm,换挡力的最大值F。.= 300N。根据公式(5、(6和(7静态确定换挡 执行机构气压缸的基本尺寸,然后根据标准圆整到标 准值:Fl=F2叼 (6 F2=p。Al (7 R=p。(A:一A。 (8 式中:F。为气缸的实际压力;t为气缸的理论压力 (挂挡力;砭为气缸压差作用力(摘挡力;田为气 缸的效率;A.为气缸活塞的截面积;A:为气缸活塞 与衬套的截面积。4.2换挡执行机构气压缸的MATLAB/SIMULINK 仿真模型根据式(1一(5建立的数学模型,以MATLA

16、B/ SIMULINK仿真软件为平台一。,根据上面的计算结果 建立该机构的系统仿真模块图,如图3所示,通过该 仿真模块可以方便的调整气缸的参数,动态显示气缸 压力和位移的变化。4.3换挡执行机构气压缸的动态仿真结果根据公式(6、(7及某9挡载重汽车具体情 况计算出气压缸的基本尺寸,然后根据有关的标准圆 整到标准值。将标准值及该汽车的有关参数输入到系 统仿真模块图(见图3,分别取进入进气腔的气源 压力为0.5MPa,0.6MPa和0.7MPa,仿真得到该 气压缸的行程、排气腔压力和进气压力变化,具体见 图4一。吕潍趟图3换挡执行机构气压缸系统仿真模块图图4换挡行程变化曲线图从图4“的结果可 o以

17、得到,不同进气压力对,仉7气缸行程、排气腔压力和蹇¨5进气腔压力变化影响较蓄o6图5排气腔压力 变化曲线图 万 方数据90 机床与液压 第38卷式中:a=0.20,b=0.042,取田=2.3,则可计算出 y=1.74。按照参数n=0.20,b=0.042,y=1.74,r/= 2.3,样本量/,=5000,产生Beta随机数z;假定轴 的尺寸已经加工,通过样本检验和数据拟合,尺寸分 布规律为7=3.9,卵=3.6,按照参数a=一0.029, b=一0.020,y=3.9,田=3.6,样本量n=5000,产 生贝塔随机数y,孑L尺寸的随机数样本为X=z+l,; 对x进行分布拟合,则孑

18、L尺寸分布规律拟合结果为: 7=2.9,叩=3.5为了增加仿真的精度,按照同样的参数将上述仿 真过程重复20次,每次的仿真结果见表2所示。计 算取平均值即为孔的最优参数。表2孔尺寸分布参数仿真结果次数 y 叩 次数 y 田 l 2.93.5ll 33.4 23.O 3.4123.13.5 33.13.5132.93.4 42.93.4143.13.2 53.13.3152.63.5 63.O 3.5163.13.7 72.83.7173.33.7 82.93.4183.23.6 93.13.7192.73.4 lO 3.23.62033.6 72音。善7。2嘉磊7。=30百2音善田i 2刍圣1

19、7i=35因此,孔的最优参数为:a=0,b=0.013;7= 3.0,r/=3.5。按上述参数控制孔的尺寸分布规律,可获得最佳 的产品使用质量。产品的质量是由产品的设计过程、制造过程和使 用过程3个环节决定的,只有并行地考虑这3个过 程,才能设计、制造出具有最佳质量的产品。通常设计者为了减少同一产品的系列,一般按照 工况的参数范围进行设计,显然这不能保证设计目标 值与用户产品的工况最佳值一致,最优的设计应该是 针对用户的个性化设计,这样才能保证设计目标值与 工况最佳值相等。从制造过程来看,制造者应综合考虑设计目标值 和工况最佳值,在满足产品合格率的前提下,尽量使 制造的产品质量特性值的分布规律

20、满足:对正态分 布,分布中心位于工况最佳值附近;对Beta分布, 分布曲线的最高点位于工况最佳值附近。从产品的全生命周期看,理想的最佳产品质量控 制方案是,使设汁目标值、制造分布中心值和工况最 佳值统一。5结论计算机数据仿真可以模拟真实的制造过程的现场 加工环境,获取无法通过人工手段测量的大量数据和 需要的数据分布规律。因此更易于分析制造过程的制 造规律,节省成本。作者研究的方法可用于非正态分 布情况下的产品质量预测和控制问题,更具有现实意 义和使用价值。参考文献:【l】林志航.产品设计与制造质量工程M.北京:机械工业 出版社,2005.3.【2】派兹德克.六西伽马手册M.孙静,译.北京:清华

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