[发明专利]一种基于同步过程的同步器参数化仿真模型构建方法

摘要

本发明公开了一种基于同步过程的同步器参数化仿真模型构建方法，为方便、准确实现同步器性能多目标参数最优设计，根据同步过程每个运动阶段的特点，将同步过程分解成一个线性连续的子系统。本发明将同步器工作过程分为七个运动阶段，针对不同的运动阶段，搭建相关运动状态数学模型、几何结构关系物理模型。本发明不需随结构设计参数更改反复重建几何模型，便可通过仿真分析方法获得设计参数对同步性能影响的可视化实时仿真结果；方便同时进行多参数与单参数筛选设置，可提高参数优选设计效率、减少性能试验修正工作量，降低产品开发成本。

主权项

一种基于同步过程的同步器参数化仿真模型构建方法，其特征在于，根据同步器每个运动阶段各零部件运动位置几何关系和接触件之间的受力关系，将复杂的同步器换挡工作过程，细化分解为七个运动阶段；针对不同的运动阶段，搭建相关运动状态数学模型、几何结构关系物理模型，借助于ADAMS仿真分析软件自带的内部过程函数，共同描述同步器在不同运动阶段中，各零件运动过程状态与相互作用力及形变的关系，构成同步过程完整受力与运动关系模型,所述的七个运动阶段分别为：(A)空转阶段：空档时，在惯性作用下，同步器花键毂带动接合套，接合套带动锁环转动；此时接合套、锁环与接合齿圈未接触，将花键毂带动接合套与锁环空转，接合套不承受换挡力的阶段定义为空转阶段；采用ADAMS内部过程函数—BISTOP，建立花键毂带动接合套、接合套带动锁环的运动模型：BISTOP(x,dx,x1,x2,k1,e,Cmax,d1)     (1)式(1)中：x—花键毂与接合套轴向位移变量，dx—花键毂与接合套间的轴向速度，x1,x2—花键毂与接合套轴沿圆周方向的角位移量，k1—花键毂与接合套之间的刚度系数，e—花键毂与接合套的碰撞指数，Cmax—阻尼系数，d1—接合套与锁环切入深度；(B)预同步阶段：在换挡力的作用下，接合套向着待接合齿轮齿圈方向产生轴向移动，以消除锁环与待接合齿轮齿圈的间隙；同时接合套移动钢球，滑块将力传递给锁环，在摩擦力矩的作用下，锁环同时相对于输出端转过相应的角度；将这种接合套向锁环轴向移动，锁环周向转动，但两者尚未接触的阶段，定义为预同步阶段；建立锁环与花键毂运动与受力关系数学模型：F1＝k2d2+c1v1    (2)式(2)中：F1—锁环轴向力，k2—锁环与花键毂之间的刚度系数，d2—锁环和花键毂之间的轴向距离，c1—锁环和花键毂之间的阻尼系数，v1—锁环相对花键毂的轴向转动速度；(C)锁止阶段：接合套滑移至接合齿锁止面，并与锁环接合齿锁止面相互接触阶段，定义为锁止阶段；以表示锁环与接合套的几何结构关系的物理模型为基础，建立锁环与接合套接触轴向碰撞受力关系数学模型：F2＝k3d3     (3)式(3)中：F2‑锁环与接合套轴向碰撞力，k3—接合套与锁环之间的刚度系数；d3—接合套与锁环之间的切入深度；(D)同步阶段：锁环与待接合齿轮接合齿圈摩擦锥面之间产生了一个摩擦力矩，该摩擦力矩会使得两者的转速差逐渐缩小，直到与接合套和锁环接合齿之间接触力产生的拨环力矩逐步相等时，接合套与锁环转速相同，锁环压紧接合齿圈；这种接合套与锁环之间角速度差为零的过程，定义为同步阶段；这种接合套与接合齿轮转速相同的阶段，定义为同步阶段；根据同步力矩的传递关系，建立锁环对接合齿圈扭矩传递关系数学模型：Tf=2πarctan(ω1ω2)μF3Rsinα---(4)]]>式(4)中：μ、F3、R和α均是设计参数，可通过设计变量创建；Tf‑同步力矩；μ—锁环和接合齿圈之间的摩擦锥面摩擦系数；F3—锁环和接合齿圈之间的轴向力；R—摩擦锥面平均作用半径；α—锥面半锥角；ω1—锁环和接合齿圈之间的角速度差，可由ADAMS内部的测量函数WZ获得；ω2—是一个为测量ω1时设定的基准点，用于改变曲线斜率的附加值；其中接合齿圈对锁环轴向作用力F3的数学模型为：F3＝k4d4+c2v2     (5)式(5)中：k4—锁环与接合齿圈锥面之间的刚度系数，d4—锁环和接合齿圈之间的轴向距离，c2—锁环和接合齿圈之间的阻尼系数，v2—锁环相对接合齿圈的转动角速度差；(E)空运行阶段：接合套拨正锁环后穿过锁环，从接合套的接合齿锁止面与锁环接合齿的锁止面分离开始，到接合套的接合齿与接合齿圈的接合齿接触为止，这个阶段定义为换挡过程中的空运行阶段；ADAMS/View软件内部的双侧碰撞函数BISTOP，可准确描述两个物体共同转动的运动状态，利用BISTOP建立接合套带动锁环向接合齿圈靠近过程中随着接合套转动的运动状态模型：BISTOP(x',dx',x1',x2',k1',e',Cmax',d1')    (6)式(6)中：x'—实测锁环与接合套两个接触体之间角位移变量，dx'—测量锁环与接合套所取参数点之间角速度差，x1'、x2'—锁环、接合套沿圆周方向的角位移量，k1'—锁环与接合套接触刚度系数，e'—接合套与接合齿圈的碰撞指数，Cmax'—接合套向接合齿圈运动阻尼系数，d1'—计算时设置的接合套与接合齿圈的接合齿初始切入深度；(F)二次冲击阶段：接合套与接合齿圈啮合前，由于接合套与接合齿圈的接合齿之间存在一定的轴向和圆周方向的速度差，两者在接触的瞬间会产生碰撞，将产生这种换挡冲击阶段定义为二次冲击阶段；以表示接合套与接合齿圈几何结构关系的物理模型为基础，建立描述接合套与接合齿圈之间二次冲击力的数学模型：F4＝k5h+c3v3     (7)式(7)中：k5—接合套与接合齿圈接触刚度系数，h—接合套与接合齿圈几何结构物理模型构造的位移值，当接合套与接合齿圈同向旋转时，h等于h1，其值由式(8)求得；当接合套与接合齿圈反向旋转时，h等于h2，其值由式(9)求得；v3—接合套相对接合齿圈转动角速度差；c3—接合套与接合齿圈接合齿接触阻尼系数；借助于ADAMS仿真分析软件自带函数，搭建同步器二次冲击仿真模型：h1=[(1-ϵ)p-Ld+dPF]2+(hd-dB)2×cos[Ld-arctan(hd-dB(1-ϵ)p-Ld+dPF)]---(8)]]>h2=(ϵp-Ld-dPF)2+(hd-dB)2×cos[β-arctan(β-hd-dBϵp-Ld-dPF)]---(9)]]>式(8)和(9)中：ε、p、β、Ld和hd都是设计参数，ε—0～1的随机数；p—两个结合之间纵向距离；Ld—结合套结合齿齿厚的一半；β—锁止角；hd—接合齿圈结合齿径向长度；dPF和dB是通过ADAMS仿真分析软件测量函数AZ和DZ测量得到的状态变量，其中dPF＝Rθ,R—接合齿的工作半径，θ—函数AZ测量的圆周角速度差值，dB—齿套的轴向移动距离；(G)换挡结束阶段：接合套的接合齿与接合齿圈相互接触，直到两接合齿完全啮合，将换挡完成阶段定义为换挡结束阶段；运用ADAMS/View软件内部的双侧碰撞函数BISTOP，建立接合套带动接合齿圈转动的运动状态模型：(x”,dx”,x1”,x2”,k1”,e”,Cmax”,d1”)    (10)式(10)中：x”—接合套与接合齿圈转动角位移变量，dx”—接合套与接合齿圈间的轴向速度，x1”、x2”—接合套、接合齿圈沿圆周方向的角位移量，k1”—花键毂与接合齿圈之间的刚度系数，e”—接合套与接合齿圈的碰撞指数，Cmax”—接合套与接合齿圈运动阻尼系数，d1”—接合套与接合齿圈切入深度。