基于AMESim的机械式自动变速箱换档执行机构液压系统建模与仿真.pdf

设 汁刮究 A u T 。 Ⅵ 。 Ⅲ皇 c H N 。 L 。 。 Y 0 1 午 第 1 期 设计研究 基于 A ME Sim 机构 的机械式 自动变速箱换档执行 液压 系统建模与仿真 张宁，郭朋彦，张瑞珠 ，石学坤，朱崇敬，马付屹 华北水利水电大学 机械学院，河南 郑卅 4 5 0 0 4 5 摘 要 在机械式自动变速箱的设计中， 换档执行机构 的设计是重点和难点之一，其性能的好坏， 将直接影响整车 的平顺性、舒适性和安全性。本文以某 5 档手动变速箱为基础，根据换档执行机 构的设计要求，开发设计了一款电控液压式换档执行机构。并以执行机构的实际设计参数作为仿 真参数， 在 A ME S im 中建立了执行机构 的液压系统模型， 并对其进行模拟仿真分析。 仿真结果表 明所建立的模型符合实际情况，验证了模型的正确性，为机械式自动变速箱换档执行机构液压系 统的设计研究提供了参考。 关键词变速箱 ；液压换档执行机构；A ME S im； 液压系统 中图分类号 U 4 6 3 2 1 2 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 3 1 2 0 1 0 4 M o d e li n g a n d S i mu l a t i o n o f t h e Hy d r a u l i c S h i f t Ac t ua t o r o f Au t o ma t i c M e c ha n i c a l Tr a n s m i s s i o n Ba s e d o n AM ES i m Z h a n gN1 n g G u oP e ll g y a 1％Z h a n gR u i z h l h S h i X u e lo a n , Z h uC h o n g ii n g ManⅣ1 C o M e g e o f Me c h a n i c a l E n g in e e ri n g ，N o r ihC h in a U N v e r s i ty o f Wa t e r R e s o ] u -c e s a n d E l e c tli c P o we r , H e ll a n Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5 A b s t r a c t I n t h e d e s i g n o f Au t o ma t i cM e c h a n i c a l T r a ns m i s s i o n ， the s h i ft a c t u a t o r d e s i g n h a s b e e n o n e o fthe i mp o r t a n t a n d d i ffi c u l t ， a n di t s p e r f o r ma n c e d ir e c t l ya ffe c t s the r i d e p e r f o r m a nc e 、 c o mf o r t a n d s a f e t y ． Ba s e d o n a fi v e - s p e e dma n u a l t r a n s u fi s s i o n ， a h y d r a u l i c s h i ft a c t u a t o r wa s d e s i g n e di nt h i s p a p e r T h e s i mu l a t i o nmo d e l p ar a m e t e r s a r e s e t b yt h e a c t u a l p a r a me t e r s i n t h i s p a p e r wh i c hi s s u i n gA M ES i m mo d e l t o s i m u l a t e the p h y s i c a l s t i l l c t u r e o f h y t k a u l i c s y s t e m T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e th atth e e s t a b l i s h e dmo d e l s a r ei n a c c o r d wi t hthe a c t u a l c o nd i t i o n T h u s i t p r o v i d e d a m e t h o d f o r the r e s e a r c h of th e h y d r a u l i c s h i ft a c t u a t o r of a u t o m a t i c me c h a n i c a l t r a n s u fis s i o n Ke y wo r d s T r a n s mi s s i o n ； Hy d r a u l i c s h i ft a c t u a t o r ； AM ES i n l ； Hy d r a u l i c s s t e I n CL C No U4 6 3 2 1 2 Dc C u n l e n t Co d e A A r ti c l e I D 1 6 7 1 7 9 8 8 『 2 0 1 3 1 2 0 1 0 4 福丽 l 主 引言 苎 之 向 兰 兰 翌 堡 _I 。 电 控 机 械 式 自 动 变 速 箱 是 在 原 有 手 动 变 速 箱 机 基 金 项 目 河南省教育厅 科学 技术研究重 点项 目 1 3 A 4 6 0 一 一 。 一 6 9 3 ，河南省科技攻关项 目 1 1 2 1 0 2 2 1 0 1 0 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1 2期 张宁 等基于 A ME S i m的机械式自动变速箱换档执行机构液压系统建模与仿真 2 械传动机构基本不变的基础上，通过应用 电工电子 技术、液压技术和现代控制控制理论，以微处理器 为核心，通过加装控制系统，取代原来由驾驶员人 工完成的离台器分离、摘档、选档 、挂新档和离台 器结合操作，最终实现换档过程的自动化_l 。在电 控机械式 自动变速箱的设计开发中，换档执行机构 的设计一直是重点和难点之一 J ，其性能直接影响 着电控机械式自动变速箱的整体性能。本文对机械 式 自动变速箱换档执行机构进行设计，并在仿真软 件 A M E S i m中建立执行机构 的液压系统模型， 对其进 行仿真分析， 从仿真结果验证执行机构正确性和相 关参数的变化规律， 为以后机械式 自动变速箱执行 机构的设计和研究提供相应的参考和借鉴。 1 、执行机 构系统 构成 1 1执行机构的设计 机械式 自 动变速箱换档执行机构按结构形式可 分为 以下两种 J 一种是正交式执行机构 ，此类机 构选换档液压缸在空间位置相互正交，通过机械机 构相互连接， 有时也称为 x Y 换档执行机构；另一 种是平行式执行机构，此种执行机构，每根拨叉轴 分别 由一个液压缸来进行控制 J 。基于本文所研究 的 5个前进档和一个倒档变速箱结构而言，采用正 交式执行机构比平行式可节省两个 电磁阀和一个液 压缸，并且具有结构相对简单、质量轻、紧凑、便 于控制等优点，所以本文采用正交式执行机构。 1 选档液压 由 缸2 选档拨块 3选换档拨杆 4 选档轴 5 换档 液压 由 缸6 换档轴7 换档导 目 块 图 1 换档执行机构模型图 根据要求，本文设计出了满足要求的机械式 自 动变速箱液压换档执行机构， S o l i d S d g e 中建立的三 维模型如图 1 所示。 1 2执行机构的液压系统 本文设计的机械式 自 动变速箱换档执行机构液 压系统主要包括以下三部分 驱动单元 驱动单元包括驱动电机、液压油泵 、 液压油箱和溢流阀。 稳压单元稳压单元包括蓄能器、电磁阀、压 力传感器。 执行单元执行单元包括选、换档液压油缸和 离台器分离液压油缸 。其中选、换档液压缸由两个 两位三通电磁阀控制；离台器分离液压缸 由三个电 磁阀共同控制，电磁 阀之间开关的相互组合，可以 方便的实现离台器的分离和“ 快慢快 ”结合。 2 、机械式 自动变速箱执行机构液压系统建模 21仿真的 目的和意义 随着人们对车辆性能要求的不断提高，为了保 证变速箱能顺利、精确的换档，执行机构应该具有 良好的系统响应。通过建立液压系统模型，可以对 执行机构的性能进行探讨研究，验证本身的设计和 参数是否合理， 以便寻找更好的设计参数进行调整， 为今后的改进提供相应的理论依据 J 。通过对执行 机构的液压系统进行仿真分析，在节约资金、降低 成本的同时也可 以 缩短设计周期，并且能够提供可 靠的液压系统 。 2 2仿真软件介绍 A M E Si m是 由法 国 I ma gI n e 公司 1 99 5年推 出的集机械、热分析 、流体 、电磁 以及控制等领域 等仿真分析于一体的软件 J 。A M E S i m能使用户 从复杂繁琐的数学建模中解放出来 ，从而把大部分 时间投放于物理系统本身的设计，其本身不仅具有 丰富的应用库，而且还具有与其他软件包相关的接 口，如 S h n n l h tk ，A d a ms 等，A ME S im 已经成为航 空航天、车辆、船舶 、工程机械等多学科领域不可 或缺的仿真分析软件 。 2 3液压系统模型建立 液压系统是机械式 自 动变速箱换档执行机构的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 汽车实用技术 2 0 1 3 年第 1 2期 重要组成部分，可以称为执行机构的 “ 血液” [ ] 。 执行机构的摘档、选档、挂档、离台器分离和结合 都需要借助液压系统 的供给和控制才能顺利实现各 个动作 。基于以上的分析和设计，在A ME S I m 中 建立的执行机构液压整体模型如图 2 所示。 岳 吐 1 电机2 液压油泵 3 压 传嬉器 4蓄能器 5 开 电 磁阀 6离台器开 阀7 离台器控制液压 由 缸 8 等效质量块 9 等 效弹 簧 1 0 等效 尼 1 1 离台器控制 阀1 2离台器控制阀1 3 节 流 孔 1 4 、1 5 选档电磁阀 1 6 、． 7 换档电磁阀 侣 选档液压 由 缸 1 9等效质量块2 0 换档液压 由 缸 等效质量块 2 2 溢流阀2 3 液压 由 箱 图 2执行机构液压模型 2 4换档过程分析 下面结合下图 3的变速箱档位示意图、图 l 的 换档执行机构模型图和 图 2的执行机构液压模型 图，具体分析下换档过程执行机构 的工作原理。 J R 选档 图 3档位示意图 以2档换 3档为例①利用 图2执行机构液压 模型图中离台器开关阀 6 ，使离台器快速的分离， 同时发送信号，减小油门的开度；②T C U控制图 2 执行机构液压模型换档电磁阀 l 6 、1 7 ，使得换档液 压缸推动图 l换档执行机构模型图中的选换档拨杆 脱离 2 档进入空档 N 1 2 ；⑨然后控制图 2 执行机构 液压模型选档电磁 阀l 4 、l 5 ，使得换档拨杆在从空 档 N 1 2选到空档 N 3 4 ；④T C U控制图 2 执行机构液 压模型换档电磁阀 l 6 、 l 7 ， 使得换档拨杆挂入 3 档； ⑤最后通过控制图2执行机构液压模型中的电磁阀 6 、1 1 、1 2来实现离台器的 “ 快慢快”结合， 同时控制油门开度。 2 5参数设置 在仿真软件A M E S f m中建立完草图后 ， 仿真的关 键就在于元件模 型的选择和相关参数的设置。在 A M E S i m中进行液压系统仿真时， 不但整体结构的数 学模型起着很重要的作用，模型中的结构参数设置 和相应的通过做实验得来的数据也是相当的重要， 准确的设置这些模型中的参数，一般情况下要比确 定数学模型困难的多⋯；在机械式自动变速箱执行 机构液压系统的仿真中，有很大一部分时间都用在 了参数的设置、调试、和分析结果上，本系统仿真 需要特别关注液压油泵、蓄能器、电磁阀和选、换 档液压油缸的相关参数的设置。 根据系统设计要求， 模型的主要设置参数如下 电机 转速 为2 8 0 0 r ／i lli I l ， 液压 油泵 额定 压力 为 l O Mp a ，排量为 1 0 m L ／ r ，溢流阀设定压力 5 5 Mp a ， 换档液压缸活塞直径为 2 0 ra m，选档行程一 1 0 n u 1 r i 0 II m t ， 挂档行程一 6 I I1／ I 1 6 Ii m 1 ，根据换档力的要求和 换档 时间要求设置负载力和各个电磁阀的信号输 入 ，仿真时间设置为 1 4 s ，完成 2档到 3档的整个 换档过程的离台器分离、摘档、选档、挂档和离台 器 结 合 。 3、仿真与 分析 由于换档执行机构性能的优劣在很多程度上时 有换档液压和选档液压缸所决定的，所以本文主要 对选档液压缸和换档液压缸的仿真结果进行分析。 下 图4 和图 5 两个仿真曲线， 是采用 A M E S i m 软件对 搀档 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1 2期 张宁 等基于 A ME S i m的机械式自动变速箱换档执行机构液压系统建模与仿真4 机械式变速箱执行机构的液压系统进行仿真的结 果。 二 竺 竺 0 0 0 2 o 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 X T i me【 s 】 图4换档液压油缸输出位移 曲线图 T m 图5选档液压油缸输出位移 曲线图 从仿真曲线图 4换档液压油缸输出位移 曲线图 和图 5 选档液压油缸输出位移曲线图，可以看出仿 真的各项指标都在在允许范围内，表明所设计的执 行机构模型正确性和执行机构液压系统是安全可靠 的，能够满足选档行程和换档行程的要求。 4、结束语 本文以某 5档手动变速箱为基础，根据换档执 行机构的设计要求，设计出了一款液压选换档执行 机构，在此基础上，以2 档到 3 档为例，对液压选 换档执行机构的选换档过程进行了详细的分析。并 在仿真软件A ME S il n 中建立了执行机构整个液压系 统的仿真模型， 对液压元件的相关参数进行了设置， 通过本文的仿真分析， 验证了模型和参数的正确性， 这对以后机械式 自 动变速箱执行机构的设计具有指 导 l } 牛。 参考文献 [ 1 ]何忠波，白鸿柏 A MT技术的发展现状与展望[ 农业机 械学报， 2 0 0 7 , 3 0 5 1 8 1 - 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