汽车变速器换挡轴三角形滑槽优化设计方法与流程

本发明涉及一种汽车变速器直轴滑槽优化设计方法，尤其是一种汽车变速器直轴滑槽优化设计方法。

背景技术

在汽车产业中，变速器换挡性能的优劣直接影响汽车的燃油经济性、换挡平顺性和乘坐舒适性等性能。换挡过程控制的主要目的是为了增加换挡的平顺性使驾驶更加舒适，减少传动系的动载荷,增加零件的使用寿命，减少离合器摩擦片热负荷，提高离合器的工作可靠性和耐用性，减小换挡时产生换挡冲击，动力中断等换挡不平稳现象。换挡的过程通常是一个结合元件结合,另一个结合元件分离的过程。如果这两个结合元件的分离和结合的时间不当会造成换挡不平稳,搭接过早会造成动力千涉,过晚会产生动力中断，换挡元件的分离和结合需要机械和控制系统的有效配合，但是，目前的操纵系统存在结构复杂，操纵时间难以精确的控制的问题。本发明利用直轴滑槽式换挡装置实现机械式换挡程序性操作，减少驾驶人员的操纵工作量，提高燃油的经济性，还可广泛应用于车辆变速器的自动控制工作。换挡设计中，需要考虑换挡轴驱动力矩、拨叉滑动轴摩擦力、换挡轴直径、换挡轴向力等因素。换挡轴滑槽结构对换挡平顺性有着直接的影响，但是设计直轴滑槽需要考虑多个参数变量，如何求出最佳的参数变量组合还是换挡轴滑槽结构需要解决的问题之一。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种直轴滑槽式换挡装置滑槽尺寸的优化设计方法，其结构模型图如图1-图5所示。

直轴滑槽式换挡装置由拨叉系统和换挡驱动系统组成。拨叉系统由拨叉轴、拨叉和拨叉滑动轴组成，拨叉轴为等截面圆形直杆，两端与变速箱壳体固定连接，表面光滑，拨叉通过拨叉孔与拨叉轴连接，拨叉可以沿着拨叉轴轴向方向左右移动；拨叉滑动轴为等截面圆形直杆，表面光滑，一端与拨叉固定连接，另一端嵌入曲面滑槽换挡块滑槽并与曲面滑槽换挡块滑槽侧面接触。换挡驱动系统由换挡驱动轴和换挡驱动轴驱动齿轮组成，换挡驱动轴两端通过轴承与变速箱壳体连接，曲面滑槽换挡块与换挡驱动轴固结，换挡驱动轴驱动齿轮与换挡驱动轴固结。

曲面滑槽换挡块滑槽由直线滑槽部分和曲线滑槽部分组成，当离合器断开，换挡驱动轴从空挡位置顺时针转动时，曲面滑槽换挡块随着换挡驱动轴旋转，曲面滑槽换挡块驱动拨叉滑动轴产生右向的轴向位移，拨叉滑动轴推动与其固结的拨叉产生右向的轴向位移，拨叉推动结合套产生右向的轴向位移，该位移等于换挡拨叉换挡间距与齿轮啮合间距和时，完成换挡动作，离合器闭合。

本发明所提供的滑槽轨道优化设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)建立曲面滑槽换挡块滑槽动力学模型：

设计曲面滑槽换挡块滑槽驱动结构要确定滑槽结构的尺寸参数与形状，这些参数的变化直接影响换挡流畅性。将曲面滑槽换挡块滑槽轨道设计为三角形形状，换挡驱动轴旋转一周需要挂五个档位，分别是一至四挡和空挡档位，曲面滑槽换挡块的周长是2πr，每个档位曲面滑槽换挡块滑槽底边ac长度为曲面滑槽换挡块周长的五分之一，所以曲面滑槽换挡块滑槽底边的长度为2πr/5，换挡驱动齿轮作用于换挡驱动轴的驱动扭矩为

式中，r是曲面滑槽换挡块的半径，h为曲面滑槽换挡块滑槽的高度，μ是拨叉滑动轴与曲面滑槽换挡块滑槽侧面间的摩擦系数，fy是拨叉对换挡驱动轴产生轴向力。计算在不同设计参数情况下的换挡驱动轴的驱动扭矩数值，确定曲面滑槽换挡块滑槽的尺寸参数，设计曲面滑槽换挡块滑槽的形状。

(2)建立曲面滑槽换挡块滑槽最佳形状的优化设计目标函数j：

根据步骤(1)中所建立的曲面滑槽换挡块滑槽系统的动力学模型，以曲面滑槽换挡块半径和曲面滑槽换挡块滑槽高度为设计变量，建立曲面滑槽换挡块半径和曲面滑槽换挡块滑槽高度最佳的优化设计目标函数j，即

j＝m；

(3)建立曲面滑槽换挡块滑槽最佳形状的约束条件：

根据步骤(1)中所建立的曲面滑槽换挡块滑槽系统的动力学模型，曲面滑槽换挡块半径和曲面滑槽换挡块滑槽高度为设计变量均为正值，并且在合理的设计范围内，即

h≥0，h≤0.08；r≥0，r≤0.08；

为了计算合理的优化计算参数，令曲面滑槽换挡块滑槽高度和曲面滑槽换挡块滑槽底边长度符合黄金分割法则，即

h＝0.618*2πr/5；

(4)曲面滑槽换挡块半径和曲面滑槽换挡块滑槽高度的优化设计：

根据步骤(1)中所建立的曲面滑槽换挡块滑槽系统的动力学模型，利用优化算法求步骤(2)中所建立优化设计目标函数j的最小值，以步骤(3)建立的曲面滑槽换挡块滑槽最佳形状的约束条件，计算所对应的设计曲面滑槽换挡块半径和曲面滑槽换挡块滑槽高度的最佳设计变量。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.设计曲面滑槽换挡块半径和曲面滑槽换挡块滑槽高度的最佳设计变量，提供最小的换挡驱动齿轮作用于换挡驱动轴的驱动扭矩。

2.直轴滑槽式换挡系统能有效降低拨叉滑动轴与曲面滑槽换挡块滑槽侧面间的摩擦损耗，延长换挡系统的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

附图1汽车变速器直轴滑槽式换挡结构示意图；

附图2汽车变速器直轴滑槽式换挡轴与曲面滑槽换挡块结构示意图；

附图3拨叉与拨叉滑动轴示意图；

附图4曲面滑槽换挡块三角形滑槽形状图；

附图5曲面滑槽换挡块三角形滑槽结构示意图。

1、拨叉轴，2、拨叉，3、拨叉滑动轴，4、换挡驱动齿轮，5、曲面滑槽换挡块，6、换挡驱动轴

具体实施方案

下面结合附图1至图5对本发明进一步说明：

直轴滑槽式换挡装置由拨叉系统和换挡驱动系统组成。拨叉系统由拨叉轴1、拨叉2和拨叉滑动轴3组成，拨叉轴1为等截面圆形直杆，两端与变速箱壳体固定连接，表面光滑，拨叉2通过拨叉孔与拨叉轴1连接，拨叉2可以沿着拨叉轴1轴向方向左右移动；拨叉滑动轴3为等截面圆形直杆，表面光滑，一端与拨叉固定连接，另一端嵌入曲面滑槽换挡块5滑槽并与曲面滑槽换挡块5滑槽侧面接触。换挡驱动系统由换挡驱动轴6和换挡驱动轴驱动齿轮4组成，换挡驱动轴6两端通过轴承与变速箱壳体连接，曲面滑槽换挡块5与换挡驱动轴6固结，换挡驱动轴驱动齿轮4与换挡驱动轴6固结。

曲面滑槽换挡块5滑槽由直线滑槽部分和曲线滑槽部分组成，当离合器断开，换挡驱动轴6从空挡位置顺时针转动时，曲面滑槽换挡块5随着换挡驱动轴6旋转，曲面滑槽换挡块5驱动拨叉2滑动轴产生右向的轴向位移，拨叉滑动轴3推动与其固结的拨叉2产生右向的轴向位移，拨叉2推动结合套产生右向的轴向位移，该位移等于换挡拨叉换挡间距与齿轮啮合间距和时，完成换挡动作，离合器闭合；

本发明所提供的滑槽轨道优化设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)建立曲面滑槽换挡块5滑槽动力学模型：

设计曲面滑槽换挡块5滑槽驱动结构要确定滑槽结构的尺寸参数与形状，这些参数的变化直接影响换挡流畅性；将曲面滑槽换挡块5滑槽轨道设计为三角形形状，换挡驱动轴6旋转一周需要挂五个档位，分别是一至四挡和空挡档位，曲面滑槽换挡块5的周长是2πr，每个档位曲面滑槽换挡块5滑槽底边ac长度为曲面滑槽换挡块5周长的五分之一，所以曲面滑槽换挡块5滑槽底边的长度为2πr/5，换挡驱动齿轮4作用于换挡驱动轴6的驱动扭矩为

式中，r是曲面滑槽换挡块5的半径，h为曲面滑槽换挡块5滑槽的高度，μ是拨叉滑动轴3与曲面滑槽换挡块5滑槽侧面间的摩擦系数，fy是拨叉2对换挡驱动轴6产生轴向力；计算在不同设计参数情况下的换挡驱动轴6的驱动扭矩数值，确定曲面滑槽换挡块5滑槽的尺寸参数，设计曲面滑槽换挡块5滑槽的形状；

(2)建立曲面滑槽换挡块5滑槽最佳形状的优化设计目标函数j：

根据步骤(1)中所建立的曲面滑槽换挡块5滑槽系统的动力学模型，以曲面滑槽换挡块5半径和曲面滑槽换挡块5滑槽高度为设计变量，建立曲面滑槽换挡块5半径和曲面滑槽换挡块5滑槽高度最佳的优化设计目标函数j，即：

j＝m；

(3)建立曲面滑槽换挡块5滑槽最佳形状的约束条件：

根据步骤(1)中所建立的曲面滑槽换挡块5滑槽系统的动力学模型，曲面滑槽换挡块5半径和曲面滑槽换挡块5滑槽高度为设计变量均为正值，并且在合理的设计范围内，即

h≥0，h≤0.08；r≥0，r≤0.08；

为了计算合理的优化计算参数，令曲面滑槽换挡块5滑槽高度和曲面滑槽换挡块5滑槽底边长度符合黄金分割法则，即

h＝0.618*2πr/5；

(4)曲面滑槽换挡块5半径和曲面滑槽换挡块5滑槽高度的优化设计：

根据步骤(1)中所建立的曲面滑槽换挡块5滑槽系统的动力学模型，利用优化算法求步骤(2)中所建立优化设计目标函数j的最小值，以步骤(3)建立的曲面滑槽换挡块5滑槽最佳形状的约束条件，计算所对应的设计曲面滑槽换挡块5半径和曲面滑槽换挡块5滑槽高度的最佳设计变量。

算例1.拨叉滑动轴3与滑槽间的摩擦系数为0.2和轴向力为50n时，优化计算的到h＝0.062m，r＝0.08m，换挡驱动轴驱动扭矩最小值为3.73nm；

算例2.拨叉滑动轴3与滑槽间的摩擦系数为0.1和轴向力为50n时，优化计算的到h＝0.062m，r＝0.08m，换挡驱动轴驱动扭矩最小值为3.06nm；

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则内，所作的任何修改、等同替换以及改进，均应包含在本发明所述的保护范围之内。