张发勇，郭增钢

(陕西法士特集团公司 汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119)



变速器操纵装置气路控制参数的优化设计研究

张发勇，郭增钢

(陕西法士特集团公司 汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119)

摘要：以一种汽车变速器操纵装置气路控制机构的原理及工作过程出发，研究其设计的基本方法，用其准确的数学物理模型进行描述，并借助matlab软件进行参数的优化设计。在参数的优化设计过程中，研究其设计的基本规律和相关参数与目标功能参数之间的关系，并指出了在进行该类机构的设计过程中特别需要注意的事项。

关键词：变速器；气路控制参数；优化设计

0引言

随着机械优化设计技术和CAD技术的飞速发展,各种优化设计方法和工具性软件不断涌现,这些为在实际工作中做出最佳的设计提供了可能。现以一款汽车多档位主副箱复合式变速器操纵装置的气路控制参数的设计入手，通过对其工作过程精确建模，并利用matlab软件所提供的丰富工具进行优化设计，选择最优的参数，使气路控制系统工作更可靠，性能更优异。同时，总结了该类结构的一些设计方法和技巧[1，2]。

1操纵装置气路控制系统的工作原理

图1为某8档变速器的档位图，其操纵装置的具体实现方式如图2所示。

图1　某8档变速器单H操纵的档位图

在图2中，压缩空气经空气滤清调节器L调节后，以670~710KPa的压力进入主气路M，并到达气路控制阀B的进气侧，由气路控制阀B控制压缩气体是否可以通过气管A到达单H阀C的进气侧。在气路控制阀B的进气侧有一条红色气管，压缩空气经红色气管进入手柄G。手柄G上设置的高低档控制开关，控制压缩气体是否可以通过黑色气管进入单H阀C的控制气口侧。

图2　变速器单H操纵的原理图

当进行高低档位区的切换时(如5档降4档)，驾驶员在变速器的5档时先将高低档开关置于低档区位置，此时，单H阀C的控制侧的压力使得单H阀C的进气管路接通换档气缸D的低档进气管路E，同时将气缸D高档侧的压缩气体通过单H阀C排入大气，为副箱高低档位区的转换做好准备。但由于此时变速器的主箱仍处于挂档状态，气路控制阀B处于截止状态，主气路M的压缩气体无法通过截止阀B，所以副箱不进行转换。然后，驾驶员将变速器从5档摘至空档，此时，气路控制阀B导通，压缩气体经气管A、单H阀C及低档进气管E进入副箱气缸D的低档侧，使得副箱高低档同步器从高档挂向低档，从而使得变速器进入低档区。这时，驾驶员再将变速器挂入4档，气路控制阀再次处于截止状态，从而完成了从高档区向低档区的转换。低档区向高档区转换时，与上述过程相似，不再赘述。

图3所示为气路控制阀B的作用原理图。图示位置为变速器处于空档时的状态，此时，气路控制阀B的柱塞处于拨头2的V型凹槽内，气路控制阀导通。当变速器挂入某一档位后，拨头2绕其轴心旋转一定的角度，此时拨头将气路控制阀B的柱塞顶出V型槽，气路控制阀截止。

图3　气路控制阀的作用原理图

2单H操纵装置存在的问题引出及探讨

虽然上述操纵装置在原理上可以实现设定的功能，但是仍然存在一定的设计隐患。接上文(当进行5档降4档操作时)，驾驶员在5档档位时，将手柄G上的高低档预选开关置于低档区位置，此时单H阀C将副箱进行高档降低档的气路已经准备好。驾驶员在换档的过程中，气路控制阀B的柱塞从拨头2的圆弧面向V型槽滑落的过程中肯定存在一点，在这一点气路控制阀B的将开始导通，即此时将开始有压缩气体经单H阀C进入副箱气缸D，副箱开始高低档位区的转换。但此时拨头2尚未到达空档位置，此时进行副箱高低档位区的切换将造成由于主箱仍处于挂档状态使得副箱同步器的同步惯量大大增加，超出同步器的承受能力，造成转换过程中的滑套撞击声和副箱同步器摩擦材料的早期损坏。

为避免上述问题，需要对气路控制阀B的导通行程m、柱塞球头半径r、拨头2的圆弧半径R、V型槽的角度β进行合理的设计。

3气路控制模型的建立

将图3所示的气路控制阀B的作用原理图简化为图4所示的形式。图中m、r、R、β如上文所述，L为气路控制阀B的安装面距离拨头旋转轴线的距离，A为气路控制阀即将导通时其柱塞的伸出长度，点(x0,y0)为拨头2处于空档位置时柱塞球头与V型槽斜面的接触点，点(x1,y1)为气路控制阀B导通瞬间柱塞球头与V型槽斜面的接触点在拨头回到空档位置后在图示坐标系中的对应点。

图4　气路控制阀作用原理简化图

根据图4所述的原理图，只有设计合理的参数使得转角θ足够小(其中θ=θ2-θ1)，才能避免变速器主箱仍在档位时，气路控制阀B就开始给副箱气缸D通气，从而使副箱同步器开始转换，造成的换档撞击声和摩擦材料早期磨损问题。根据图4所述的机械装置和作用原理得到了如下形式的一组公式：

(1)

(2)

式(1)是根据拨头和柱塞在气路导通瞬时的几何位置关系，由余弦定理得到。式(2)根据拨头2在空档位置时的几何位置关系(x0=-rsinβ-m，y0=rcosβ)，由以拨头轴心为圆心的圆的方程和过点(x0,y0)且倾角为β的V型槽斜面的直线方程联立而来。由式(2)可以求得点(x1,y1)，从而得到式(3)：

(3)

对于特定的操纵装置，其L、A往往为已知常数，对于任意一组m、r、R、β，都可以根据上述式(1)、式(2)、式(3)，求得θ1、θ2，从而得到转角值θ。

4气路控制参数的优化

由于m、r、R、β受到拨头和气路控制阀结构和尺寸的限制，只能在特定的区间内取值，因此，可以在该范围内对可以取得的数值进行合理的选择，使得转角θ值最小，从而达到最优设计。

根据操纵装置的尺寸要求和设计经验，可设定各参数的取值范围如下：

利用matlab软件提供的丰富函数库和强大的计算功能，在上述取值范围内，对式(1)～式(3)进行求解，得到了θmin=1.75°，此时m=2.0、r=6、R=42.5、β=35°。从该结果中，可以看出，m、β取区间的最小值，r取区间的最大值，R取区间内的值时，转角取得最小值θmin。于是，对于该类设计，可以得到如下的经验：

1) 导通行程m和V型槽的角度β越小，转角值越小；

2) 柱塞球头半径r越大，转角值越小；

3) 拨头2的圆弧半径R够用即可，过大和过小都会使转角增大；

为验证上述结论，对式(1)-式(3)进行了进一步的分析。

4.1转角差θ随柱塞球头半径r和拨头有效半径R的关系

取β=35°、m=2.26，m和R的取值范围分别为：

得到了图5所示的转角值θ的分布图形。此时，最小转角差为2.03°，此时气路控制阀球头半径为r=4.75，拨头有效半径为R=41.8mm。

图5　转角差随气阀球头及拨头半径的关系

4.2转角差θ随V型槽角度β和导通行程m的关系

取r=4.75、R=41.8，β和m的取值范围分别为：

得到图6所示的θ的分布图形，此时，最小转角差仍为2.03°，此时拨头凹槽角度β为35°，气路控制阀截止行程m为2.26mm。

图6　转角差随拨头凹槽角度及导通行程的关系

通过上述1、2两部分的论证，说明本部分开始得出的优化结论是正确的。在进行该类结构的设计时，应充分考虑上述参数变化对目标参数的影响，在结构允许的情况下，合理选择相关参数的具体数值及公差(有的参数对公差特别敏感，如导通行程m)，使得目标参数得到优化。

5结语

1) 介绍了主副箱复合型变速器单H操纵的结构原理和工作过程；

2) 通过对该单H操纵工作原理的介绍，指出了现有结构存在的问题，并对该问题进行了详细的分析，建立了其数学模型；

3) 研究了该系统数学模型的特点，并利用matlab软件对该系统模型进行分析和优化，得出了具体的优化参数，可以指导设计改进的进行；

4) 所介绍的优化设计方法，对该类结构的设计具有普遍的指导意义。

参考文献:

[1] 申永胜. 机械原理教程[M]. 北京：清华大学出版社，1999: 102-115.

[2] 刘会灯，等. Matlab编程基础与典型应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2008: 51-182.

Study of Optimization Design for Pneumatic Control Parameters

of A Transmission Shifting Mechanism

ZHANG Fa-yong,GUO Zeng-gang

(Shaanxi Fast Group CO., LTD., Xi’an 710119, China)

Abstract:This paper introduces the principle and working process of pneumatic control system of a kind of transmissions, studies its design methods and mathematical equation and optimizes the parameters by matlab software. In the optimization process, it also studies the basic design rules of this kind of systems and the relationships between these design parameters and the objective parameters and points out the special attentions in design process of this kind of systems.

Keywords:transmission; pneumatic control parameter; optimization design

收稿日期：2014-11-27

中图分类号：U463.212

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)03-0174-03

作者简介：张发勇(1980-)，男，山东德州人，工程师，主要从事变速器设计及同步器设计研究。