一種變速箱仿真裝置的研究與設(shè)計(jì)

， ，

(1.安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院，安徽 六安 237011；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009；3.安徽星瑞齒輪傳動(dòng)有限公司，安徽 六安 237011)

0 引 言

自動(dòng)變速箱涉及機(jī)械、液壓、電子和控制等多學(xué)科領(lǐng)域，其工作工況非常復(fù)雜，且對(duì)安全性要求極高，由此帶來(lái)了變速箱設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，對(duì)于比較復(fù)雜的多檔位、多邏輯的自動(dòng)變速箱，由于很難在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行仿真，概念設(shè)計(jì)和建模中的缺陷無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，出于對(duì)安全的考慮，又不能在使用中逐步改進(jìn)，只能靠道路試驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，加大了開(kāi)發(fā)成本，加長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)周期，自動(dòng)變速箱仿真的出現(xiàn)則能解決這個(gè)問(wèn)題，降低成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

文中研究設(shè)計(jì)了一種用于交通工具的變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真的裝置。由于采用自動(dòng)變速箱的汽車能夠根據(jù)駕駛者對(duì)油門的控制自動(dòng)變速變矩，行駛平穩(wěn)且操作簡(jiǎn)便，既給開(kāi)車人帶來(lái)方便，又給坐車人帶來(lái)舒適，在民用車輛上已經(jīng)普及。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)變速箱的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多[1]。

1 變速箱仿真裝置整體結(jié)構(gòu)

變速箱仿真裝置整體結(jié)構(gòu)部件主要包括工作臺(tái)、主機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱、變速箱控制器、連接機(jī)構(gòu)、支座和測(cè)量部件等，如圖1所示。其中，1、工作臺(tái)，2、主機(jī)，21、顯示設(shè)備，3、驅(qū)動(dòng)電機(jī)，4、變速箱，41、變速箱控制器，42、變速箱輸入軸，43、變速箱輸出軸，5、連接機(jī)構(gòu)，6、支座，61、滑輪，8、鎖定裝置，9、滑軌，10、磁力線發(fā)生裝置，11、轉(zhuǎn)軸,12、減速電機(jī)，13、離合裝置。

圖1 變速箱仿真裝置整體結(jié)構(gòu)圖

2 主要部件的設(shè)計(jì)

2.1 主 機(jī)

主機(jī)內(nèi)置ADAMS軟件，能夠?qū)Ψ抡鏃l件進(jìn)行匹配處理，使得主機(jī)發(fā)出的仿真條件能夠?qū)︱?qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱控制器分別控制。主機(jī)上還設(shè)置輸入接口，所述輸入接口接受外部仿真條件的輸入，使用者能夠根據(jù)需求輸入其他仿真條件和臨時(shí)更改仿真條件[2]。

2.2 工作臺(tái)

工作臺(tái)上設(shè)置磁力線發(fā)生裝置，磁力線發(fā)生裝置為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，被轉(zhuǎn)軸穿過(guò)，轉(zhuǎn)軸與變速箱輸出軸連接，轉(zhuǎn)軸上設(shè)置速度傳感器，磁線發(fā)生裝置上設(shè)置扭矩傳感器，轉(zhuǎn)軸上設(shè)置的速度傳感器和磁力線發(fā)生裝置上設(shè)置的扭矩傳感器所檢測(cè)到的信息均發(fā)送至主機(jī)上。使得變速箱的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩能夠?qū)崟r(shí)地發(fā)送至主機(jī)，主機(jī)將仿真條件中的變速箱理想轉(zhuǎn)速和扭矩與實(shí)施得到的變速箱輸出轉(zhuǎn)速和扭矩做計(jì)算，從而得出變速箱的轉(zhuǎn)速比和扭矩輸入/輸出比。

2.3 減速電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)

減速電機(jī)與主機(jī)連接，與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，減速電機(jī)上設(shè)置轉(zhuǎn)速編譯器和轉(zhuǎn)速控制器，轉(zhuǎn)速編譯器接收測(cè)量部件獲取的變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速編譯器根據(jù)變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速和減速電機(jī)的功率計(jì)算減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速編譯器的計(jì)算結(jié)果控制減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在減速電機(jī)開(kāi)始工作后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作。減速電機(jī)與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，使得變速箱能夠在減速電機(jī)的控制下逐漸減緩轉(zhuǎn)速，并且能夠使得變速箱輸出軸達(dá)到需要測(cè)試的轉(zhuǎn)速范圍。

3 變速箱仿真裝置工作原理

主機(jī)設(shè)置在工作臺(tái)的非動(dòng)作區(qū)域(動(dòng)作區(qū)域是受驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱工作影響的區(qū)域)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)連接機(jī)構(gòu)與變速箱連接，主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱控制器連接，主機(jī)上設(shè)置顯示設(shè)備，主機(jī)內(nèi)設(shè)置仿真條件，并且將設(shè)置的仿真條件轉(zhuǎn)變成控制信號(hào)發(fā)送到所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)和所述變速箱控制器；驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)主機(jī)發(fā)出的仿真條件向變速箱輸出轉(zhuǎn)速；變速箱控制器設(shè)置在支座上，內(nèi)置變速箱換擋邏輯，可與主機(jī)內(nèi)設(shè)置的仿真條件互相匹配，控制變速箱的工作；測(cè)量部件監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和變速箱的輸出轉(zhuǎn)速，獲取的信息反饋給主機(jī)，主機(jī)根據(jù)仿真條件中對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和變速箱的輸出轉(zhuǎn)速計(jì)算出實(shí)際傳動(dòng)比，并輸出實(shí)際傳動(dòng)比至顯示設(shè)備上[3]。

4 方案實(shí)施

如圖1所示，主機(jī)設(shè)置在工作臺(tái)的非動(dòng)作區(qū)域，驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在工作臺(tái)的一端，通過(guò)連接機(jī)構(gòu)與變速箱的輸入軸連接，并且變速箱通過(guò)支座與工作臺(tái)固定連接。支座上設(shè)置了導(dǎo)向軸承支架，導(dǎo)向軸承支架上設(shè)置導(dǎo)向軸承，導(dǎo)向軸承對(duì)變速箱進(jìn)行定位,導(dǎo)向軸承支架上設(shè)置傳感器，傳感器向主機(jī)反饋信息，傳感器為震動(dòng)傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。工作臺(tái)上設(shè)置滑軌，支座底部設(shè)置與滑軌耦合的滑輪，滑軌上設(shè)置鎖定裝置，鎖定裝置鎖定支座的位置。

主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱控制器連接，主機(jī)上設(shè)置顯示設(shè)備，主機(jī)內(nèi)設(shè)置仿真條件，并且將設(shè)置的仿真條件轉(zhuǎn)變成控制信號(hào)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變速箱控制器；驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)主機(jī)發(fā)出的仿真條件向變速箱輸出轉(zhuǎn)速[4]。

變速箱控制器設(shè)置在支座上，變速箱控制器內(nèi)設(shè)置變速箱換擋邏輯，變速箱控制器將變速箱換擋邏輯與主機(jī)內(nèi)設(shè)置的仿真條件互相匹配，變速箱控制器控制變速箱的工作。

測(cè)量部件監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和變速箱的輸出轉(zhuǎn)速，測(cè)量部件獲取的信息反饋給主機(jī)[5]，主機(jī)根據(jù)仿真條件中對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和變速箱的輸出轉(zhuǎn)速計(jì)算出實(shí)際傳動(dòng)比，并輸出實(shí)際傳動(dòng)比至主機(jī)的顯示設(shè)備。

工作臺(tái)上設(shè)置磁力線發(fā)生裝置，所述磁力線發(fā)生裝置為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，磁力線發(fā)生裝置被轉(zhuǎn)軸穿過(guò)，并且轉(zhuǎn)軸的一端與變速箱輸出軸連接，轉(zhuǎn)軸上設(shè)置速度傳感器，磁線發(fā)生裝置上設(shè)置扭矩傳感器，轉(zhuǎn)軸上設(shè)置的速度傳感器和磁力線發(fā)生裝置上設(shè)置的扭矩傳感器所檢測(cè)到的信息均發(fā)送至主機(jī)上[6～7]。 轉(zhuǎn)軸的另一端通過(guò)離合裝置與減速電機(jī)嚙合，減速電機(jī)與主機(jī)連接，減速電機(jī)與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，減速電機(jī)上設(shè)置轉(zhuǎn)速編譯器和轉(zhuǎn)速控制器[8]，轉(zhuǎn)速編譯器接收測(cè)量部件獲取的變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速編譯器根據(jù)變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速和減速電機(jī)的功率計(jì)算減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速編譯器的計(jì)算結(jié)果控制減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5 主機(jī)仿真分析

對(duì)變速箱進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，變速箱所得到的擋位傳動(dòng)比和設(shè)計(jì)傳動(dòng)比相比較得到的誤差非常小，所以得出變速箱仿真裝置是精確合理的，能夠代表實(shí)際樣機(jī)并做仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)其中的一些零部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面的研究。一次實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)比表如表1所示。

表1 主機(jī)仿真運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)仿真裝置的深入研究設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了變速箱仿真的自動(dòng)化，并且能夠根據(jù)需求實(shí)時(shí)調(diào)整仿真條件；根據(jù)輸入的仿真條件能夠更加迅速、準(zhǔn)確地得知變速箱的工作情況和工作結(jié)果；大大提高變速箱控制器的開(kāi)發(fā)和測(cè)試效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)；使用文中設(shè)計(jì)的變速箱模型來(lái)代替實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)軸變形和齒輪熱變形因素對(duì)齒輪精密修形影響情況進(jìn)行分析，為汽車零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、后續(xù)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)精密修形，使用壽命預(yù)測(cè)、失效周期確定等多方面的試驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)。

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