· 摘要
狗牙離合器系統開發中的一個主要挑戰是選擇合適的狗牙離合器幾何形狀以及設計合適的制動系統。在本文中，提出了一種基於仿真技術來開發這種狗牙離合器系統的方法。考慮到各種差動速度和扭矩條件，多體模擬用於定義合適的狗牙離合器幾何形狀。對於不同的幾何形狀，優化了移位時間。基於模擬動態力，應用結構分析以確保部件具有足夠的扭矩能力並避免斷裂或疲勞效應。基於模型的方法能夠在開發的早期階段預先校準控制系統和優化控制策略。最後，在測試床上對狗牙離合器設計的組件和傳輸水平進行評估和驗證。
1介紹
對於電驅動單元中的多速變速器，與摩擦離合器或同步器單元相比，狗牙離合器是一種有趣的替代品。一方面，狗牙離合器系統具有更高的機械效率且價格更低。另一方面，它潛在的缺點是：如所需的同步，在沒有扭矩中斷的情況下移位或在低速下提供高扭矩，在這些單元中的相關性較小。狗牙離合器系統開發中的一個主要挑戰是選擇合適的狗牙離合器幾何形狀，設計合適的制動系統和優化控制策略。
在本文中，提出了一種基於仿真的方法來優化狗牙離合器幾何形狀。通過確保離合器可以在高差速下關閉而不會磨損和斷裂或在高扭矩下打開，可以減少換擋時間。
2狗離合器設計優化
虛擬狗牙離合器開發的第一步是仿真中的設計優化。需要實現高速差速關閉或扭矩下打開的快速狗牙離合器，以及避免意外打開。
2.1模擬方法
設計模擬方法是多體模擬和有限元分析的組合方法。多體模擬側重於狗牙離合器的動力學，重點是定時，動態力和扭矩。這裡考慮狗牙離合器的幾何形狀，特別是牙齒幾何形狀，包括材料特性，角度或諸如錢伯斯的細節。為了在不同的離合器部件上具有當然摩擦的現實行為，需要考慮致動系統的物理或傳動系中的旋轉慣性。由動態模擬計算的力可用於下一步作為有限元分析的邊界條件。在這裡，可以評估轉移事件期間不同參與情景的壓力和接觸壓力。目標是避免斷裂或疲勞效應。
2.2多體模擬
為了通過模擬演示狗牙離合器幾何優化，選擇由這種離合器驅動的停車制動器
2.2.1狗離合器作為制動器
在駐車制動中，由於安全原因很重要，那就是狗牙離合器常閉。關閉力由彈簧提供，並假定有一個液壓驅動系統，該系統通過加壓活塞室來打開離合器。常閉意味著，如果沒有施加壓力，離合器處於關閉狀態傳動系統的位置和旋轉是避免的。由於離合器是軸向狗牙離合器。假設，即狗牙的方向與離合器活塞的運動方向平行(見圖1)。一個具有挑戰性的用例是緊急制動。在這裡，車輛制動是通過駐車制動來完成的。剎車失靈了。在相對較高的差速和高扭矩水平，對應的最大制動力的車輛是存在的。此用例已被採用作為動態仿真的例子。
圖1：狗離合器的例子
2.2.2動態模擬結果
作為模擬示例，具有12個齒寬10°的徑向狗牙離合器以約500轉/分的差速關閉，這對應於中等的車輛速度。
圖2：離合器閉合的模擬
圖2顯示模擬離合器位置作為時間的函數。這裡的位置分別表示離合器部件與齒尖之間的軸向距離。對於正值，離合器是打開的，零相當於牙齒與牙齒的接觸，負值對應於離合器的接觸距離。該位置允許在+1，完全打開和-3，完全關閉之間變化。在低於0.1秒的時間內，系統加壓，離合器處於初始位置，標記為橙色。0.1秒後離合器關閉開始。活塞向離合器移動或略微進入離合器，並在牙齒接觸時向後推幾次。在0.3秒和大約20個響聲事件之後，達到約1.7 mm的足夠大的牙齒重疊。響聲區域以黃色標記。在藍色標記的區域中，離合器保持半接合位置。兩個離合器部件之間的差速為零，即車輛通過輪胎滑動進行操作。高制動扭矩導致兩個離合器部件之間的高摩擦力。不可能有軸向活塞運動。當車輛在0.84秒後到達靜止時，制動扭矩以及離合器中的摩擦力減小，離合器移動到完全接合位置。這是用綠色標記的。
當然，所有模擬定時都取決於初始位置，即關閉過程開始時兩個離合器部件之間的角度。因此，在所有模擬中都需要考慮這種統計變化。通過改變模擬中的初始位置，可以得出結論，對於所描述的設置，不能避免嘎嘎聲，嘎嘎聲時間在0.2 s的範圍內。此外，對於至少1.5 mm的牙齒重疊，穩定的部分離合器接合位置似乎是可能的。
在下一模擬步驟中，檢查關閉時間和部分接合時間分別對齒數，齒寬和間隙寬度的依賴關係。在這裡，我們將間隙定義為兩個狗牙之間的距離，由兩個離合器部件中的每一個的狗牙寬度減小。在圖3中，X軸上給出的不同齒數和Y軸上給出的不同齒寬的部分接合時間由顏色表示。
藍色標記的區域代表快速參與時間。通過固定牙齒數量和牙齒寬度，間隙也會隱含地固定。如果狗牙的寬度固定並且牙齒數量增加（平行於X軸移動），則間隙減小。如果牙齒的數量固定並且狗的寬度增加（平行於Y軸移動），則間隙也會減小。具有相同相對間隙的配置，即具有相同分數的間隙寬度和狗牙寬度，由黑點線標記。該圖表明，為了使參與時間低於0.3秒，需要一個或更大的相對差距。對於較小的相對間隙寬度，接合時間增加或離合器根本無法關閉。這些點用白色標記。額外的模擬表明，需要5°至10°之間的側角才能確保緊急制動。
圖3：關閉時間對牙齒數量和牙齒寬度的依賴性
為了考慮磨損對關閉時間的影響，在狗牙處假設可變高度的錢伯斯。據認為，隨著磨損的增加，倒角尺寸也會增加。在模擬中，將兩個狗牙離合器幾何形狀與一個的可比相對間隙寬度進行比較，但具有顯著不同的牙齒數量，12和50。隨著牙齒數量的增加，牙齒增加導致參與時間的急劇增加，從而導致響聲事件。對於12顆牙齒的初始設置，僅可見接觸時間的輕微增加。根據這些結果，具有更多牙齒的幾何形狀的接觸時間似乎對磨損更敏感。
2.3有限元分析
基於多體模擬，對不同接觸位置的最有希望的幾何形狀進行強度分析。目標是評估破壞風險和疲勞影響。當然需要考慮，由於例如公差或錯配，並非所有牙齒都完全接觸。假設接觸係數為0.5，這意味著只有50%的牙齒處於接觸狀態。在圖4中，給出了上述模擬中使用的12齒狗離合器的緊急制動壓力。對於所描述的場景，根部應力仍低於1100 MPa UTS極限，並且看不到牙齒斷裂的風險。基於有限元模擬，可以根據牙齒的數量得出最小數量的牙齒，以確保足夠的低接觸壓力和最小的狗，以降低牙齒斷裂的風險。
圖4：狗在部分參與情況下的壓力
3虛擬控制策略開發
對於電動驅動單元中的多速變速器，狗牙離合器是非常感興趣的。在這種應用中，換擋離合器時的高差動速度，離合器同步或高慣性是控制策略中具有挑戰性的主題。這裡離合器的嘎嘎聲導致高磨損，不被接受或需要減少到最低限度。在控制發展的早期階段，此類應用的策略多體模擬是測試和預校準控制器的有吸引力的機會。
3.1用狗離合器換擋
作為基於仿真的控制策略開發的示例，使用重型E軸。這裡使用徑向狗牙離合器設計來在第一和第二齒輪之間切換。狗牙離合器通過氣動制動系統移位。該設計允許三個位置。如果致動系統中的兩個活塞側都被加壓，則狗牙進入或移動到中性位置並且不接合齒輪。僅加壓一個活塞側導致相應齒輪的接合。除了驅動列車中的大慣性導致高力和扭矩之外，狗牙離合器換擋的另一個挑戰是有限的幾何選項。由於駕駛舒適性原因，離合器中的間隙減小到在關閉離合器時需要低差動速度和高同步扭力的最小值。另一方面，如果差速太低，則在牙齒與牙齒接觸時離合器的進一步閉合變得越來越困難，換擋時間增加。這種挑戰可以通過設計特徵部分補償，例如狗牙尖上的角度，或狗身上的凹槽，以防止意外打開。
通常，離合器關閉過程如下。首先，當狗牙處於中立位置時，即兩個活塞側都被加壓，離合器處的差速需要降低到可接受的範圍。此同步通過電子機器完成。如果達到所需的同步速度，則減小機械扭矩並啟動制動離合器，即相應的活塞側減壓。當離合器到達時，可以再次應用驅動機械上的接合位置扭矩。
圖5：狗離合器參與
3.2狗離合器移位模擬
圖5給出了狗牙離合器關閉過程的模擬結果。在這裡，紅色是狗的位置或狗的位移，藍色是由此產生的離合器扭矩作為時間的函數給出。0的位置對應於中性位置，對於5到7 mm之間的位置，離合器處於牙齒與牙齒接觸，並且在7 mm以上離合器至少部分接合。未繪製模擬的第一秒中的同步階段。1.1秒後，達到10轉/分的目標差速，並開始關閉過程。在本例中，兩個狗部件的第一次接觸是牙齒對牙齒的接觸。由於差速，狗部件沿著其齒尖輪廓移動，直到在額外0.088秒後到達間隙，並且一個狗牙可以移動到另一個離合器部件的間隙中。如果差速足夠低，則在下一次接觸時達到齒面的足夠大的接觸區域，並且致動力與狗底切一起支持在圖中發生的完全接觸。在離合器中產生高達約0.7 kNm的扭矩峰值。如果差速太高，則將狗推回，離合器開始嘎嘎作響。
為了定義合適的目標差分速度，對不同的同步速度和起始位置重複模擬。在圖6中，同步（橙色）和參與（紫色）的定時是針對離合器處的幾個差動速度給出的。對於高差分速度，需要低同步工作，因此同步時間隨著速度的增加而減少。對於參與過程，一方面具有小的差速當然是有益的。但另一方面，在牙齒與牙齒接觸的情況下進入間隙需要更長的時間。隨著差動速度的增加，參與時間也會減少。隨著差速牙齒與牙齒接觸的進一步增加，越來越多地導致離合器的向後推。離合器開始嘎嘎作響或根本無法關閉。對於假設的變速系統仿真，10至30轉/分範圍內的目標差速是最佳的。
4試驗床上的控制策略優化
這些模擬結果也在測試床上進行了驗證。當以高於35轉/分的高差速接合狗牙離合器時，在一定時間內發出嘎嘎聲的可能性越來越大，或者離合器根本無法關閉。隨著差分速度的降低，這種響聲事件的概率也會降低。但是在測試床上也可以看到，對於非常小的差動速度摩擦力，牙齒與牙齒接觸防止兩個狗牙離合器部件相互旋轉並且離合器根本不關閉。通過調整牙齒幾何形狀，即在牙齒尖端的專用形狀，這不能完全避免，並且需要相應地調整控制策略。
圖7：測試床上的位移事件
在圖7中，這種適應被解釋為在測試床上從齒輪2到齒輪1的下移。x軸表示測量時間。在離合器位置的上圖（橙色線）中給出。這裡，高於20mm的值表示接合齒輪2，而對於接近零的值，接合齒輪1。5至20 mm之間的狗位置相當於中性位置。在第二個圖中，給出了機械速度（紫色線）。由於無法直接測量差速，因此機器速度與傳動輸出速度一起用於控制目的。第三圖（粉色線）顯示了機械扭矩，而在第四圖中突出顯示了氣動閥的狀態。如果兩個閥門中只有一個處於活動狀態，則離合器被推入相應齒輪的方向。如果兩個閥門都處於活動狀態，則離合器進入中性位置，如果沒有閥門處於活動狀態，則應保持實際狀態。根據圖中的編號，齒輪換擋可分為以下步驟：
- 初始階段：Gear 2已投入使用。為了允許離合器打開，機械扭矩已經減小到小值。
- 在第二步中，兩個閥門都被制動，離合器移動到中性位置。
- 在步驟3中，同步完成。通過施加扭矩，機器加速。當達到目標速度時，扭矩再次減小，目標速度相當於所需的差動速度。
- 在步驟4中，嘗試關閉離合器。相應的閥門加壓。但是，由於牙齒對牙齒的接觸，參與是不可能的。離合器停止並保持在5 mm的位置。
- 當離合器在一定時間間隔後無法關閉時，執行步驟5。兩個閥門都被激活，離合器被移回中性位置。
- 在步驟6中，應用短扭矩峰值以再次產生一些差速。
- 在短暫的時間間隔之後，第二次嘗試關閉離合器。現在，離合器移動到位置0 mm，齒輪1接合8。
- 在步驟8中，完成移位，並將扭矩再次應用於機器。通過像所示的適應性，可以在測試床上微調控制策略。
5結論
在本文中，提出了一種基於模擬的狗牙離合器設計方法，該方法一方面有助於減少開發時間和成本，另一方面降低技術風險。已經在開發的早期階段，可以通過使用多體模擬來定義和優化狗牙離合器幾何形狀。考慮牙齒數量，專用牙齒輪廓或不同材料的影響，並評估對離合器打開和關閉時間的影響。通過有限元模擬，可以確保足夠的強度並避免斷裂或疲勞效應。通過多體模擬獲得的動態力已經作為所需邊界條件的合理假設。除了幾何設計適應模擬之外，還用於分析移位事件以及開發和預校準適當的控制策略。在進入硬體之前，可以通過這種虛擬方法達到高成熟度水平。最後在測試床上驗證模擬。
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