气压驱动式自动换挡执行机构优化设计

２０１０年１月农业机械学报第４１卷第１期ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１０．０１．００５气压驱动式自动换挡执行机构优化设计王　阳　席军强　赵熙俊　陈慧岩（北京理工大学机械与车辆学院，北京１０００８１）　　【摘要】　提出了一种纯气动ＡＭＴ自动换挡系统设计方案，并运用气体热力学和动力学相关理论建立换挡气缸热力学模型。依据整车换挡指标的变化特点，设计Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下的仿真试验，检测了不同换挡气缸设计尺寸对腔室压力变化率和腔室建压时间的影响，确定了换挡气缸优化设计目标和影响参数指标。最后，通过正交平衡优化试验方法，实现气动ＡＭＴ换挡系统执行气缸的优化设计。关键词：重型商用车辆　气动仿真　优化设计　自动机械变速器中图分类号：Ｕ４６３２１２文献标识码：Ａ文章编号：１０００１２９８（２０１０）０１００２３０６ＯｐｔｉｍａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＰｎｅｕｍａｔｉｃＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＡｃｔｕａｔｏｒＷａｎｇＹａｎｇ　ＸｉＪｕｎｑｉａｎｇ　ＺｈａｏＸｉｊｕｎ　ＣｈｅｎＨｕｉｙａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｐｕｒｅＡＭＴｐｎｅｕｍａｔｉｃａｕｔｏｍａｔｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｃｔｕａｔｏｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｈｉｆｔｉｎｇｃｙｌｉｎｄｅｒｉｓｓｅｔｕｐｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｇａｓｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｋｉｎｅｔｉｃｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｃｈａｎｇｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｈｉｆｔｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｉｎｖｅｈｉｃｌｅ，ｔｈｅＳｉｍｕｌｉｎｋｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｅｓｔｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｈｉｆｔｃｙｌｉｎｄｅｒｓｉｚｅｉｍｐａｃｔｉｎｇｏｎｔｈｅｒａｔｅｏｆｃｈａｎｇｅｏｆｃｈａｍｂｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｓｅｔｕｐｔｉｍｅｏｆｃｈａｍｂｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｃｌｅａｒｓｈｉｆｔｃｙｌｉｎｄｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｒｏｕｇｈａｂａｌａｎｃｅｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄ，ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆＡＭＴｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｐｎｅｕｍａｔｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｈｅａｖｙｄｕｔｙｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ，Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ，Ａｕｔｏｍａｔｅｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ收稿日期：２００９０２２６　修回日期：２００９０４１６国家“８６３”高技术研究发展计划资助项目（２００６ＡＡ１１０１１５）作者简介：王阳，博士生，主要从事车辆传动及其控制技术研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]通讯作者：席军强，副教授，主要从事车辆传动及其控制技术研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　引言重型商用车辆装用多挡变速器，可以充分发挥发动机的动力特性和经济特性，改善整车的燃油经济性。但同时带来了操纵繁琐，易造成驾驶员误操作等问题［１］。自动机械变速器（ＡＭＴ），只须在原固定轴式机械变速器的基础上加装自动变速操纵系统（ＡＳＣＳ）就可实现，这既保留了传统机械变速器传动效率高、工作可靠、结构简单的优点，又降低了驾驶员的劳动强度［２～３］。气压传动具有结构紧凑、多阀组合与机械电子高度结合的特点［４～５］。同时在重型商用车辆上因刹车等系统的需要均装有充足的气源。因此以压缩空气作为驱动力的自动变速器具有无需增加动力源、减轻驾驶员劳动强度、提高整车燃油经济性的优点。本文在介绍某重型商用车辆多挡变速器结构特点的基础上，设计集选位、换挡功能于一体的纯气动换挡执行机构。通过建立换挡气缸的热力学模型，并运用仿真技术对该执行机构的优化设计原理、关键尺寸的设计目标进行详细的论述。最终通过实车试验对所设计的气动换挡系统进行功能性测试。１　气动ＡＭＴ换挡执行机构设计方案某重型１２挡牵引车辆的整车动力传动系统如图１所示。发动机输出动力经离合器、１２挡变速器、车后桥差速器传递至车轮。其中１２挡变速器由３部分组成：主箱、高低挡切换副箱（Ｒ箱）、插入式副箱（Ｓ箱）。主箱有４个挡位，高低挡切换副箱和插入式副箱各有２个挡位：Ｈ挡和Ｌ挡。通过主箱和插入式副箱的组合可实现６个挡位，再配合高低挡切换副箱的Ｈ挡和Ｌ挡，可实现１２个挡位的换挡［６］。图１　重型牵引车辆动力传动系统结构原理图Ｆｉｇ．１　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｔｒａｉｎａｂｏｕｔｈｅａｖｙｔｒｕｃｋ　依据该变速器的结构特点，所设计的整套气动选换挡机构如图２所示。在该气自动选换挡控制系　　统中共有１１个电磁阀，其中Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３为主箱换挡电磁阀，Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６为主箱选挡电磁阀，Ｓ７、Ｓ８为Ｓ箱换挡电磁阀，Ｓ９、Ｓ１０为Ｒ箱换挡电磁阀。图２　１２挡变速器气动换挡执行机构工作原理图Ｆｉｇ．２　Ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｇｅａｒｓｈｉｆｔｉｎｇａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｎｇａｂｏｕｔｐｎｅｕｍａｔｉｃｅｘｅｃｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ１．限压阀　２．气源　３．Ｒ箱换挡缸　４．Ｒ箱Ｈ挡开关　５．Ｒ箱Ｌ挡开关　６．主箱选挡位移传感器　７．主箱换挡位移传感器　８．Ｓ箱Ｈ挡开关　９．Ｓ箱　１０．Ｓ箱Ｌ挡开关　１１．Ｓ箱换挡缸　１２．主箱选位缸　１３．主箱　１４．主箱换挡缸　１５．Ｒ箱　１６．主气源气路　同时，在整个气动系统的主气路中，加入了高速响应开关阀Ｓ１１。在换挡过程的不同阶段，通过改变高速响应开关阀Ｓ１１的ＰＷＭ脉宽，调整各换挡腔的供气流量，以满足换挡过程控制的需要。换挡过程中，各变速箱换挡电磁阀的逻辑关系如表１所示。表１　ＭＰＴ２１Ｂ变速器各挡位变速箱换挡电磁逻辑关系Ｔａｂ．１　ＣｈａｒｔｏｎｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｈｉｆｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｌｏｇｉｃｏｆＭＰＴ２１Ｂｇｅａｒｂｏｘ主箱换挡逻辑主箱选挡逻辑Ｓ、Ｒ箱换挡逻辑换挡位Ｓ１Ｓ２Ｓ３选挡位Ｓ４Ｓ５Ｓ６换挡位Ｓ７Ｓ８Ｓ９Ｓ１０２／４挡●１／２挡●●１／３挡●３／４挡●Ｈ挡●●Ｎ挡●●Ｒ挡●Ｌ挡●●　　注：●表示电磁阀处于打开状态。图３　集成选换挡执行机构外观图Ｆｉｇ．３　Ｓｈｏｗｏｆｔｈｅｐｎｅｕｍａｔｉｃｅｘｅｃｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ１．连接箱体　２．换挡气缸　３．选挡气缸　　图３为主箱气自动集成选换挡执行机构外观图。连接箱体固定换挡气缸和选挡气缸，保护换挡指免受外界干扰。打开连接箱体顶盖，可以监测换挡指运动情况，及时排查换挡异常，运动干涉等问题。图４　集成选换挡执行机构内部运动原理图Ｆｉｇ．４　Ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｐｎｅｕｍａｔｉｃｅｘｅｃｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ１．换挡位置传感器拨叉　２．换挡框　３．换挡气缸活塞　４．换挡指　５．选挡气缸活塞　６．选挡位置传感器拨叉　７．选挡框图４为选换挡执行机构内部运动原理图。换挡４２农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　２０１０年时，换挡气缸活塞杆带动换挡框、换挡指横向运动，同时换挡指在纵轴方向没有束缚；选挡时，选挡活塞带动选挡框、换挡指纵向运动，横向没有束缚。换挡缸和选挡缸均为３位气缸，两者的协调配合，使换挡指实现“王”字型运动。同时，选挡拨叉和换挡拨叉，将换挡指的直线平动转换为定轴转动，通过角位移传感器将换挡指的选换挡行程值反馈给电控单位，以监测选换挡动作的进行情况。２　热力学建模分析换挡过程的不同时刻，换挡气缸总有一个腔室接通气源，另一个腔室与大气相通。气体流进或流出将导致腔室容积、腔内气体质量的变化。因此，换挡过程的热力学分析可以归结为对变容积、变质量系统的充放气过程的研究［７～８］。图５为换挡气缸在换挡过程中，工作腔、排气腔的热力学特征说明图。其中：Ⅰ腔为驱动腔，推动活塞向目标挡位运动；Ⅱ腔为排气腔，随着活塞杆的运动腔室容积变小并排气。图５　换挡工作气缸热力学示意图Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｈｉｆｔｃｙｌｉｎｄｅｒ　各腔室压力、腔室温度、腔室活塞有效横截面积，分别用ｐ１、Ｔ１、Ａ１；ｐ２、Ｔ２、Ａ２表示。气源压力为ｐｉ，大气压力为ｐ０。换挡过程中，Ⅰ腔可以认为是一个绝热充气过程的驱动腔，Ⅱ腔为一个有限容积气容绝热放气过程的排气腔。根据变质量系统的热力学方程式，它们的能量方程式为ｋＲＴ１ｄＭ１＝Ａ１ｘｄｐ１＋ｋｐ１Ａ１ｄｘ（１）－ｋＲＴ２ｄＭ２＝ｋｐ２Ａ２ｄ（Ｌ－ｘ）＋Ａ２（Ｌ－ｘ）ｄｐ２（２）驱动腔的进气质量流量为Ｑｍ１＝ｄＭ１／ｄｔ（３）排气腔室的质量流量为Ｑｍ２＝－ｄＭ２／ｄｔ（４）根据牛顿第二定律换挡气缸活塞的运动学方程可表示为Ｍｗｄ２ｘｄｔ２＝ｐ１Ａ１－ｐ２Ａ２－Ｆ－Ｆｆ（５）由式（１）～（５）可以得到换挡气缸的数学模型，该模型可以反应出在换挡过程中各腔室的气压变化，换挡活塞的运动速度变化情况。ｄｐ１ｄｔ＝ｋＲＴｓＱｍ１Ｖ１－ｋｐ１Ｖ１ｄＶ１ｄｔｄｐ２ｄｔ＝－ｋＲＴｓＱｍ２Ｖ２－ｋｐ２Ｖ２ｄＶ２ｄｔｄｕｄｔ＝（ｐ１Ａ１－ｐ２Ａ２－Ｆ－Ｆｆ）１Ｍｗｄｘｄｔ＝ｕ（６）其中Ｖ１＝Ａ１ｘ　　Ｖ２＝Ａ２（ｌ－ｘ）Ａ１＝πＤ２／４　　Ａ２＝π（Ｄ２－ｄ２）／４式中　ｔ———时间变量　　Ｔｓ———气源温度ｋ———比热比，大气的比热比为１４Ｒ———气体常数，大气的Ｒ值为２８７Ｖ１———驱动腔容积　　Ｖ２———排气腔容积ｐ１———驱动腔绝对空气压力ｐ２———排气腔绝对空气压力Ａ１———驱动腔有效截面积Ａ２———排气腔有效截面积Ｆｆ———活塞环与气缸壁间的摩擦力ｕ———活塞杆运动速度Ｍｗ———活塞杆与换挡指的总质量３　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下热力学仿真依据第２节所建立的换挡气缸热力学模型，运用Ｍａｔｌａｂ软件中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ相关模块，可以得到驱动腔压力ｐ１，排气腔压力ｐ２，活塞杆运动速度ｕ对应时间ｔ的关系曲线。依此得出换挡气缸进排气口有效面积、腔室圆周直径、活塞与气缸壁间摩擦力对换挡过程驱动腔建压时间、驱动腔压力波动情况的影响，换挡气缸热力学模块的框图如图６所示。图６　换挡气缸热力学仿真模块总框图Ｆｉｇ．６　Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｈｉｆｔｃｙｌｉｎｄｅｒ　基于该仿真模型，分别进行了两组换挡气缸结构参数的仿真工作：①换挡气缸缸径７０ｍｍ，活塞杆直径２２ｍｍ，有效截流面积５ｍｍ２。②换挡气缸缸径６０ｍｍ，活塞杆直径３０ｍｍ，有效截流面积８ｍｍ２。仿真中所用到的符号及其含义如表２所示。两５２第１期　　　　　　　　　　　　王阳等：气压驱动式自动换挡执行机构优化设计组不同换挡缸设计尺寸的仿真曲线如图７所示。表２　仿真模型所用参数说明Ｔａｂ．２　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ　　　参数数值比热比ｋ１４气体常数Ｒ２８７环境温度Ｔｘ／Ｋ２９３驱动腔间隙位移ｘ０／ｍｍ５换挡气缸缸径Ｄ／ｍｍ７０，６０活塞杆直径ｄ／ｍｍ２２，３０活塞的行程Ｌ／ｍｍ５０换挡机构总质量Ｍｗ／ｋｇ１６摩擦阻力Ｆｆ／Ｎ２５９临界压力比ｂ０２有效截流面积Ａｅ／ｍｍ２５，８　　从图７可以看出：①当换挡缸径设计尺寸Ｄ／ｄ较大，腔室有效截流面积Ａｅ较小时，气缸建压时间０１２ｓ，驱动腔压力增加平缓，气缸活塞运动平稳，运动速度峰值为１８ｍ／ｓ，如图７ａ所示。②当换挡缸径设计尺寸Ｄ／ｄ较小，腔室有效截流面积Ａｅ较大时，驱动腔建压时间短为００７ｓ，驱动腔压力增压速度快，换挡执行机构的运动速度峰值达到了２８ｍ／ｓ，如图７ｂ所示。综上分析，对于换挡过程控制提出的换挡力变化平稳性、换挡活塞运动速度变化快速性等要求，可以通过选择不