CN104965961A - 基于板簧柔性变形的变速箱驻车系统仿真实现方法 - Google Patents

Abstract

一种基于板簧柔性变形的变速箱驻车系统仿真实现方法，对驻车系统模型中的板簧用模态中性文件法，当板簧上有作用力时可以得到其柔性变形，通过接触的方式，把板簧的柔性变形和回弹力传递到驻车系统换挡摇臂上；再将各个部件连接起来组成驻车系统动力学模型；最后通过对驻车系统动力学模型施加弹簧载荷及对调整摇臂施加驱动，并通过提取换挡扭矩，验证分析结果以确认测试数据的一致性。本发明能够在产品开发早期对驻车系统动态性能进行模拟，更好的优化产品，而传统方法是通过样件试制后，通过试验结果来调整结构设计，通过动力学仿真可以缩短产品开发周期，节约开发成本。

Description

基于板簧柔性变形的变速箱驻车系统仿真实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种汽车变速器制造领域的技术，具体是一种基于板簧柔性变形的变速箱驻车系统仿真实现方法。

背景技术

现有自动变速箱驻车系统从设计结构上如图1所示，一般可分为三个部分：1、驻车换挡摇臂总成；2、驻车导向滑移装置；3、棘爪棘轮。其中调整摇臂1、板簧2和滚珠3为第一部分，主要影响换挡舒适性；托架板4、导向杆5、回位弹簧(图中未画出，一端连接导向杆，一端连接托架板)、压力滚子6、轧板7和框架8为第二部分，通过回位弹簧的作用控制棘爪与棘轮的啮合；棘爪9、棘轮10为第三部分，实现驻车琐止功能。驻车换挡摇臂总成一端接换挡手柄，另一端接导向杆，在回位弹簧的作用下，带动托架板，托架板带动压力滚子，与压力滚子始终接触的棘爪在扭簧的作用下转动，促使棘爪齿部进入配对的驻车齿轮齿槽内，完成驻车。

自动变速箱驻车系统是关系安全的关键系统，要求其设计简单而可靠，但对其性能要求相当高，对其性能分析主要包括：1、合适的换挡力，2、安全驻车的速度，3、异常驻车，4、琐止功能分析，5、驻车棘爪自动弹出能力分析等等。虽然部分性能分析可以通过相关的公式进行校核，但换挡力、安全的驻车速度不容易用公式校核，以前主要是靠试验验证，在样机生产完成之后进行，若发现问题，需要修改设计，再加工样机，如此反复，带来成本高、开发周期长等缺点；而随着计算机技术的发展，在驻车系统产品开发早期，运用动力学仿真软件Adams对其性能分析是一个行之有效的方法。

驻车系统本身是一个多自由度、非线性的复杂机械系统，通过数学建模实现对其机械部件本身特性(如机械部件自身的阻尼特性、刚度特性，接触部件之间的摩擦损耗特性等)的精确描述是一项极其繁琐复杂的工作，不容易用公式校核。如中国专利文献号CN202274084U公开了一种汽车自动变速器驻车机构，解决了现有汽车自动变速器驻车机构存在容易异常驻车的技术问题。具有能有效的防止异常驻车的特点，该技术主要从结构方面对驻车性能进行优化，在行驶振动过程中，驻车棘爪也不会与驻车棘轮相啮合，能有效的防止发生异常驻车的情况，提高行车的安全性，而是否能够实现其功能也必须样件做出后通过试验来验证。

而现有的工具Adams可以完成驻车系统的仿真模型的搭建，研究结构形状及不同参数对驻车系统的影响，更快捷的研究驻车系统的性能，当然搭建动力学模型对驻车的所有性能都可以考核，只是合适的换挡力和安全驻车的速度性能一般不容易用公式进行校核，在早期设计时主要靠仿真分析方法，但是在现有技术中尚没有出现系统的介绍驻车系统性能的仿真分析方法。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104657528A，公开(公告)日，2015.05.27，公开了一种建立管柱式电动助力转向系统的多体模型的方法，包括如下步骤：根据转向系统的属性为所述转向系统建立一个四自由度的转向系统模型；对所述转向系统模型的各自由度进行参数辨识，获得所述四自由度模型中的各需要进行辨识的参数的值；根据所述已进行参数辨识的转向系统的模型，在Adams/Car中建立对应的转向系统的多体模型，并对所述转向系统进行仿真校核，在仿真校核后，根据整车的设定的转向性能目标，设定所述转向系统的多体模型中的相应参数。实施本发明实施例，可以为转向系统的设计和EPS的标定提供依据，以及为底盘性能的调校提供优化方案。但该技术的缺陷在于：1、建立转向系统的多体模型，需利用台架试验进行参数辨识，并且专利没有说明经过辨识后的参数值是否适用于其他转向系统；2、影响转向系统性能的非参数因素，如几何轮廓等，该技术中并未给出如何仿真校核。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于板簧柔性变形的变速箱驻车系统仿真实现方法，利用实测数据进行了验证，此方法能在其他驻车系统中推广应用，在产品开发早期对驻车动态性能进行模拟，更好的优化产品，而传统方法是通过样件试制后，通过试验结果来调整结构设计，通过动力学仿真可以缩短产品开发周期，节约开发成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括以下步骤：

步骤一，通过CAD软件对驻车系统建模；

所述的建模，具体为：将驻车系统的驻车换挡摇臂总成、驻车导向滑移装置、棘爪棘轮分别独立建模并导出CAD格式的模型；

所述的模型中，驻车换挡摇臂总成、驻车导向滑移装置、棘爪棘轮按装配关系设定位置，建议数模装配成棘轮棘爪驻入的位置，即P挡。

所述的设定位置，具体为：

1.1)调整摇臂的凹槽要与变形后板簧上的滚珠相切；

1.2)压力滚子与轧板相切，同时与棘爪接触区域中的极限位置处相切；

1.3)棘爪和棘轮保证处于啮合位置。

步骤二，把模型导入到Adams软件的View模块中，并对驻车系统的各个部件赋予材料、质量、转动惯量；

步骤三，对驻车系统的板簧用模态中性文件法，当板簧上有作用力时可以得到其柔性变形，通过接触的方式，把板簧的柔性变形和回弹力传递到驻车系统换挡摇臂上，进而影响换挡手感；

对板簧模型处理的模态中性文件法，具体步骤包括：

3.1)在CAD软件中建立准确的未发生变形时的板簧数模，抽取中性面；

3.2)导入到有限元软件中，设置壳单元属性，给出厚度值，建立梁单元模拟板簧销钉，通过模拟施加载荷并获得刚度值反馈后与实测刚度值比较，然后用模态综合法求出中性文件；

3.3)把中性文件导入到Adams/View中，实现板簧柔性化，滚珠与板簧建立旋转副，滚珠与调整摇臂建立接触。

步骤四，根据驻车系统的运动原理，通过Adams软件的固定处理、旋转副处理、接触处理将驻车系统的各个部件连接起来组成驻车系统动力学模型；

所述的接触处理，通过Impact(冲击函数法)计算接触力，通过Coulomb(库仑法)计算摩擦力，对接触中的力的非线性指数、摩擦系数进行设置。

优选地，对模型进行接触参数的调整，根据参数变化评估结果的合理性，其中力的非线性指数取值范围为1.5～2.2，建议取大。

步骤五，对驻车系统动力学模型施加弹簧载荷及对调整摇臂施加驱动；

所述的载荷包括：导向杆与托架板设置弹簧载荷即模拟回位弹簧力，棘爪与大地设置扭簧载荷。

步骤六，通过提取换挡扭矩，验证分析结果以确认测试数据的一致性，具体为：

6.1)利用动力学模型对驻车系统的性能模拟，针对仿真结果，根据整车要求确定换挡力曲线的光顺性，以此对设计中调整摇臂的形状、板簧的刚度等进行设计方案的调整，从而实现换挡性能的优化；

6.2)针对已有样件，根据实测数据对仿真结果校核，具体为：被测变速箱落地放置，通过测试工装固定测试仪，通过调试测试仪模拟驾驶方式操控测试球头循环往复多次，测试换挡力和行程，测试数据被即时处理，输出测试结果；

所述的测试工装一端与变速箱换挡轴相连，另一端安装测试仪的球头。

优选地，在Adams软件中，设置驻车系统的棘轮一定的初速度、阻力矩和转动惯量，并进行驻车系统的驻入速度仿真，即棘轮被棘爪锁住时的转动速度，具体为：当速度太大时要使驻车系统不能被驻住，当被驻住时棘轮速度转化成车轮速度是否小于5km/h，从而考核出驻车系统重要的动态特性，即安全驻车的速度。

优选地，针对驻车换挡力和驻入速度的性能，建立动力学仿真模型是有效的途径，而其他性能如异常驻车、锁止功能、驻车棘爪自动弹出能力的考核虽然可用手算的方法完成，但动力学模型一旦建立，这些性能都可在Adams软件中简单设置后，方便的得出。

所述的异常驻车的仿真，具体是指：当汽车处于非驻车工况下，发生异常情况，如汽车冲击工况产生的振动等，保证驻车棘爪与棘轮不会出现误啮合。验证此功能，动力学模型处于非驻车工况位置，即棘爪脱离棘轮，棘爪转动到极限位置时，在压力滚子上施加一个额外的冲击力，压力滚子与棘爪产生接触力，棘爪在扭簧力和自身重力综合作用下，分析棘爪的受力情况，考核棘爪不会驻入棘轮。

所述的锁止功能的仿真，具体是指：当汽车要求一定的停驻坡度和一定的承重量时，驻车系统要能实现可靠的驻车功能，即棘爪驻入棘轮中，不能弹出。验证此功能，动力学模型不需要改变部件，在驻车工况下，即P挡位置，调整摇臂位置保持不变，只对棘轮施加一定的考核扭矩，计算棘爪是否弹出。

所述的驻车棘爪自动弹出能力的仿真，具体是指：当汽车停驻在坡道上启动，挡位出P挡时，带动导向滑移装置移动，引起棘爪要在扭簧的作用下转动，棘爪齿部需顺利弹出棘轮的齿槽。验证此功能，动力学模型只需要棘轮棘爪，建立扭簧力和棘轮棘爪的接触力，其他部件失效，给棘轮一定的扭矩后，考核棘爪在扭簧力和棘轮对棘爪的作用力和摩擦力作用下，棘爪是否弹出。

技术效果

与现有技术相比，本发明能够在产品开发早期对驻车动态性能进行模拟，更好的优化产品，而传统方法是通过样件试制后，通过试验结果来调整结构设计，通过动力学仿真可以缩短产品开发周期，节约开发成本。

附图说明

图1为一种驻车系统的结构示意图；

图2为驻车系统换挡力仿真数据和实测数据比对；

图3为驻车系统动力学仿真方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图3所示，本实施例包括如下步骤：

步骤一，通过CAD软件，如UG对驻车系统建模，把驻车系统的三大部分按照一定的装配关系建好，导出CAD格式，具体为：将驻车系统的驻车换挡摇臂总成、驻车导向滑移装置、棘爪棘轮分别独立建模并导出CAD格式的模型，其中：驻车换挡摇臂总成、驻车导向滑移装置、棘爪棘轮按照一定的装配关系设定位置，建议数模装配成棘轮棘爪驻入的位置，即P挡，如图1所示。在装配时有几点注意的：1、调整摇臂1的凹槽要与变形后板簧上的滚珠3相切；2、压力滚子6与轧板7相切，同时与棘爪9接触区域中的极限位置处相切；3、棘爪9和棘轮10保证处于啮合位置。

该步骤主要是要确保各部件准确的装配位置，以便避免由于模型问题带来的瞬时冲击力因素。

步骤二，把模型导入到Adams/View中，把各部件赋予材料、质量、转动惯量；

该步骤要赋予部件准确的转动惯量，在动力学分析中影响比较大。

步骤三，利用刚柔耦合方法，对影响换挡舒适性的板簧用模态中性文件法，把中性文件导入到Adams/View，当板簧上有作用力时可以得到其柔性变形，通过接触的方式，把其变形和回弹力传递到驻车系统换挡摇臂上，进而影响换挡手感；

所述的模态中性文件法具体步骤包括：

3.1)在CAD软件中建立准确的未发生变形时的板簧数模，抽取中性面；

3.2)导入到有限元软件，如ANSYS软件中，设置壳单元属性，给出厚度值，建立梁单元模拟板簧销钉，施加垂直向下的集中载荷60N，求出变形值，计算出刚度值，结果为6.2N/mm，供应商用弹簧弹力测量仪实测的数据为5.98N/mm，仿真结果与实测结果接近，说明此板簧建模方法正确，能够应用在驻车系统换挡力仿真上，然后用模态综合法求出中性文件；

3.3)把中性文件导入到Adams/View中，实现板簧柔性化，滚珠与板簧建立旋转副，滚珠与调整摇臂建立接触。

步骤四，根据驻车系统的运动原理，通过固定、旋转副、接触将不同的零部件连接起来组成一个系统；

在Adams/View中，利用“joint”工具命令，设置各零件间的约束副，包括：框架8和ground(大地)设置固定，轧板7和框架8设置固定，轧板7和大地设置固定，调整摇臂1和导向杆5设置旋转副，调整摇臂1与大地设置旋转副，棘爪9与大地设置旋转副，板簧2与框架8设置固定，板簧2与滚珠3设置旋转副；利用"Create a Contact"设置接触，包括：导向杆5和托架板4设置接触，滚珠3与调整摇臂1设置接触，压力滚子6与轧板7设置接触，压力滚子6与托架板4设置接触，压力滚子间设置接触，压力滚子6与棘爪9设置接触，棘爪9与棘轮10设置接触。

定义接触时，通过Impact(冲击函数法)计算接触力，通过Coulomb(库仑法)计算摩擦力，对接触中的参数进行设置，其中力的非线性指数、摩擦系数对结果有很大的影响。

步骤五，施加弹簧载荷及对调整摇臂施加驱动；

所施加的载荷包括：导向杆与托架设置弹簧载荷即模拟回位弹簧力，棘爪与大地设置扭簧载荷，这两个弹簧力的参数比较重要，影响驻车性能。

当需要驻车时，驾驶员操纵换挡手柄带动驻车换挡摇臂运动，通过部件间的传递，使驻车棘爪与驻车齿轮啮合。本发明对调整摇臂与大地设置旋转副，对其施加旋转动力驱动，模拟换挡运动，使用Step函数作为描述驱动在一定的时间内角度的变化，格式为STEP(x,x0,h0,x1,h1)。本发明具体采用STEP(time,0,0,1,37d),仿真在0～1S内，使调整摇臂转动37度。

步骤六，通过提取换挡扭矩，验证分析结果；

针对分析结果，有两种处理方式，一种是根据样件的实测数据与仿真结果比对，通过对接触等相关参数的调整，来验证驻车系统的动力学方法，以便后续对此方法的推广，本发明就是此种方式；另一种是针对仿真结果，根据整车要求对仿真结果进行评估，如评估换挡性能，然后对调整摇臂的形状、板簧的刚度等进行设计方案的更改，从而实现对驻车性能的优化，这也是本发明推广驻车系统动力学方法的最终目的。

如图2所示为仿真数据和实测数据，图中实测数据是多次结果的平均曲线，从图中可看出仿真数据的走势和换挡力大小与实测数据差别不大。

步骤七，给棘轮一定的初速度、阻力矩和转动惯量来研究驻入速度。

本步骤主要是研究棘轮被棘爪锁住时的转动速度，速度太大不能被驻住，及被驻住时棘轮速度转化成车轮速度是否小于5km/h，从而考核出驻车系统比较重要的动态特性，即安全驻车的速度。

步骤八，针对驻车的其他性能，如异常驻车、琐止功能分析、驻车棘爪自动弹出能力分析等，都可以通过此动力学模型得到验证，针对不同的性能，只需要截取部分模型，通过分析力的平衡关系对其性能进行评估。

Claims (9)

1.一种基于板簧柔性变形的变速箱驻车系统仿真实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，通过CAD软件对驻车系统建模；

步骤二，把模型导入到Adams软件的View模块中，并对驻车系统的各个部件赋予材料、质量、转动惯量；

步骤三，对驻车系统的板簧用模态中性文件法，当板簧上有作用力时可得到其柔性变形，通过接触的方式，把板簧的柔性变形和回弹力传递到驻车系统换挡摇臂上，进而影响换挡手感；

步骤四，根据驻车系统的运动原理，通过Adams软件的固定处理、旋转副处理、接触处理将驻车系统的各个部件连接起来组成驻车系统动力学模型；

步骤五，对步骤四中得到的驻车系统动力学模型施加弹簧载荷及对调整摇臂施加驱动；

步骤六，通过提取换挡扭矩，验证分析结果以确认测试数据的一致性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤一中所述的建模，具体为：将驻车系统的驻车换挡摇臂总成、驻车导向滑移装置、棘爪棘轮分别独立建模并导出CAD格式的模型，其中：驻车换挡摇臂总成、驻车导向滑移装置、棘爪棘轮按装配关系设定位置，建议数模装配成棘轮棘爪驻入的位置，即P挡。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的设定位置，具体为：

1.1)调整摇臂的凹槽要与变形后板簧上的滚珠相切；

1.2)压力滚子与轧板相切，同时与棘爪接触区域中的极限位置处相切；

1.3)棘爪和棘轮保证处于啮合位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤三中所述的模态中性文件法，具体步骤包括：

3.1)在CAD软件中建立准确的未发生变形时的板簧数模，抽取中性面；

3.2)导入到有限元软件中，设置壳单元属性，给出厚度值，建立梁单元模拟板簧销钉，通过模拟施加载荷并获得刚度值反馈后与实测刚度值比较，然后用模态综合法求出中性文件；

3.3)把中性文件导入到Adams/View中，实现板簧柔性化，滚珠与板簧建立旋转副，滚珠与调整摇臂建立接触。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤四中所述的接触处理，通过冲击函数法计算接触力，通过库仑法计算摩擦力，对接触中的力的非线性指数、摩擦系数进行设置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的力的非线性指数为1.5～2.2。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤六具体包括以下步骤：

6.1)利用动力学模型对驻车系统的性能模拟，针对仿真结果，根据整车要求确定换挡力曲线的光顺性，以此对设计中调整摇臂的形状、板簧的刚度进行设计方案的调整，从而实现换挡性能的优化；

6.2)针对已有样件，根据实测数据对仿真结果校核，具体为：被测变速箱落地放置，通过测试工装固定测试仪，通过调试测试仪模拟驾驶方式操控测试球头循环往复多次，测试换档力和行程，测试数据被即时处理，输出测试结果。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤六完成后，在Adams软件中，设置驻车系统的棘轮一定的初速度、阻力矩和转动惯量，并进行驻车系统的驻入速度仿真，即棘轮被棘爪锁住时的转动速度。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征是，采用所述的驻车系统动力学模型进一步进行异常驻车、琐止功能分析、驻车棘爪自动弹出能力的仿真，其中：

所述的异常驻车的仿真，具体是指：动力学模型处于非驻车工况位置，即棘爪脱离棘轮，棘爪转动到极限位置时，在压力滚子上施加一个额外的冲击力，压力滚子与棘爪产生接触力，棘爪在扭簧力和自身重力综合作用下，分析棘爪的受力情况，考核棘爪不会驻入棘轮；

所述的锁止功能的仿真，具体是指：动力学模型不需要改变部件，在驻车工况下，即P挡位置，调整摇臂位置保持不变，只对棘轮施加一定的考核扭矩，计算棘爪是否弹出；

所述的驻车棘爪自动弹出能力的仿真，具体是指：动力学模型只需要棘轮棘爪，建立扭簧力和棘轮棘爪的接触力，其他部件失效，给棘轮一定的扭矩后，考核棘爪在扭簧力和棘轮对棘爪的作用力和摩擦力作用下，棘爪是否弹出。