基于整車駐車試驗(yàn)的DCT箱體強(qiáng)度耐久仿真

文新海，殷金菊，張 磊，董立偉，黃 勤

基于整車駐車試驗(yàn)的DCT箱體強(qiáng)度耐久仿真

文新海1，殷金菊1，張 磊1，董立偉1，黃 勤2

（1.麥格納動(dòng)力總成（江西）有限公司，江西 南昌 330013；2.江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330100）

以某雙離合變速器（DCT）為研究對(duì)象，文章提出了基于整車駐車試驗(yàn)的DCT箱體強(qiáng)度及疲勞壽命預(yù)測(cè)方法?；贏DAMS建立目標(biāo)車型，包含駐車系統(tǒng)整車沖擊載荷仿真的系統(tǒng)模型，通過(guò)對(duì)不同駐車工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲取對(duì)應(yīng)工況下，駐車系統(tǒng)沖擊載荷時(shí)域數(shù)據(jù)并與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。搭建DCT傳動(dòng)系統(tǒng)總成有限元模型，結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)仿真的整車沖擊扭矩峰值及駐車系統(tǒng)的耐久試驗(yàn)載荷譜，分析了DCT箱體的強(qiáng)度及耐久性能，為DCT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正向開(kāi)發(fā)及校驗(yàn)提供參考。

DTC箱體；耐久仿真；整車駐車試驗(yàn)；動(dòng)態(tài)沖擊；疲勞壽命

駐車系統(tǒng)是整車安全的關(guān)鍵系統(tǒng)，要求簡(jiǎn)單可靠且具有極高的耐久性能[1]。駐車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要滿足以下要求：在一定的速度范圍內(nèi)，能夠順利掛入P擋以鎖住變速器，同時(shí)在較高車速下避免發(fā)生駐車鎖止。如果駐車鎖止發(fā)生在較高車速下，強(qiáng)大的整車慣性沖擊力可能會(huì)導(dǎo)致變速器損壞，甚至危及乘員安全。因此，駐車機(jī)構(gòu)應(yīng)確保在較高車速時(shí)不會(huì)發(fā)生鎖止，且禁止掛入P擋[2]。以往研究[3-6]僅局限于駐車機(jī)構(gòu)本體的操作性或者其強(qiáng)度耐久性能，而由于雙離合變速器（Dual Clutch Transmission, DCT）結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，鮮有研究對(duì)駐車工況下DCT箱體的強(qiáng)度耐久性能進(jìn)行全面的考慮。

1 駐車系統(tǒng)的耐久試驗(yàn)載荷譜生成

1.1 駐車系統(tǒng)整車多體動(dòng)力學(xué)模型搭建

基于ADAMS建立目標(biāo)車型，包含駐車系統(tǒng)的整車沖擊載荷仿真系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，整車模型和變速器模型。整車模型考慮整車滿載質(zhì)量、軸距、重心高度、輪胎、半軸和道路系統(tǒng)等（見(jiàn)表1）。輪胎與道路系統(tǒng)的構(gòu)建包括了車輪的整體質(zhì)量、車輪輪轂和輪胎部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、車輪輪胎部分的阻尼和剛度，以及輪胎與地面的接觸模型?；隈v車系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的半軸的阻尼和剛度參數(shù)構(gòu)建半軸系統(tǒng)。變速器模型考慮雙離合器、輸入輸出軸、齒輪副、差速器總成等旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼及扭轉(zhuǎn)剛度等，搭建包含駐車系統(tǒng)的整車峰值扭矩仿真動(dòng)力學(xué)模型。

表1 駐車系統(tǒng)整車多體動(dòng)力學(xué)模型主要參數(shù)

參數(shù)名稱參數(shù)值 滿載質(zhì)量/kg2 400 扭轉(zhuǎn)彈簧預(yù)緊力矩/(Nm)1.45 整車重心高度/mm650 輪胎動(dòng)態(tài)滾動(dòng)半徑/mm360 輪胎靜摩擦系數(shù)1.2 左半軸扭轉(zhuǎn)剛度/[(Nm)/(°)]181 右半軸扭轉(zhuǎn)剛度/[(Nm)/(°)]126 離合器1慣量/(kg·mm2)6 400 離合器2慣量/(kg·mm2)4 600 輪胎扭轉(zhuǎn)剛度/[(Nm)/(°)]588

1.2 駐車工況定義及載荷分析

車輛在日常使用中會(huì)經(jīng)歷不同的駐車工況，這些工況會(huì)對(duì)變速箱駐車系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的沖擊。為了標(biāo)準(zhǔn)化日常的駐車工況，將其分為以下三個(gè)典型場(chǎng)景：

1.坡道完全靜態(tài)駐車工況

當(dāng)車輛停在一定角度的坡道上（一般取12%和32%），車頭可以朝上或朝下，駐車棘爪正好掛入駐車齒輪齒槽中，使其處于鎖止?fàn)顟B(tài)。隨后松開(kāi)剎車，駐車棘爪和駐車齒輪開(kāi)始產(chǎn)生相對(duì)作用，由于重力作用，車輛會(huì)產(chǎn)生整車坡道駐車的靜態(tài)載荷。

2.坡道準(zhǔn)靜態(tài)駐車工況

模擬車輛在靜止于一定角度的坡道上開(kāi)始駐車的情景。當(dāng)車輛靜止于一定角度的坡道上（通常取12%和32%），剎車踏板完全制動(dòng)，控制單元系統(tǒng)發(fā)出P擋掛入信號(hào)。此時(shí)，駐車棘爪和駐車齒輪并未鎖定，而是相接觸。隨后，車輛在松開(kāi)剎車后開(kāi)始滑入下坡道，駐車棘爪滑入駐車齒輪齒槽中，棘爪和駐車齒輪開(kāi)始相互作用，由于重力作用，車輛會(huì)來(lái)回晃動(dòng)，直到完全靜止在坡道上。在此過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生整車坡道駐車的沖擊載荷。坡道駐車時(shí)，車頭向上和車頭向下兩個(gè)方向都會(huì)影響整車受力大小。

3.平路駐車工況

模擬在平直路面上，目標(biāo)車輛在低速（5 km/h）蠕行時(shí)開(kāi)始駐車。首先，通過(guò)變速器速比和輪胎參數(shù)將整車車速轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)速。整車處于滑行減速過(guò)程時(shí)，控制單元系統(tǒng)發(fā)出P擋動(dòng)作信號(hào)，駐車棘爪和駐車齒輪開(kāi)始鎖止。當(dāng)車速以高于動(dòng)態(tài)掛入車速掛入P擋時(shí)，駐車凸輪會(huì)推動(dòng)駐車棘爪壓向駐車齒輪的齒槽。由于車速較高，駐車棘爪卡入齒槽的深度較淺，其滾輪未運(yùn)動(dòng)到駐車凸輪的圓弧鎖止面時(shí)，駐車棘爪即被駐車齒輪彈回。

隨著車速降低，駐車棘爪卡入齒槽的深度不斷增加，直至其滾輪運(yùn)動(dòng)到駐車凸輪的圓弧鎖止面時(shí)，車輛迅速減速并最終達(dá)到完全靜止?fàn)顟B(tài)。隨后掛入P擋，直到車輛靜止過(guò)程中產(chǎn)生的峰值扭矩為整車平地駐車工況下的峰值扭矩。車輛進(jìn)行正反向駐車，不僅會(huì)影響整車受力，而且在P擋駐車鎖止?fàn)顟B(tài)下，棘爪與駐車齒輪有兩種接觸方式，即棘爪齒爪內(nèi)側(cè)與駐車齒輪齒槽相抵，棘爪齒外側(cè)與駐車齒輪齒槽相接觸。

在整車試驗(yàn)階段，采用無(wú)線遙感技術(shù)測(cè)試獲取整車駐車工況下的半軸扭矩?cái)?shù)據(jù)，并與多體動(dòng)力學(xué)結(jié)果對(duì)比（見(jiàn)表2）。發(fā)現(xiàn)測(cè)試的半軸扭矩較多體動(dòng)力學(xué)的仿真結(jié)果偏小，分析其原因?yàn)槎囿w動(dòng)力學(xué)仿真未能考慮結(jié)構(gòu)的柔性變形，導(dǎo)致沖擊載荷略微偏大，且兩者差異在5%以內(nèi)。因此，證明了多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表2 駐車沖擊載荷多體動(dòng)力學(xué)仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

駐車載荷多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果整車駐車測(cè)試結(jié)果 工況駐車齒輪最大扭矩/(Nm)駐車棘爪最大接觸力/kN半軸最大扭矩/(Nm)半軸最大扭矩/(Nm)半軸扭矩仿真與測(cè)試差異 工況1f12%坡道靜止正向駐車2205.81 0441 027-1.6% 工況1b12%坡道靜止反向駐車-220-5.8-1 044-1 028-1.5% 工況2f32%坡道靜止正向駐車55014.92 6202 555-2.5% 工況2b32%坡道靜止反向駐車-550-14.9-2 620-2 560-2.3% 工況3f12%坡道準(zhǔn)靜止正向駐車55615.12 6352 541-3.6% 工況3b12%坡道準(zhǔn)靜止反向駐車-548-14.4-2 598-2 512-3.3% 工況4f32%坡道準(zhǔn)靜止正向駐車1 14931.65 4335 205-4.2% 工況4b32%坡道準(zhǔn)靜止反向駐車-829-21.7-3 919-3 782-3.5% 工況5f平路正向蠕行駐車1 07229.15 0714 860-4.2% 工況5b平路反向蠕行駐車-903-23.9-4 269-4 116-3.6%

2 變速器箱體強(qiáng)度耐久有限元仿真

2.1 有限元仿真模型搭建

搭建變速器總成的有限元分析全模型時(shí)，需要對(duì)各部件進(jìn)行網(wǎng)格離散。變速器殼體、差速器殼體和駐車棘爪等形狀不規(guī)則的零部件使用高階四面體單元進(jìn)行離散。而擋位齒輪、輸入輸出軸、軸承和螺栓等則使用六面體非協(xié)調(diào)單元進(jìn)行離散。

為了傳遞載荷，需要建立各零部件之間的連接關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，變速器前殼體與后殼體之間采用摩擦接觸，并通過(guò)螺栓進(jìn)行綁定連接。變速器殼體與各軸承外圈之間設(shè)置摩擦接觸和過(guò)盈量。軸承內(nèi)圈與軸配合綁定，而軸承滾子則使用GAP單元替代，連接軸承的內(nèi)圈和外圈。變速器中各嚙合的擋位齒輪之間采用摩擦接觸（見(jiàn)圖1）。

2.2 強(qiáng)度分析

由于車輛質(zhì)量或沖擊慣性，會(huì)對(duì)輪胎和半軸產(chǎn)生沖擊扭矩，且會(huì)通過(guò)差速器傳遞到帶有駐車齒輪的變速器內(nèi)部輸出軸。由于駐車棘爪的鎖止作用，沖擊載荷會(huì)傳遞到駐車機(jī)構(gòu)和固定駐車機(jī)構(gòu)的變速器箱體。

約束有限元模型中，與發(fā)動(dòng)機(jī)配合的接合面3個(gè)平動(dòng)自由度及3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，約束差速器半軸齒輪繞半軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。向有限元模型中的軸承施加軸向及徑向緊固過(guò)盈量，并對(duì)螺栓施加預(yù)緊力進(jìn)行預(yù)緊步分析得到第一應(yīng)力結(jié)果。在駐車棘爪及駐車齒輪上按表2工況施加正向駐車峰值載荷進(jìn)行加載，求解正向駐作用下的第二應(yīng)力結(jié)果。按表2工況施加反向駐車峰值載荷，求解反向駐作用下的第三應(yīng)力結(jié)果，依次對(duì)工況1至工況5進(jìn)行求解。變速器箱體應(yīng)力云圖如圖2所示，應(yīng)力均低于材料強(qiáng)度極限（材料牌號(hào)：ADC12，抗拉強(qiáng)度≥240 MPa），靜強(qiáng)度符合要求。

2.3 疲勞壽命分析

根據(jù)單個(gè)工況的循環(huán)次數(shù)，將駐車系統(tǒng)峰值扭矩的仿真結(jié)果疊加，以獲取駐車試驗(yàn)全壽命周期的耐久仿真載荷譜（見(jiàn)表3）。

表3 駐車耐久仿真載荷譜

參數(shù)工況1工況2工況3工況4工況5 循環(huán)次數(shù)20 0004 00020 0001 00020 載荷方向正/反向交替

在疲勞分析軟件FEMFAT中，根據(jù)工況1（12%坡道靜止正反向駐車）的預(yù)緊步分析結(jié)果、正向駐作用下的第二應(yīng)力結(jié)果，以及反向駐作用下的第三應(yīng)力結(jié)果加載，構(gòu)建應(yīng)力預(yù)設(shè)列矩陣，模擬駐車工況1（12%坡道靜止正反向駐車）預(yù)緊－正向駐車－預(yù)緊－反向駐車－預(yù)緊的整車試驗(yàn)過(guò)程。在疲勞分析軟件中輸入變速器箱體的材料疲勞特性曲線、材料表面粗糙度等參數(shù)，以及駐車耐久仿真載荷譜，計(jì)算變速器箱體在駐車工況1下的疲勞損傷。同理計(jì)算變速器箱體在駐車工況2至工況5下的疲勞損傷結(jié)果。根據(jù)疲勞累積損傷定律之線性Miner疲勞法則，對(duì)表2各工況下的變速器箱體疲勞損傷進(jìn)行疊加，獲得變速器箱體在整個(gè)駐車試驗(yàn)全周期的疲勞損傷（見(jiàn)圖3）。

圖3 變速器箱體駐車試驗(yàn)全周期的疲勞壽命云圖

3 結(jié)論

本文基于日常典型應(yīng)用場(chǎng)景的駐車工況運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，采用ADAMS建立了包含DCT駐車系統(tǒng)的整車沖擊載荷仿真系統(tǒng)模型，通過(guò)對(duì)不同駐車工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲取對(duì)應(yīng)工況下的駐車系統(tǒng)沖擊載荷時(shí)域數(shù)據(jù)，并與整車駐車試驗(yàn)獲取的載荷進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)和有限元的聯(lián)合仿真，獲取了變速器箱體的峰值應(yīng)力結(jié)果，結(jié)合駐車系統(tǒng)的耐久仿真載荷譜及變速器箱體應(yīng)力有限元分析結(jié)果，對(duì)變速器箱體進(jìn)行了疲勞分析，有效評(píng)估了DCT箱體在駐車試驗(yàn)全周期的疲勞損傷，為DCT的結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)和校驗(yàn)提供了參考。

[1] 趙雪松,白秀超,顧振宇,等.駐車動(dòng)態(tài)性能仿真分析[J].汽車技術(shù),2021(8):57-62.

[2] 楊成.純電動(dòng)汽車P擋系統(tǒng)的駐車性能及疲勞壽命分析[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2021.

[3] 孔田增,朱中文.自動(dòng)變速器P擋駐車機(jī)構(gòu)原理、結(jié)構(gòu)與性能分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2021,46(8):57-62.

[4] 楊仕林,丁問(wèn)司.基于ADAMS的某DCT駐車性能仿真與試驗(yàn)研究[J].汽車技術(shù),2020(1):25-30.

[5] 余春祥,倪良軍,胡軍,等.基于動(dòng)力學(xué)仿真變速器駐車速度設(shè)計(jì)方法研究[J].汽車制造業(yè),2022(2):40-42.

[6] 張磊,何建濤,馮飛,等.干式DCT駐車機(jī)構(gòu)性能分析與試驗(yàn)[J].汽車技術(shù),2018(1):59-62.

Strength and Durability Simulation of DCT Box Based on Vehicle Parking Test

WEN Xinhai1, YIN Jinju1, ZHANG Lei1, DONG Liwei1, HUANG Qin2

( 1.Magna Powertrain (Jiangxi) Company Limited, Nanchang 330013, China; 2.Jiangxi-Isuzu Motors Company Limited, Nanchang 330100, China )

Taking a dual clutch transmission (DCT) as the research object, a method for predicting the strength and fatigue life of DCT box based on vehicle parking test is proposed in this paper.Based on ADAMS, the system model of the vehicle impact load simulation of the target model including the parking system is established. Through the dynamic simulation of different parking conditions, the time domain data of the impact load of the parking system under the corresponding working conditions are obtained and compared with the test, which verifies the accuracy of the simulation results. The finite element model of DCT transmission system assembly is built. Combined with the peak impact torque of the whole vehicle and the load spectrum of the endurance test of the parking system, the strength and durability of the DCT box are analyzed, which provides a reference for the forward development and verification of the structural design of DCT.

DCT box;Durability simulation;Vehicle parking text;Dynamic impact;Fatigue life

U463.212

A

1671-7988(2023)19-123-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.024

文新海（1982－），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠囌嚰傲悴考﨏AE, E-mail:xinhai.wen@magna.com。