1、海 南 大 学毕 业 论 文（设计）题 目： 某 AMT 换挡执行机构优化设计 学 号： XXXXXXXXXXX 姓 名： XXXXXX 年 级： XXXXXX 学 院： 机电工程学院 系 别： 汽车系 专 业： 车辆工程 指导教师： XXXXXX 完成日期： 年 月 日 某 AMT 换挡执行机构优化设计I摘 要AMT 是在传统的手动变速器基础上加装一套自动操纵系统组成的自动变速器。换挡执行机构的设计是 AMT 开发的基础工作，其性能的好坏将直接影响换挡质量，是十分重要的问题。本文对国内在研的某 AMT 换挡执行机构进行设计，主要的工作内容如下：1. 论文对 AMT 做了简要介绍，对 AMT
2、不同的换挡执行机构进行比较，最终选择正交式电控气动换挡执行机构作为本文研究对象。2. 对换挡过程和同步器工作原理进行分析，根据已知参数用 Matlab计算出不同挡位下的换挡力大小，进而求出气缸输出力的大小。3. 对换挡执行机构的两套方案进行比较。对于气压驱动系统，方案二的结构更加合理，并由气缸输出力计算气缸尺寸。4. 在 AMEsim 中搭建出该机构的物理模型。运用 AMEsim 对气缸尺寸、电磁阀通道面积、气源压强进行优化，选取最佳值，并对最终的参数进行校核。5. 用 Catia 建立机构的三维模型，在“工程制图”模块中初步制作该机构的装配图和零件图，将得到的图纸文件在 AutoCAD 中修
3、改完善。关键词：AMT；换挡执行机构；气压驱动；优化设计某 AMT 换挡执行机构优化设计IIAbstractAMT is an automatic transmission which is composed of a set of automatic control system on the basis of the traditional manual transmission.The design of shift actuator is the basic work of AMT research. Its performance will directly affect the q
4、uality of the shift, is a very important issue.This paper analyzes and designs a AMT shift actuator which is being studied in China. The main work includes the following points:1. This paper makes a brief introduction to AMT, and compares the different shift actuators of AMT, and selects the orthogo
5、nal electronic pressure shift actuator as the research object of this thesis.2. The shift process and the synchronization process are analyzed, and according to the known parameters, the shift force under different gear positions is calculated by using Matlab, then the output force of the cylinder i
6、s obtained.3. Comparison of two schemes of shift actuator. For the pneumatic drive system, the scheme two is more reasonable, and the cylinder size is calculated by the cylinder output force.4. The physical model of the mechanism is built in AMEsim.The size of the cylinder, the channel area of the s
7、olenoid valve, the pressure of the gas source are optimized by using AMEsim, and the optimal value is selected. The final correlation parameters are checked.5. Using Catia to establish the three-dimensional model of the organization, in the “Engineering Drawing“ module to produce the body assembly d
8、rawing and part drawing, the drawing papers will be improved in AutoCAD.Key words: AMT; shift actuators; pneumatic drive; optimization design某 AMT 换挡执行机构优化设计III目 录1 绪论 .11.1 AMT 概述 11.1.1 AMT 的原理与优缺点 .11.1.2 AMT 在国内外的研究现状 .11.2 换挡执行机构的选取 21.3 论文的研究意义和内容 21.3.1 论文研究意义 21.3.2 论文研究内容 32 换挡力分析 .42.1 AMT
9、 换挡过程分析 42.2 换挡力的公式推导 52.3 换挡力的计算 82.4 气缸输出力大小 93 换挡执行机构分析与设计 103.1 换挡执行机构方案一 .113.1.1 机构的结构和工作过程分析 .113.1.2 换挡气缸和选位气缸的设计 .123.2 换挡执行机构方案二 .133.2.1 新的换挡执行机构 .133.2.2 换挡气缸和选位气缸的设计 .144 建立机构的仿真模型 154.1 AMEsim 简介 164.2 换挡气缸模型的建立 .164.2.1 挂奇数挡模型 .164.2.2 挂偶数挡模型 .174.3 参数的选择 .184.4 仿真结果与分析 .194.5 新的仿真模型
10、.20某 AMT 换挡执行机构优化设计IV4.5.1 挂奇数挡模型 .204.5.2 挂偶数挡模型 .225 对机构进行优化 225.1 气缸直径的优化 .235.2 电磁阀通道面积的优化 .245.3 气源压强的优化 .255.4 最终模型的反应时间 .265.5 尺寸选取与校核 .266 利用 CATIA 建立机构的三维模型 296.1 CATIA 简介 .306.2 机构三维模型构建 .307 总结 35致谢 36参考文献 37附录 A：换挡力的求解程序 .38某 AMT 换挡执行机构优化设计11 绪论1.1 AMT 概述1.1.1 AMT 的原理与优缺点自动变速器主要包括液力机械式自动
11、变速器 AT（Automatic Transmission）、无极变速器 CVT（Continuously Variable Transmission）、双离合自动变速器 DCT（Dual Clutch Transmission）、电控机械式自动变速器 AMT（Automated Mechanical Transmission） 1。AMT 的自动操纵系统由传感器、ECU 和执行机构组成。 ECU 接收传感器测得的车速、油门踏板、发动机转速等信号，结合内部的控制程序对信号进行处理，做出换挡判断，让相应的执行机构对发动机、离合器和变速器进行控制，最终实现汽车平稳起步和换挡的功能 2。由于 AMT
12、 是对手动变速器进行的改造，其传动效率与手动变速器相等，高于目前常用的 AT。同时 AMT 保留了手动变速器的大部分部件，改造成本相对较低，容易批量生产。缺点是换挡过程中有动力中断，会产生顿挫感，舒适性不好，不过通过优化换挡规律能改善这一缺点。总体来说，AMT 是比较适合我国发展的一类变速器。1.1.2 AMT 在国内外的研究现状国外很早就开始了 AMT 的研究，目前在美国和西欧国家已经具备了大规模生产 AMT 的能力。例如美国的 EATON 公司、德国的 ZF 公司、日本的日野公司都有成熟的产品，并且已经装车商用。欧洲主要的汽车生产商近几年受到燃油经济性和排放法规的影响，加大了对 AMT 变
13、速器的开发力度，不断推出各自的产品 34。 我国在上世纪 80 年代才开始对 AMT 技术进行研究，由于相关技术理论的成熟，我国跨越了半自动变速器开发阶段直接开始了全自动 AMT 的研制。目前从事 AMT 研究的单位有北京理工大学、吉林大学、重庆大学等高校和一些相关企业 5。北京理工大学是较早研究自动操纵技术的高校，在 AMT 研究上有丰硕的成果：2002 年，北京理工大学开始对轮式装甲车自动变速系统进行研发，该系统已于 2002 年 9 月完成一千公里调试试验，2002 年 10 月又顺利某 AMT 换挡执行机构优化设计2完成三千公里的外贸鉴定试验，2010 年，装备该系统的轮式车辆进行了批
14、量生产，并全部列装部队 5。 1.2 换挡执行机构的选取AMT 的执行机构分为离合器执行机构和换挡执行机构，换挡执行机构控制变速箱的换挡过程，图 1.1 表示换挡执行机构在变速箱中的安装位置。图 1.1 变速箱总成三维图1-换挡执行机构 2-高低挡气动阀 3-变速箱本体以动力源的不同进行划分，换挡执行机构可分为电控-气动式、电控-液动式和电控- 电动式三种类型，各种换挡执行机构的优缺点如表 1.16。表 1.1 不同换挡执行机构的性能特点特点 类型电控气动 电控液动 电控电动优点 成本低，冲击小，环 容量大，冲击小，响 结构紧凑，重量轻，控 保 应快，控制精度高 制灵活迅速，能耗小 管路结构复
15、杂有噪声， 油黏度受温度影响， 控制系统复杂，驱动力缺点 工作压力低、响应速 电磁阀加工精度高， 小，对电机的性能要求度慢，换挡时间长 不易维修，成本大 高 某 AMT 换挡执行机构优化设计3应用 有气源的大型客车或 军用车辆，有液压系 纯电动汽车，混合动力重型车辆 统的车辆 车本文研究的 6*6 轮式车辆属于重型车辆，应该采用液压或气压驱动方式，考虑到成本等因素的限制，选取气压驱动。以结构的不同进行分类，换挡执行机构有正交式和平行式两种结构。正交式结构有两个相互垂直分布的换挡机构和选位机构，换挡经过摘挡、选位、挂挡三个阶段。平行式结构只有换挡机构，可以直接进行摘挡、挂挡操作。相对而言，正交式
16、换挡执行机构结构简单，体积小，便于节省空间 7。对于本文的九挡位变速器，采用正交式结构更加合适。1.3 论文的研究意义和内容1.3.1 论文研究意义我国大部分车辆现在仍采用传统手动变速器，而传动系统的自动化是车辆发展的必然趋势。国内的 AMT 技术较成熟，无技术壁垒，比较适合我国发展。其中换挡执行机构的设计是 AMT 开发的基础工作，对其进行研究的目的及意义如下：（1）换挡执行机构的设计优化有利于提高 AMT 的换挡品质。（2）对换挡执行机构的换挡原理和工作过程分析对后续控制算法的编写有一定的指导作用。（3）气压驱动式换挡执行机构成本低，可以从军用车移植运用到民用车中。1.3.2 论文研究内容
17、本文以实验室现有的 AMT 为研究对象，其变速箱由主箱和副箱组成，有九个前进挡和一个倒挡，选用正交式电控气动换挡执行机构控制变速箱换挡。本论文的主要研究内容如下：（1）对换挡过程进行分析，求出各挡位下换挡力的大小，通过力臂的转换求出气缸输出力的大小。（2）选取合适的换挡执行机构方案，并由气缸输出力初步确定气缸相关尺寸。某 AMT 换挡执行机构优化设计4（3）根据设计好的气缸尺寸在 AMEsim 中建立合适的物理模型。（4）对气缸直径、气源压强、电磁阀通道面积进行仿真优化，并对最终确定的尺寸进行校核。（5）根据已设计好的机构尺寸画出机构的 Catia 图，并在“工程制图”模块中初步作出装配图和零
18、件图，将图纸文件在 AutoCAD 中修改完善。某 AMT 换挡执行机构优化设计52 换挡力分析2.1 AMT 换挡过程分析AMT 在换挡前要中断动力的传递，在换挡结束后再恢复动力，中断和恢复动力就是控制离合器的分离与接合。为防止动力中断过程中发动机空载转速过高，必须对其进行控制。因此整个换挡过程是发动机、离合器、变速器三者的联合控制，可分为五个阶段 8： 第一阶段：中断动力阶段 AMT 在中断动力过程中不能单纯地分离离合器，还需要控制发动机的供油量，避免负载的突然降低导致发动机转速过高。在分离离合器前将发动机的工作状态调至怠速，输出的驱动力矩为零，然后分离离合器。这样传动系不会因为动力的突然
19、中断产生过大的冲击，发动机也不会因为突然失去负载而导致转速过高。第二阶段：摘除原挡位到空挡阶段发动机与传动系的动力输出中断后，换挡气缸推动换挡轴从原挡位换到空挡。由于这个阶段是没有动力的传递，不会产生冲击，要尽量减少该阶段的时间，避免动力中断的时间过长，对车辆的动力性能和平顺性能产生不利影响。第三阶段：选位阶段在空挡阶段，选位气缸推动换挡轴在选挡方向位移。若从一挡换为二挡，选挡方向不发生位移，此阶段可省去。若从二挡换为三挡，换挡轴会在选位气缸的作用下移动到新挡位对应的空挡位置，为下一阶段的换挡创造条件。第四阶段：挂入新挡位阶段 换挡气缸推动换挡轴从空挡位挂入新挡位，这个过程中需要保证主从动齿轮
20、的转速相等时再啮合，避免齿轮的冲击，论文采用锁环式同步器来实现这个功能。换挡时，换挡力推动结合套并使滑块和锁环左移，锁环锥面与被接合齿轮的锥面接触，两锥面间角速度不相等产生摩擦力矩，使锁环转动一个角度并被滑块定位。接合齿与锁环齿端接触，同步器处于锁止状态（图 2-某 AMT 换挡执行机构优化设计61a）。换挡力将锁环继续压在锥面上，锁环受到摩擦力矩，同时在锁止面有一个与摩擦力矩反向的拨环力矩。当锁环与被接合齿轮的角速度相等时，摩擦力矩为零，在拨环力矩的作用下锁止面分开，结束锁止状态，接合齿在换挡力作用下穿过锁环与被接合齿轮啮合，完成换挡（图 2.1b） 9。（a）同步器锁止位置 （b）同步器换
21、挡位置图 2.1 锁环式同步器工作原理1被接合齿轮 2锁环 3结合套 4接合套上的接合齿 5滑块第五阶段：恢复动力阶段挂入新挡位后，需要重新接合离合器和恢复发动机的供油。离合器的接合速度要在一定范围内：若速度过快，会对传动系统产生巨大的冲击，车辆平顺性变差；若速度过慢，会导致摩擦片的过度磨损，使用寿命下降8。同时发动机供油量也应该随离合器的接合而逐渐变大：若在离合器接合前供油量就变大，会导致发动机转速变大不利于后续的离合器接合；若在离合器接合后增加供油量，会由于载荷的突然增加引发发动机动力不足甚至熄火。2.2 换挡力的公式推导对于本文使用的同步器，作用在其接合套上的换挡力大小为 F，它与锁环锥
22、面的摩擦力矩 、锥角 、平均直径 和摩擦因数 有关。锁环sMsd受力分析如图 2.2 所示， 某 AMT 换挡执行机构优化设计7图 2.2 受力分析图由图 2.2 知，F 与各影响因素之间的关系为（2.1）sin2FdM得： （2.2）s同步器系统可简化成图 2.3 所示的形式，对其同步过程进行分析，可得出 和 t 之间的关系。 sM图 2.3 同步器的转矩示意图齿圈与锁环间摩擦力矩 离合器阻力矩 行驶阻力矩sMcMv汽车惯量 离合器从动盘等部分的齿圈当量转动惯量 输入端角速度 vJcJ c输出端角速度v某 AMT 换挡执行机构优化设计8假定系统一直受到恒定的摩擦力矩为 ，同步时间为 t，由于
23、汽车惯sM性过大，输出端角速度可认为不变，输入端角速度从 变为 ，用 cv表示角速度变化差值。由动量矩定理有： （2.3）vcsJt化简为： （2.4）tMcs考虑到动力中断过程会有动力损失，取变速器输入轴的转矩损失为（当 传递到同步器从动端时需要乘以该挡位主箱的传动比 ，用vMv gi表示），在换挡时要计算输入端的损失力矩，即有：(2.5)tJMcvs其中 (2.6)gi离合器从动盘等部分在变速箱输入轴上的当量转动惯量为 ，变速箱rJ输入轴与换挡齿圈间传递的动能不变：（2.7）22)/(1grciJ10。 (2.8)gri由（2.2）、（2.5）、（2.6）、（2.8）可知：(2.9)RiM
24、tiJgvgrsn)(F2车辆从低挡位升至高挡位时， （换挡0)1(602kevci操作不涉及副箱高低挡切换， 、 为变速箱主箱传动比），此时作用ki1在同步器上的轴向力产生的摩擦力矩 使同步器从动端减速，即变速器sM输入轴的损失力矩 与 同向，对换挡同步有促进作用。而车辆从高vs挡位挂低挡位时， ，此时 与 反向，0)1(602kevcinvMs某 AMT 换挡执行机构优化设计9对换挡同步有抑制作用，为了达到同样的换挡时间，所需要的换挡力vM更大。可知换挡操作从高挡挂低挡比从低挡挂高挡困难，只要计算高挡换低挡过程中的换挡力即可。2.3 换挡力的计算（1）动力匹配参数对于发动机，计算可选用“额
25、定转速”和“最大转矩”两种工况。额定转速工况下输入转速为 2100 ，输入转矩为 1500 ；最大转矩min/r mN工况下的输入转速为 1300 ，输入转矩为 1950 。对于变速箱，选用“主箱+副箱”的结构，各挡位下的传动比为：表 2.1 变速箱各挡位的传动比其中，爬挡、倒挡、一挡到四挡为低速挡，五挡到八挡为高速挡，通过对变速箱副箱进行操作实现高低挡切换，主箱和副箱的传动比如下表：表 2.2 主箱传动比挡位 爬挡 倒挡 1、5 2、6 3、7 4、8传动比 13.13 -11.85 2.31 1.75 1.29 1表 2.3 副箱传动比挡位 高速挡（5、6、7、8） 低速挡（1、2、3 、
26、4、R、C）传动比 1 3.4286从 8 降 7 挡和 4 降 3 挡的换挡力相等，7 降 6 挡和 3 降 2 挡的换挡力相等，6 降 5 挡和 2 降 1 挡的换挡力相等，其中 5 降 4 挡不仅主箱传动比改变，副变速箱传动比也发生改变，不做考虑。这样所有的换挡情况中，只需要考虑 8 挡依次降到 5 挡或 4 挡依次降到 1 挡。车辆换挡时，一般近似认为车辆速度不变，因此做出如下假设：换挡后发动机转速为 2100r/min;换挡时车辆行驶的道路阻力不变，忽略道路阻力引起的转速下降；换挡时间小于 0.5s挡位 爬挡 一挡 二挡 三挡 四挡 五挡 六挡 七挡 八挡 倒挡传动比 13.13 7
27、.93 6.00 4.43 3.43 2.31 1.75 1.29 1.00 -11.85某 AMT 换挡执行机构优化设计10（2）相关尺寸参数摩擦锥面半锥角：=6.5工作锥面间的摩擦系数：=0.1同步环宽度：b=12.5mm1-2 挡（ 5-6 挡）同步器摩擦锥面平均直径： mR75213-4 挡（ 7-8 挡）同步器摩擦锥面平均直径： 64-3离合器从动盘、前传动箱、变速器输入轴、中间轴和中间轴齿轮常啮合的各个齿轮的转动惯量在变速箱输入轴上的当量转动惯量：=0.466879kgm。rJ输入轴的损失力矩 =20Nm。vM同步时间为 0.5s。将上述参数代入上一节推导出的公式，列出 matla
28、b 程序，如附录 A 所示 11。得到换挡力值为：1.7601e+0032.4624e+0032.9884e+003则从 4 到 3 挡（8 挡到 7 挡）的换挡力大小为 1760N，从 3 到 2 挡（7挡到 6 挡）的换挡力大小为 2462N，从 2 到 1 挡（ 6 挡到 5 挡）的换挡力大小为 2988N，则整个过程在 2 挡到 1 挡的换挡力最大。2.4 气缸输出力大小某 AMT 换挡执行机构优化设计11图 2.4 气缸输出力的力臂转化图如图 2.4 所示，换挡气缸输出力 F1 使换挡轴旋转，换挡轴的旋转又带动拉杆的平移，拉杆经过一个支点带动同步器接合套平移，这样气缸的输出力经过力臂
29、的转化对同步器接合套产生作用。为保证变速箱能挂进挡，换挡轴的旋转角度为 36，即图中的角度 a 为 18，气缸最大位移值 x1选为 24mm，则 x2=74mm。由于挂奇数挡和挂偶数挡的仿真模型不一样（后文有介绍），需要计算挂奇数挡和偶数挡情况下气缸最大输出力。前文已知 2 挡挂 1 挡接合套上的换挡力为 2988N，3 挡挂 2 挡换挡力为 2462N。已知参数 x3=41mm，在 1、2 挡位下x4=61.2mm， x5=76.8mm，气缸输出力的大小为：2 挡挂 1 挡： N139748.692354 xF3 挡挂 2 挡： 0.22354某 AMT 换挡执行机构优化设计123 换挡执行
30、机构分析与设计3.1 换挡执行机构方案一3.1.1 机构的结构和工作过程分析图 3.1 换挡执行机构示意图1气压源 2大气 3气压调节器 4传动机构 5挡位分布图 6换挡气缸位移传感器 7选位气缸位移传感器 8换挡轴 9高低挡气缸位移传感器如图 3.1 所示，车辆为换挡机构提供恒定的气压源 1，气压调节器 3 将高压气体调低再输出给选位气缸。高压气体通过管道分别传到两位三通电磁阀 、 、 、 ，其中 和 控制换挡气缸，S3 和 S4 控制选位1S234S12S气缸，ECU 控制电磁阀的开启和关闭。6 为换挡气缸位移传感器，7 为选位气缸位移传感器，它们将气缸的位移信号传递给 ECU。8 为换挡
31、轴，直接控制变速箱的拨叉实现换挡，换挡轴的旋转角度不能超过 36，轴向位移不能超过 13mm。高低挡气缸控制着变速器的高低挡转换，活塞杆在下端时为低挡位（1、2、3、4），在上端时为高挡位（5、6、7、8）。 执行机构具体工作过程(以六挡换为七挡为例)：摘除原挡位至空挡阶段 ：摘挡位前电磁阀全部关闭，换挡活塞杆在最左端，选位活塞杆在中间位置，高低挡活塞杆在下端。摘挡时 S1 和 S2 同时打开，换挡活塞杆从左端移至中间位置，电磁阀关闭。某 AMT 换挡执行机构优化设计13选位挂新挡阶段：选位时 S3 保持开启，S4 关闭，选位活塞杆从中间移动到下端，选位完成后电磁阀关闭。挂新挡时电磁阀 S1
32、开启，活塞杆从中间移至最右端，换挡完成后电磁阀关闭。3.1.2 换挡气缸和选位气缸的设计初步取气源压强 P =6.5bar=0.65MPa，选位气缸与换挡气缸结构原理一样，只是所受阻力小，可以减小选位气缸的压强。（1）气缸的工作原理换挡气缸有三个停靠位置，具体结构如图 3.2 所示。图 3.2 换挡气缸结构图各截面的面积为： ， ， ， ，214Sd24d23341Sd241d气缸具体的工作原理：左端到中位：A、B 腔均进气，活塞和活塞杆同时运动，受到的合力为 F1=PS2-（S 3-S4)，方向向右，推动活塞杆向右移动。到中间位置时活塞与台肩抵触，左腔只有 S1 面受压力，活塞杆无法继续右移
33、，静止在中间位置上。中位到右端：A 腔进气，B 腔出气，活塞杆受力为 ，方向12SPF向右，活塞杆向右移动至右端。右端到中位：A、B 腔均进气，活塞杆受力为 ，方)(143向向左，活塞杆向左移动。到达中间位置时，左腔活塞受压力使活塞杆无法继续左移，静止在中间位置。中位到左端：A 腔出气，B 腔进气，活塞杆受力 ，方)(434SPF某 AMT 换挡执行机构优化设计14向向左，活塞杆向左移动到左端。由上述运动过程可知，要求 S3-S4S1，同时 S2S3-S4。（2）初步选取气缸尺寸2 挡挂 1 挡的气缸输出力为 1319N，考虑到摩擦力等因素，估算取气缸输出力 F=1500N，根据气缸输出力和气
34、源压强可计算出活塞杆参数。在挂入某挡位时，气缸从中间位置向左或向右运动，只有一面受力。其中S3-S4S1，（ S3-S4）面输出力大于 S1 面所能输出的力，则只需要考虑 S1面的输出力大小。以气缸从中间位置移向右端位置分析，左腔进入高压气体，对气缸进行受力分析，得出（3.1）2114pdSF式中 d1 为活塞杆左侧直径，计算得 d1 =54.2 。为了活塞杆能从右端运m动到中间位置，要求右腔作用面积 大于活塞杆左端截面积 ，)(431S（3.2）212-4为保证气缸输出轴的强度，取 d4=25 ，得 d359.7 12。由此可知 d1 取最小值 54.2 时，d 3 要大于 59.7 。考虑
35、到摘挡过mm程会受到一定的阻力，并且为减少换挡时间在仿真优化时 d1 的值也会增大，若采用这套方案气缸尺寸会很大，不满足要求。不过在液压系统中，液体压强能达到 14bar 甚至更高， d1 的值会大大地减小，气缸尺寸会到达一个合理的尺寸范围，因此方案一常用于液压系统。为减小机构的尺寸，需另外设计换挡气缸的结构。3.2 换挡执行机构方案二3.2.1 新的换挡执行机构某 AMT 换挡执行机构优化设计15图 3.3 新换挡执行机构示意图如图 3.3，新换挡执行机构只将换挡气缸的结构改变，由于选位气缸的阻力小，结构不需要更改。新换挡执行机构的工作过程和原理与方案一相同，只对新换挡气缸的结构和原理进行介
36、绍。3.2.2 换挡气缸和选位气缸的设计（1）换挡气缸原理：（a）换挡气缸最左端 （b）换挡气缸中间位置 （c）换挡气缸最右端图 3.4 换挡气缸工作原理如图 3.4，换挡气缸可停止在 3 个位置，3 个电磁阀 、 、 控制3S45气缸的运动，具体的运动过程如下：偶数挡挂空挡（左端到中间）：电磁阀 开启， 、 关闭，左气5缸腔进气推动两个活塞杆一起向右移动，短活塞杆停止在中间限位处，长活塞杆不再受推力，由于气缸有负载，长活塞杆不会由于惯性向右移动，两活塞杆停止在中间位置。空挡挂奇数挡（中间到右端）：电磁阀 、 开启， 关闭，短活5S43S塞杆左面受力大于右面受力，保持停在中间限位处，长活塞杆左
37、受压面的压力推动其运动到右端。某 AMT 换挡执行机构优化设计16奇数挡挂空挡（右端到中间）：电磁阀 、 开启， 关闭，长活3S54S塞杆右受压面的压力让其向左运动，与短活塞杆相抵触后，短活塞杆左受压面积大于长活塞杆右受压面积不会继续向左移，停止在中间位置。空挡挂偶数挡（中间到左端）： 开启， 、 关闭，长活塞杆右3S45S部受压面的压力使两个活塞杆左移到左端位置。（2）气缸尺寸的选取对于选位气缸，选位过程中所受到的阻力非常小，气缸直径不需要太大。选取活塞杆左侧直径 为 ，活塞杆输出端直径 d4 为 ，得1dm40m25到气缸右侧直径：（3.3）d17.4252413 选取 d3 为 60 ，
38、相应的 d2 直径取为 80 。m对于换挡气缸，所受的负载较大。在 2 挡挂 1 挡时气缸从中间移动到右端，气缸负载估算为 1500N，气体压强取最小值 6.5bar，设气缸直径为d5，气缸输出力为：（3.4）25541pdSF算出 d5=54.2 ，取 d5=60 ，为达到长活塞杆的强度和稳定性条件，m取活塞杆输出端直径 d6=25 。上文选取的尺寸可以满足换挡要求，但不是换挡机构的最佳值，为了求出机构的最佳参数值需要用 AMEsim 进行仿真分析。选位气缸所受的阻力非常小，选位时间极短，不用进行仿真分析，只需要对换挡气缸的响应过程进行分析。某 AMT 换挡执行机构优化设计174 建立机构的
39、仿真模型4.1 AMEsim 简介AMEsim 是法国 IMAGINE 公司的产品，可用于液压、气压系统的建模仿真。用户可利用该软件建立复杂的多学科系统模型，从而进行深入的计算和详细的仿真分析，分析不同元器件的稳态响应及动态响应特性。该软件中包含多种可供选择的子模型，所有的模型都经过规范的测试和严格的实验证明 13。4.2 换挡气缸模型的建立4.2.1 挂奇数挡模型（a）挂奇数挡的起始位置 （b）挂奇数挡的终止位置图 4.1 挂奇数挡工作过程（1）模型分析电磁阀 、 打开， 关闭，气体进入 A、C 腔将长活塞杆向右推。4S53S在建立模型前，先分析以下内容：系统的气压作用面的个数和方向 系统中
40、可独立运动的部件的个数 确定系统的可变容积腔极为重要，因为可变容积腔直接决定了该腔的刚度，对系统的性能影响很大。系统有两个压力作用面，一个作用在短活塞杆上，一个作用在长活塞杆上。只有长活塞杆独立运动，短活塞杆保持原位置不动。A 、B 腔容积不改变，C 腔变大，D 腔减小，模型可简化成短活塞杆保持不动，只有长活塞杆运动的模型。（2）搭建模型考虑到气体容积的可压缩性，换挡过程受到换挡阻力、摩擦力，电磁阀的节流作用等因素，搭建模型如下：某 AMT 换挡执行机构优化设计18图 4.2 挂奇数挡的物理模型图4.2.2 挂偶数挡模型（a）挂偶数挡的起始位置 （b）挂偶数挡的终止位置图 4.3 挂偶数挡工作
41、过程（1）模型分析电磁阀 、 关闭， 打开，气体进入 D 腔将两个活塞杆向左推。4S53S系统有一个压力面，在长活塞杆右部。两个活塞杆都在运动。A 、C 腔容积变小，B 、D 腔变大。（2）搭建模型考虑到气体容积的可压缩性，换挡过程受到换挡阻力、摩擦力，电磁阀的节流作用等因素，搭建模型如下：某 AMT 换挡执行机构优化设计19图 4.4 挂偶数挡的物理模型图4.3 参数的选择模型搭建完后，在子模型模式中为每个图形选择第一个子模型，具体操作是选取“modelingPremier submodel”，接下来进入参数设置模式。（1）气缸输出轴所受负载气缸受到静摩擦力大小为 150N，滑动摩擦力为 1
42、00N。可认为气缸从中间位置移动 0.008m 的过程中不受换挡阻力，之后同步器工作，气缸受到的换挡阻力是线性增加的。即 0-0.008m 时受换挡阻力为 0N，0.008m 后受到换挡阻力为（x-0.008）*1500/0.0016N。（2）死区容积活塞杆压缩空气至极限位置，最终被压缩后的空气还是会占用一部分体积，这部分体积是一直存在气缸可变容积的容积腔中的，这个体积称为死区容积。由于 A 腔与端盖腔室容积相连较大，本文中的死区容积如下：A=0.11L，B=0.014L，C=0.006L，D=0.033L（3）其他参数电磁阀孔径设置为 1mm,气瓶压力设为 8bar，气瓶容积 5L，气缸直径
43、80mm，活塞杆右端直径 25mm，挂奇数挡质量块位移限制为 00.024m，某 AMT 换挡执行机构优化设计20挂偶数挡质量块位移限制为-0.024-0m，长活塞杆质量 0.579kg，短活塞杆质量 0.378kg。挂偶数挡负载质量 0.957kg，挂奇数挡负载质量 0.579kg5。4.4 仿真结果与分析参数设置完成后进入仿真模式进行动力学仿真，步长设为 0.01s，仿真时间设为 2s，查看右边气缸元件的参数变化图，挂奇数挡模型的结果如下：图 4.5 挂奇数挡运动位移图图 4.5 显示活塞杆在整个换挡过程中没有停顿，而实际上活塞杆位移到 0.008m 位置时同步器开始工作，阻止其继续位移，
44、此刻开始活塞杆的位移应停留在 0.008m 的位置。同步结束后，气缸输出力很大，负载非常小，位移应该阶跃增加到 24mm 的位置。而图中的位移是均匀增加的，不符合预期。某 AMT 换挡执行机构优化设计21图 4.6 挂奇数挡气缸输出力与负载变化图由图 4.6 可知，气缸负载在换挡过程中是线性增加的，但换挡完成后负载不应该保持 1500N。气缸的输出力在换挡完成后仍旧在增加，这增加的部分对换挡过程没有意义，应该在换挡完成前输出力达到最大值合理，因此气缸的输出力也不符合预期。由图 4.5 和图 4.6 可知，部分参数的变化过程与实际情况存在偏差，为了更好地反映事实，需要重新搭建模型。4.5 新的仿
45、真模型4.5.1 挂奇数挡模型图 4.7 新的挂奇数挡模型新模型的气压、机械部分的元件与原模型一致，只是去掉了负载部分，0-0.008m 过程中活塞杆没有负载，只有摩擦力，当活塞杆运动到 0.008m的位置时质量块被限位活塞杆不再移动，将气缸的输出力信号采集并进行运算。在实际情况中同步器开始作用后，气缸活塞杆受到抵触也是不运动的，但会持续给同步器施加一个换挡力，这个模型较好的表达了换挡过程。对于 2 挡换 1 挡，模型相应的信号处理单元的参数设置为：elect01 为 74/41*76.8/61.2，表示机构力臂的转化。elect01_2 为0.1*0.075/sin(6.5/108*PI)，
46、由 推出（各参数由第二章给出）。sinRFM某 AMT 换挡执行机构优化设计22elect01_1 为 1/0.466879/2.31/2.31，由 推出。elect02 是对各时tiJMgc2间内的角速度变化积分，constant_2 是初始角速度 ，stop 的值160kein为 x2*PI*2100/60/2.31，表示同步器完成工作后的角速度值。查看 stop 元件和右边气缸元件的参数变化图，得到同步器输入端（即与变速箱输入轴相连接的部分）角速度变化曲线和气缸输出力曲线：图 4.8 挂奇数挡输入端角速度变化图图 4.9 挂奇数挡换挡气缸输出力变化图由图 4.8 知，在 0.06s 前同
47、步器输入端角速度不发生改变，是因为活塞杆在 0.008m 内移动时不输出换挡力，之后角速度开始下降，换挡时间约为 0.45s。由图 4.9 知，气缸输出力在 0.01s 左右时有一个由静摩擦力引起的折点，之后输出力上升平缓，是因为在活塞杆的移动过程中气缸腔的容某 AMT 换挡执行机构优化设计23积在增加，进入气腔的高压气体无法产生高的压强。在 0.06s 后输出力上升很快，是由于位移到了 0.008m 时，活塞杆不再移动，气腔的容积恒定，进入的高压气体产生的压强不断增加，输出力也增加。在 0.4s 左右输出力维持在 3000N 左右，是因为压强达到了 8bar 的最大值不再增加。同步过程结束时
48、，气缸输出力达到 3000N 时换挡阻力非常小，可以忽略活塞杆从0.008m 位置移动到 0.024m 的作用时间。4.5.2 挂偶数挡模型图 4.10 新的挂偶数挡模型偶数挡的参数与奇数挡的设置基本相同，略有更改，elect01_1 改为1/0.466879/1.75/1.75，constant_2 改为 2*PI*2100/60/1.29，stop 改为x2*PI*2100/60/1.75。查看 stop 元件的参数变化，得到相应曲线：某 AMT 换挡执行机构优化设计24图 4.11 挂偶数挡输入端角速度变化图由图 4.8 和图 4.11 比较可知，挂奇数挡的换挡时间更长，若奇数挡的换挡时间达到要求，则偶数挡也会满足要求，将挂奇数挡的过程进行优化即可。某 AMT 换挡执行机构优化设计255 对机构进行优化气缸直径、电磁阀通道面积、气源压强是影响机构
