同步器建模与仿真方法对比研究

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】
ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ
ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎ０１０９），ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｂａｓｅ
ｏｎ
ｉｎｔｏ ｔｈｒｅｅ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ：ｍｅｔｈｏｄ
ｏｎ
ｓｉｍｐｌｅ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ， ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ
同步器被动部分总转动惯量；Ｍ。为转换至同步器
合齿啮合６阶段（如图２所示），再运用经典力学、 摩擦学和热力学理论分阶段进行数学描述，从而
求得同步器在各阶段的换档阻力。
主动部分的离合器阻力矩；Ｍ。为锥面摩擦力矩，即
同步力矩；Ｍ。为转换至同步器被动部分总阻转矩 （包括行速阻力等）；毋，为同步器主动部分角速度； 旁。为同步器被动部分角速度。
ｆｂ珊
ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｄｉ｛ｂｃｕｌｔｙ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
ｃａｎ
Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔ
ｂｅ
ａ
ｇｕｉｄｅｌｉｎｅ ｆｂｒ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ａｐｐｍｐｒｉａｔｅ ｍｅｔｈｏｄｓ．
【关键词】
不能被接受
基本满足｝大部分满足
可接受
完全满足 优先选用
基于虚拟 样机技术
３ ２ ２ ２ ２．２５ ３ ３ ５ ３ ３．５ ５ ４ ４ ３ ５ ４．２
机理分析
３ ３ ３ ３ ３ ５ ４ ５ ５ ４．７５ ４ ４ ３ ５ ３ ３．８
对建模参数依赖小
根据１．１、１．２、１．３节分析，基于简化模型的 建模方法仅能对同步阶段进行仿真；基于分阶段 机理分析的建模方法能对同步过程的各阶段进行
都可以调整约束或参数解决。但由于同步器的仿
真分析由ＡＤＡＭＳ等软件完成，这种“黑箱”性虽 不影响仿真结果的可靠度与可信度，但不便于研 究者对同步器展开更深层次机理研究。
２
同步器建模与仿真分析方法对比
分析
从同步器建模与仿真方法的现状与总结中可
见，上述３类同步器建模与仿真方法具有各自的 适用条件和使用利弊。为了量化地评价３种建模 方法、进一步体现方法之间的差异，在定性分析的 基础上，引入打分机制进行量化比较。分数越高，
性。
基于简化模型的数学建模方法简单有效，其
缺点在于只能研究同步器同步阶段关键性能指 标，无法准确反应同步器瞬态特性，具有较大的局 限性。 １．２基于分阶段机理分析的数学建模与仿真方 法
亦有研究将同步器工作过程进一步分解为： 第一次自转、角速度同步开始、角速度同步、拨动 锁环、第二次自转、二次冲击、拨动结合齿，最后自
ｏｎ
ｓｔａｇｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
Ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｆｏｒ ａｌｌ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏ－
ａｒｅ
ｇｒｅｓｓ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ
ｐｒｅｓｅｎｔ．
Ａ１ｓｏ，ｑｕａｎｔｉｆｉａｂｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ
模型通用性好 模型真实性 模型继承性好 总体评价（平均分） 能进行同步器设计与优化 能进行性能指标分析、验证 仿真可行性好噪声与冲击 能验证并优化同步器控制策略 能进行耐久与磨损分析 总体评价（平均分）
领域
表２不同建模方法对同步器工作过程的 仿真分析能力比较
模型分析能力 仿真可行性好 滑块移动阶段 模型误差小 仿真可行性好 模型误差小 同步环拨正阶段 仿真可行性好 模型误差小 穿过同步环阶段 模型误差小 结合齿拨正阶段 齿套与结合齿 啮合阶段 仿真可行性好 模型误差小 仿真可行性好 模型误差小
挂档过程
呦燃一— 黝一 黼～
１ ２ ３
滑块 滑动
同步
同步 环拨止
｝齿
，轮趾
殴
上述简化模剖｛ｉ受技术参数的计算公式：没 同步力矩为Ｍ。，可求得同步时间为
ｆ一 ～
蠡訾
图２
、１。
同步器换档过程阶段划分及所受阻力
竺型！！！ｆ！二！！
±Ｍ
ｒ
１、
ｓ（ｊ。＋Ｊ ｃ１一Ｍ ＮＪ
ｃ＋Ｍ
ｃＪ
Ｎ
由图２可见，同步器换档中受到的阻力主要
式中：∞ｉ。为输入端初始角速度；∞。。，为输出端同步 开始时的初始角速度。
有研究指出，在计算同步时间等同步器关键 参数的时候，可假设同步的过程中阻力矩和摩擦
力矩均为常数，这为计算的简化提供了便利。
邻档位切换的换档阻力变化曲线。其研究表明： 换档阻力主要取决于同步力的大小，而这也印证 了采用１．１节中简化模型数学建模方法的合理
转等８个阶段。针对这８个阶段，分别建立了同 步器的数值仿真模型，其仿真结果与实验数据非 常吻合。与此同时，由于增加了二次冲击阶段，该 模型能对二次冲击进行细致的研究。这表明，在 保证模型精度的前提下，阶段划分的越细，对其动
基于分阶段机理分析的数学建模与仿真方
法，重点着眼于同步器的动态特性。该方法首先 将同步器工作工程进行细分，再对不同阶段分别
收稿日期：２叭４一０３一１２
・２０・
上海汽车２０１４．０５
万方数据
圈的双锥面模型，可推导出基于该简化模型的同
步器数学方程，进而进行仿真分析。图中，－，。为转
对于同步器工作过程，有众多细分方法。较 常见的是将其工作过程细分为：滑块滑动、同步、 同步环拨正、穿过同步环、结合齿拨正、齿套与结
换至同步器主动部分的总转动惯量；‘，。为转换至
同步器变速器汽车仿真对比分析
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１∞７＿４５５４．２０１４．０５．０５
本文比较分析了不同同步器建模与仿真方法的适 Ｏ
引言
同步器是变速器的关键部件，其运动学和动
用条件和使用利弊，并采用打分机制，从建模精 度、建模难度、模型性能与应用范围等多维度对其 进行了量化对比，为选用合适的同步器建模与仿
有带排阻力、拨叉轴自锁阻力、齿套空档自锁阻 力、同步力、花键接触面摩擦阻力、抵触阻力等。
式中：７为同步器传动比，同步力矩肘。前的正号用 于升档而负号用于降档。
ｙ＝∞ｉ。／∞。
（２）
换档时各个阻力在时间上有重叠，但其峰值并不
同时出现。 已有文献采用上述“６阶段”划分方法，分析 了换档阻力在换档过程中的变化趋势，得到了相
的方法。近年来，随着建模与仿真技术的不断发
差异、锁止、同步等诸多方面，其建模与仿真，特别 是动态过程的建模与仿真存在较大难度。目前， 国内外常用的同步器建模与仿真方法归纳起来，
展，通过计算机对同步器的运动学和动力学特性
进行仿真分析，逐渐成为同步器研究热点之～。
２０世纪６０年代末期，Ｓｏｃｉｎ等推导了同步器
提交动力学分析
参考ＡＤＭＡＳ分析结果，改变模型格式，导入 ＡＮＳＹＳ中进行有限元结构分析、优化与校核
磊果满ｉ二＞—』 、—／
ｌ是
Ｖ
影响因素，在同步器零件设计与优化领域上，也
略显不足。 为克服上述不足，自２０世纪９０年代以来，虚 拟样机技术被广泛应用到同步器的仿真分析中， 在同步器优化设计阶段应用尤为广泛，现有研究 使用ｕＧ或Ｐｍ．Ｅ等软件构建准确的模型几何体，
总体评价（平均分）
建模难度、模型性能和模型的应用范围也是
技术人员的专业知识储备，建模难度最高，但其能 对同步器的物理特性及工作过程进行最深入的分
影响建模的重要因素，如果能够从建模难度、模型
进行机理分析，建立其数学模型并进行仿真研究。
上海汽车２０１４．０５
・２１・
万方数据
态特性的模拟越好；同时，可根据研究需要，改变 阶段的划分。
用Ｐｒｏ．Ｅ或ＵＧ建立三维模型
与基于简化模型的数学建模与仿真方法相 比，基于分阶段机理分析的方法能相对完整的仿 真整个同步过程，尤其适用于同步器动态特性的
研究。其缺点是对建模参数依赖很大，且要求建 模与仿真者对同步器有相当专业的了解。 １．３基于虚拟样机技术的建模与仿真方法
同步器建模与仿真方法对比研究
叶兴成
向 可 （上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海２０１８０４）
【摘要】
将国内外同步器建模与仿真方法归纳总结为３类：基于简单数学模型的方法、基于分阶段机理
分析的方法及基于虚拟样机技术的方法。详细阐述了３类方法的基本原理、研究进展及各自优缺点；从建模精 度、建模难度、运算速度、应用范围等多维度对３类方法进行了量化对比分析，为选用合适的同步器建模与仿真 方法提供了参考。
表明相关性能越好。评分标准如表１所示。
・２２・
上海汽车２叭４．０５
万方数据
表ｌ
１ ２
建模与仿真方法评分标准
３ ４ ５
表３
应用
项目
同步器建模与仿真分析方法应用情况比较
应用情况 基于简 基于分阶段 化模型
３ ４ ３ ５ ３．７５ ５ ４ ２ ２ ３．２５ ２ ２ １ ｌ １ １．４
ｌ非常不满足ｌ部分不满足
再使用ＡＤＭＡｓ进行同步器动力学仿真。如需进
行参数优化，还可采用ＡＮＳＹＳ软件进行有限元分
析。其基本流程如图３所示。
国内外已有相关文献阐述了运用ＡＤＭＡＳ软
件分析了同步器工作过程中各零部件的运动学与
动力学特性，并分析了不同换档速度及摩擦参数 对同步器同步过程的影响。相关研究类型与结果 简述如下：运用ＡＤＡＭＳ软件建立同步器的多刚体 运动学模型，以模拟同步器的锁止和同步过程，并 分析换档力和输入轴转动惯量等参数对同步器同 步过程的影响；采用Ｐｒｏ—Ｅ和ＡＤＡＭＳ联合建模方 式，在实现同步器动力学模型完整功能的基础上， 建立手动变速器换档过程的动力学模型。使用 ＡＤＭＡＳ对换档过程各阶段进行仿真分析，得到换 档力和换档位移的关系；使用ＡＤＭＡｓ对不同摩擦 锥面半锥角和锁止角下的同步时间和二次冲击力 进行仿真分析，得出了缩短同步时间和减小二次 冲击力的有效措施。
ｌ ｌ Ｉ ｌ １ １．５
Leabharlann Baidu
基于简 基于分阶段 基于虚拟 化模型
ｌ ｌ ４ ４ ｌ ｌ ｌ
机理分析
４ ４ ４ ４ ４ ４ ４ ４ ４ ４ ４ ４ ４
样机技术
３ ３ ４ ４ ３ ３ ３ ３ ３ ３ ３ ３ ３．１７
将上述所有比较分析评价指标集中考虑，如
图４所示。由图可知，采用简化模型的数学建模
方法最为简洁，但建模过程中仅考虑同步器同步 阶段，只适用于计算同步时间、同步力矩等少量技 术指标的研究。而基于虚拟样机技术的建模与仿
同步阶段
仿真可行性好
真方法，可以借助计算机软件，对同步器的工作过
程进行模拟，并且可以根据需求改变外部约束，研
究不同同步器参数或不同换档策略对同步器乃至
换档性能的影响，因而得到了较广泛的使用，但其 分析由软件自动完成，缺乏对其内部机理的深入 研究。而基于机理分析的分阶段建模与仿真分析 方法，由于其依赖模型参数的完备与准确度，以及
建模 难度
建模参数获取难度小 对专业知识要求低 模型复杂程度低 总体评价（平均分） 运算速度高 模型
性能
仿真分析，且仿真误差小；基于虚拟样机技术的建 模方法也能对同步各阶段进行仿真，但模型误差
大于基于分阶段机理分析的建模方法。针对３类 方法对同步器工作过程的仿真分析能力量化比 较，评分如表２所示。
应用
优化完成
）
图３基于虚拟样机技术的同步器建模与仿真流程
与基于数学建模的同步器仿真方法相比，基 于虚拟样机技术的同步器建模与仿真，是一种“物 理化”的建模方法，其优势在于：（１）由于利用 ＣＡＤ技术建立与物理样机一致的数字化仿真模 型，１．１与１．２节中难以确定的转动惯量等参数不 再成为问题；（２）同步器工作中所受到的各种阻力
力学特性关系到变速器乃至整车性能的发挥。同
步器的主要研究领域有：（１）同步器设计与优化；
真方法提供了参考。
１
（２）同步器性能指标的分析与验证；（３）同步器噪
声与冲击；（４）同步器控制策略；（５）同步器耐久与
同步器建模与仿真方法的现状
同步器工作过程涉及力、力矩、摩擦、动静态
磨损等。传统的同步器研究多采用搭建实验台架
同步与锁止过程的数学方程；２０世纪９０年代以 来，Ｍａｔｌａｂ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ、ＡＤＭＡＳ及ＡＭＥｓｉｍ等软件被 陆续引入到同步器运动学和动力学特性仿真中。
主要有基于简化数学模型、基于分阶段机理分析
及基于虚拟样机技术３类。
１．１
基于简化模型的数学建模与仿真方法 通过将同步器简化为如图１所示的锁环与齿
添加约束或驱动
施加外部作用力
转换成ＡＤＭＡｓ机构模型
上述两类同步器建模与仿真方法，其思路 均是根据同步器的工作原理，或简化或分阶段， 运用经典力学、摩擦学和热力学等理论推导其 数学方程，进而利用如Ｍａｔｌａｂ等计算机仿真软
件搭建仿真模型并进行仿真分析。其共同的缺 点在于：基于数学建模的仿真分析，难以仿真同 步器各部件的弹性变形、磨损等与材料相关的