外文翻譯-使用仿真軟件識別手動變速器斜線換擋故障的原因并優(yōu)化

PAGEPAGEPAGE20使用仿真軟件識別手動變速器斜線換擋故障的原因并優(yōu)化摘要在過去，變速器發(fā)展的重點通常是機構(gòu)各組件的耐久性。盡管在近幾年變速器換擋組件的質(zhì)量得到了顯著提高。但是為了滿足消費者逐漸增加的期望，我們有必要進(jìn)一步改變變速器發(fā)展的重點使之能夠有更好的換擋系統(tǒng)是有必要的?，F(xiàn)在的手動變速器換擋系統(tǒng)存在著許多由于復(fù)雜的機構(gòu)設(shè)計與性能相關(guān)的問題。如果換擋系統(tǒng)存在著一點小故障，那么將會無法正常的進(jìn)行擋位選擇操作和平滑的換擋。運動仿真軟件是一個能夠識別并優(yōu)化與機械機構(gòu)相關(guān)的換擋系統(tǒng)故障的卓越軟件。設(shè)計者可以運用運動仿真軟件對機械裝置進(jìn)行仿真來糾正換擋系統(tǒng)中遇到的問題。本文呈現(xiàn)了一個運用運動仿真軟件識別和優(yōu)化手動變速器換擋系統(tǒng)中機械裝置故障的受人關(guān)注的有力場合。關(guān)鍵詞機構(gòu)特性，機構(gòu)性能試驗，失效機理引文幾家汽車公司的汽車司機常抱怨改變齒輪的嚙合狀態(tài)時會出現(xiàn)換擋阻塞或者換擋故障。這個故障主要發(fā)生在從二擋換至三擋，三擋換至二擋，四擋換至五擋，五擋換之四擋（如圖.1），這個被稱為斜線換擋。這個問題將會使顧客對產(chǎn)品的滿意度產(chǎn)生重大影響。圖1.斜線換擋模式因此，我們開始調(diào)查研究斜線換擋時候換擋故障的原因。這個項目是在運動仿真軟件的幫助下進(jìn)行調(diào)查換擋機械裝置的斜線換擋故障問題的，我們稱之為運動仿真分析。所以我們的研究目的是識別和消除手動變速器換擋系統(tǒng)中斜線換擋故障的問題。這種提供的仿真方法能夠讓使用者獲得關(guān)于內(nèi)部的換擋機構(gòu)的斜線換擋動作和發(fā)現(xiàn)識別出系統(tǒng)中影響斜線換擋故障狀況的主要換擋機構(gòu)參數(shù)。仿真技術(shù)是深度進(jìn)行理解換擋機構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜性結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。基于仿真結(jié)果，我們提出了一些關(guān)于換擋機構(gòu)設(shè)計改進(jìn)和質(zhì)量評估的標(biāo)準(zhǔn)。這些結(jié)果對于將來項目的發(fā)展導(dǎo)向是很有幫助的。分析是運用物理系統(tǒng)完成由數(shù)學(xué)模型到運動仿真的過程。方法研究方法的第一步是用計算機輔助設(shè)計（CAD)軟件建立一個換擋系統(tǒng)的仿真模型。這個仿真模型將被用來識別分析斜線換擋阻塞和延遲的原因再對模型進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。這個研究主要是通過考慮靜態(tài)時候的環(huán)境條件來進(jìn)行的。只有考慮到內(nèi)部的換擋系統(tǒng)裝置才能夠進(jìn)行分析。建好換擋機構(gòu)模型有利于在仿真環(huán)境中方便的將相關(guān)的幾何圖形導(dǎo)入計算機輔助設(shè)計軟件。然后用戶們可以更好的對換擋機構(gòu)進(jìn)行裝配并鏈接到換擋系統(tǒng)中。這些節(jié)點我們用來規(guī)定每個鏈接的自由度。一個準(zhǔn)備好的滑動運動副將被應(yīng)用于齒輪嚙合的撥叉連桿上?；瑒雍托D(zhuǎn)運動副將應(yīng)用于轉(zhuǎn)向軸以得到相應(yīng)擋位和選擇換擋動作。之后可以通過提供合適的驅(qū)動運動副從而產(chǎn)生所需要的運動開始進(jìn)行運動仿真。用于仿真模型的驅(qū)動輸入值代表換擋行程和選擇用來推動的節(jié)點的行程。一旦仿真模型建立好后，用戶們可以在仿真機制中進(jìn)行模擬不同的換擋和選擇操作。在仿真軟件中通過不同的橫截面展示讓我們更好的觀察不同方向的換擋操作情況（如圖.2）。圖2.內(nèi)部換擋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3表達(dá)的是在內(nèi)部換擋機制中在將斜齒輪二擋換到三擋時的斜線換擋故障情況。指向F2處的離開第二個撥叉口和指向F1處的開始通過第三個撥叉口使三擋齒輪嚙合。但是仿真研究發(fā)現(xiàn)在操作過程中，指向F1和F2處在相同時間第三/第四，第一/第二推向叉形搖臂。這種情況導(dǎo)致在塊銷達(dá)到控制側(cè)面打開的第三齒輪嚙合時撥叉與氣缸之間發(fā)生換擋故障。這個故障將在內(nèi)部換擋系統(tǒng)中產(chǎn)生動作載荷和通過拉索并最終傳遞到駕駛員手中。這就叫做斜線換擋故障或者換擋阻塞。圖3.來自于運動仿真的斜線換擋故障硬件檢測在沒有內(nèi)燃機的情況下對變速器在測試平臺上進(jìn)行檢測斜線換擋阻塞故障。圖示表示為在試驗臺上測量從第二齒輪到第三齒輪的斜線換擋得到的結(jié)果。換擋角度與換擋行程和換擋力量的圖標(biāo)常用來說明在斜線換擋時的換擋阻塞情況。由于換擋阻塞情況的存在導(dǎo)致?lián)Q擋失敗。在驗證試驗中記錄的斜線換擋阻塞的數(shù)據(jù)與仿真分析的結(jié)果相關(guān)一次來確定變速器中發(fā)生換擋阻塞的位置。圖4.從試驗臺獲得的斜線換擋結(jié)果圖片5為來自變速器的換擋阻塞情況的圖片。圖片說明了換擋阻塞情況出現(xiàn)在撥叉與氣缸之間的位置。這個圖片完全可以通過仿真軟件來證實發(fā)現(xiàn)的問題。圖5.氣缸與撥叉之間的換擋阻塞圖片6為換擋移動時有換擋槽和沒有換擋槽時的試驗臺測量結(jié)果。這個圖片表示了導(dǎo)向滑塊的輪齒的觸點和換擋桿使怎么與撥叉連接進(jìn)行工作的。這個測量圖要表示的是導(dǎo)向塊而不是導(dǎo)向銷。因此換擋桿可以同時移動兩個撥叉。這應(yīng)該是通過導(dǎo)向塊的操縱來預(yù)防。所以這次測量提供了一個優(yōu)化被忽視導(dǎo)向滑塊運動的機會。圖6.換擋裝置的測量優(yōu)化仿真模型有助于我們理解造成換擋故障的原因和也可以深刻發(fā)現(xiàn)比較測量的數(shù)據(jù)。仿真分析信息對于在斜線換擋故障發(fā)生時控制設(shè)計參數(shù)范圍是很重要的。圖7.確定潛在區(qū)域的優(yōu)化機構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)是消除來自于變速器的斜線換擋故障。這個可以通過改善修改內(nèi)部換擋系統(tǒng)部分來提高塊自由換擋的情況。圖7表示的是基于仿真分析和測量結(jié)果來識別優(yōu)化部分區(qū)域。他們是（1）導(dǎo)向模塊，（2）換擋桿（3）氣缸槽。在系統(tǒng)中導(dǎo)向模塊的目標(biāo)是引導(dǎo)換擋桿移動到撥叉中適當(dāng)?shù)奈恢靡愿淖凖X輪嚙合。仿真和試驗的結(jié)果確認(rèn)導(dǎo)向模塊不是銷在引導(dǎo)齒輪一直做嚙合的變換。導(dǎo)向塊優(yōu)化的目標(biāo)是在齒輪嚙合變換時總是導(dǎo)向模塊在引導(dǎo)。來自仿真軟件的軌跡跟蹤法通常是用來優(yōu)化導(dǎo)向模塊的。圖8舉了一個從二擋齒輪換到三擋齒輪的斜線換擋研究的例子。導(dǎo)向模塊的軌跡是在導(dǎo)向塊從二擋齒輪到三擋齒輪自由斜線換擋時將執(zhí)行情況非常準(zhǔn)確的記錄下來。用戶們可以在A-A和B-B剖面部分沒有任何阻礙的進(jìn)行斜線換擋。與此同時，銷的運動軌跡將被記錄在導(dǎo)向模塊區(qū)域。根據(jù)記錄的銷的運動軌跡來看，現(xiàn)有的導(dǎo)向塊將被斜線自由換擋部分所優(yōu)化。與此同時，在導(dǎo)向模塊中的新建模塊不應(yīng)該影響系統(tǒng)中其他的設(shè)定參數(shù)是很重要的。圖8.銷從二擋至三擋的運行軌跡仿真研究表示故障情況無法只通過優(yōu)化控制導(dǎo)向塊的方法來完全消除?；谘芯康姆治鼋Y(jié)果，我們確定了其他兩個斜線換擋故障潛在的問題，例如換擋桿和換擋窗也需要進(jìn)行優(yōu)化處理。換擋撥叉設(shè)計的改變表明不能同時操作兩個撥叉進(jìn)行工作。在新的模塊和新的撥叉的基礎(chǔ)上，氣缸槽的改變表明撥叉壁在進(jìn)行換擋時不應(yīng)該擋住氣缸槽的開口。優(yōu)化換擋導(dǎo)向塊和氣缸槽后，不同的設(shè)計將檢查和選擇所有中最好的情況。圖9表明了在內(nèi)部換擋系統(tǒng)中設(shè)計的改變將避免斜線換擋故障。圖9.現(xiàn)有設(shè)計與新設(shè)計的對比最后，斜線換擋仿真將在最佳的設(shè)計組合的情況下運行和復(fù)核塊之前發(fā)生的地方確定系統(tǒng)是自由塊。優(yōu)化的目標(biāo)是消除斜線換擋時來自于換擋系統(tǒng)內(nèi)部的故障。這是通過修改問題部分如導(dǎo)向塊，換擋桿和氣缸槽問題來實現(xiàn)的。實現(xiàn)任何新設(shè)計的更改需要通過準(zhǔn)確的分析來考慮在換擋機構(gòu)中的其他功能。車輛模型的驗證試驗的原型是基于仿真的最終概念和用于驗證試驗的設(shè)備和車輛。從車輛車輛的結(jié)果（圖10）表明最終設(shè)計觀念和所有新的設(shè)計組合從斜線換擋故障來說是完全自由的。測試結(jié)果也證實了控制模塊在斜線換擋時經(jīng)常起引導(dǎo)作用。圖10.車輛的測試結(jié)果結(jié)論在仿真軟件的幫助下進(jìn)行換擋系統(tǒng)的虛擬模型的制作是用于識別和解決在手動變速器中發(fā)生的斜線換擋故障。沒有仿真軟件的幫助只通過試驗或者分析的方法的話是很難解決這個問題的。所以本次研究證實運動仿真軟件用于識別和預(yù)防手動變速器中斜線換擋故障是非常有效的。軟件使非常難以判斷在變速器中實際發(fā)生問題的地方的可能性的機構(gòu)變得實時、可視化。這個懷疑促使了我們按照描述使用運動仿真方法提供了以下幾點優(yōu)勢：1）利用輸入至仿真環(huán)境的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化模型創(chuàng)建。2）使斜線換擋機構(gòu)的斜線換擋性能能夠在概念階段甚至在原型階段時進(jìn)行評估。3）由于技術(shù)進(jìn)步的影響可以立即表現(xiàn)。這樣，節(jié)省了昂貴的配件制造和測量，和減少發(fā)展階段的時間。在通用汽車公司，運動仿真得到的結(jié)果是通過實驗驗證的，是允許花費時間和成本的有效應(yīng)用的仿真方法。發(fā)展方向仿真軟件然而不僅僅可用于仿真內(nèi)部換擋系統(tǒng)還可以用來仿真變速器中外部換擋系統(tǒng)的制定特征。仿真工具是獨立的動力系統(tǒng)的動態(tài)影像因素，但是在未來進(jìn)行仿真研究時包括動態(tài)故障行為是很重要的。除了在研究和發(fā)展領(lǐng)域的潛在應(yīng)用以外，仿真工具在領(lǐng)域中也被用來軌道不平。致謝作者想要感謝歐洲通用公司的內(nèi)部換擋系統(tǒng)和驗證團(tuán)隊在幫助執(zhí)行這個實驗調(diào)差時提供的的支持——知識和技術(shù)。原文：IdentificationandOptimizationofDiagonalShiftFailureinManualTransmissionUsingSimulationSoftwareBobbyGeorge?VijayaBhaskarBasavaAbstractInthepastthefocusinthetransmissiondevelopmentusedtobemainlyondurabilityofthecomponents.Despitethatshiftqualityhasimprovedsignificantlyinthelastyears.Increasingcustomerexpectationhasmadeitnecessarytofurtherchangethefocusintransmissiondevelopmenttowardbettershiftingsystem.Manualtransmissionshiftingsystemishavinglotsofperformance-relatedproblems,duetoitscomplexdesignstructure.Smoothshiftandselectoperationswillbedisturbedifthereissmallmalfunctioninthesystem.Motionsimulationsoftwarecanbeanexcellenttooltoidentifyandresolvemostoftheshiftingsystemfailurerelatedtoitsmechanism.Designerscanrectifytheproblemsoftheshiftingsystembysimulatingthemechanismusingmotionsimulationsoftware.Thisarticlepresentsaninterestingopportunityofmotionsimulationsoftwaretoidentifyandoptimizetheshiftingsystemmechanismfailuresinthemanualtransmission.KeywordsMechanicalbehavior,Mechanicaltests,FailuremechanismIntroductionSeveralcompanycardriverswerecomplainingaboutblocked/failureshiftswhenchanginggears.Thisfailureoccursonlywhencrossshiftinggearsfrom2-3,3-2,4-5,and5-4(Fig.1)whichisknownas‘‘diagonalshifting.’’Thisissuewillhavemajorimpactoncustomersatisfactionabouttheproduct.Therefore,astudywasstartedtoinvestigatetheblockingduringdiagonalshifting.Thisprojectistoinvestigatethediagonalblockingissueintheshiftingmechanismwiththehelpofmotionsimulationsoftwarecalledmotionsimulationanalysis.Sotheobjectiveofthestudyistoidentifyandeliminatethediagonalshiftblockfrommanualtransmissionshiftingsystem.Thepresentedsimulationapproachenablesitsusertogaininformationaboutthediagonalshiftbehaviorofinternalshiftmechanismandseekstoidentifytheshiftingmechanismparameterswhicharehighlyinfluencingthediagonalshiftblockconditioninthesystem.Simulationistheonlykeytounderstandthedepthoftheissuesincetheinternalshiftmechanismiscomplexinstructure.Basedonsimulationresults,somecriteriafordesignimprovementandqualityevaluationofshiftingmechanismareproposed.Theseresultsaimtobeusefultoguidefutureprojectdevelopments.Analysisisperformedusingmotionsimulationviamathmodelofthephysicalsystem.Firststepofthemethodologyistocreateashiftingsystemsimulationmodelinthecomputer-aideddesign(CAD)software.Thissimulationmodelwillbeusedtoidentifythediagonalshiftblockandlatertooptimizethedesign.Thisstudyisconductedbyconsideringthestaticconditionenvironment.Onlyinternalshiftsystemmechanismisconsideredtoconducttheanalysis.ForsettingupshiftingmechanismsimulationmodelitismostconvenienttoimporttherelevantgeometriesfromCADintosimulationenvironment.Thentheuserhastodefinethemechanicallinksandjointstothesystem.Thesejointsareusedtodefinethedegreesoffreedomforeachlinks.Asliderjointforinstantwillbeappliedtotheforklinkforgearengagement.Andslidingandrotationaljointswillbeappliedtotheshiftshafttogettheshiftandselectmovement.Laterthesimulationcanbestartedbyprovidingproperinputtothedriverjointstogeneratetherequiredmovement.Theinputvaluesusedinthesimulationmodelaretheshiftingtravelandselectortravelinrelationtothepointatwhichforceisapplied.Oncethesimulationmodelisreadythentheusercandodifferentshiftandselectoperationinthesimulationmechanism.Makedifferentcrosssectionofthesysteminthesoftwaretohaveabetterlookatdifferentareas(Fig.2)Figure3showsdiagonalshiftblockconditionintheinternalshiftmechanismwhileshiftingthegeardiagonallyfromsecondtothird.ThefingerF2leavessecondforkmouthandfingerF1startspassingintothethirdforkmouthtoengagethirdgear.Butsimulationstudyshowsthatduringoperation,fingerF1andF2pushestheforkthird/fourthandfirst/secondatsametime.Thissituationleadstotheblockbetweenforkflyerandcylinderwhenthepinreachesintheentranceofthethirdgearofcontrolprofilegate.Theimpactwillcreatepeakforceintheinternalshiftsystemandpropagatethroughthecablesandfinallyreachesdrivershand.Thisiscalleddiagonalshiftblock/failure.HardwareDetectionThetransmissionisexaminedonthetestrigwithoutcombustionenginetoidentifydiagonalshiftblock.Figure4representsthemeasurementresultofdiagonalshiftfromsecondgeartothirdgearfromthetestrig.Thisdiagramofshiftangleversusshifttravelandshiftforceusedtoillustrateblockduringdiagonalshift.Theunsuccessfulshiftisduetoblock.Diagonalshiftblockingdatarecordedduringtheverificationexperimentwillalsocorrelatewithsimulationanalysisresulttoconfirmtheblockingpositioninthetransmission.Figure5showstheblockingconditionpicturesfromthetransmission.Picturesshowtheblockingbetweenforkflyerandcylinder.Thispictureconfirmsthefindingexactlyaslocatedbysimulationsoftware.Figure6showsatestrigmeasurementfortheshiftermovementwithandwithoutshiftinggate.Herepictureshowshowthetipfromaguideprofiletoothandshiftfingerhascontactwiththefork.Themeasurementgraphshowsthatguideprofileisnotguidingthepinalways.Therefore,thefingercanmovetwoforksatthesametime.Thisshouldbepreventedbytheguideprofile.Sothismeasurementgivesanopportunitytooptimizetheguideprofilefurthermore.OptimizationThesimulationmodelhelpstounderstandtherootcauseofdiagonalshiftblockingandalsoallowingfordeepinsightcomparedtomeasureddataalone.Simulationanalysisinformationisimportanttocontroldesignparameterszonewherediagonalshiftblockoccurs.Thegoalofoptimizationistoeliminatethediagonalshiftblockfromthetransmission.Thiscanbeachievedbyimprovingtheconditionforblockfreeshiftbymodifyingtheinternalshiftsystemparts.Figure7showstheidentifiedfewareasforoptimizationbasedonsimulationanalysisandmeasurementresults.Theyare(1)guideprofile,(2)shiftfinger,and(3)cylinderwindow.Purposeoftheguideprofileinthesystemistoleadtheshiftfingertotheappropriateforkgatewhileshiftingthegears.Simulationandtestrigresultsconfirmthattheprofileisnotguidingthepinalwayswhiledoinggearshift.Thegoalofoptimizingoftheguideprofileistomaketheprofilealwaysinleadwhiledoingthegearshift.Trajectorytracingmethodsfromsimulationsoftwareareusedtooptimizetheguideprofile.Figure8showsanexampleofdiagonalshiftstudyfromsecondgeartothirdgear.Thetrajectoryoftheprofilepinwillberecordedveryaccuratelywhileperformingtheblockfreediagonalshiftfromsecondtothird.HereuserwillbedoingdiagonalshiftwithoutanyblockintheareasectionA–AandsectionB–B.Andatthesametimetrajectoryofthepinwillrecordedintheguideprofilearea.Basedontherecordedtrajectorypinpath,theexistingprofilewillbeoptimizedforblockfreediagonalshift.Atthesametimeitisalsoimportantthatthenewchangesintheprofileshouldnotaffecttheotherdesignparametersinthesystem.Simulationstudyshowsblockingsituationcannotbeeliminatedcompletelyonlybyoptimizingthecontrolprofile.Basedonanalysisresultthestudyhasidentifiedothertwopotentialareaslikeshiftfingerandshiftwindowalsoneedtobeoptimized.Designchangesintheshiftfingerweremadesothatitdoesnotoperatetwoforksatthesametime.Basedonthenewprofileandnewfinger,thecylinderwindowchangesaremadesothatforkflyershouldnotfoulwiththewindowentrancewhiledoingshift.Tooptimizeshiftfingerandcylinderwindow,differentdesignshavebeenexaminedandselectedthebestamongall.Figure9showsthedesignchangesininternalshiftsystemtoavoidthediagonalshiftblock.Finally,diagonalshiftsimulationwillrunwithallbestdesigncombinationsandrechecktheareaswheretheblockinghappenedpreviouslytoconfirmthatthesystemisblockfree.Thegoalofoptimizationistoeliminatetheblockfromtheinternalshiftsystemduringthediagonalshift.Thisisachievedbymodifyingtheproblemareaslikeguideprofile,shiftfinger,andcylinderwindow.Itisimportantthatanyimplementationofnewdesignchangesmusttakeinaccounttheotherfunctionsofshiftingmechanismbydoingaccurateanalyticalanalysis.ValidationoftheVehicleModelPrototypesaremadebasedonthefinalconceptfromthesimulationandusedforvalidationinthetestrigandvehicle.Theresults(Fig.10)obtainedfromvehiclemeasurementshowthatthefinaldesignconceptwithallnewdesigncombinationiscompletelyfreefromdiagonalshiftblocking.Andalsothetestresultconfirmsthatcontrolprofileisalwaysinleadwhiledoingdiagonalshift.ConclusionThevirtualmodeloftheshiftingsystemmadewiththehelpofsimulationsoftwareisusedtoidentifyandresolvethediagonalshiftblockissueinthemanualtransmission.Withoutthehelpofsimulationsoftwareitishardtosolvethisissueeitherexperimentallyoranalytically.Sothisstudyconfirmsthatmotionsimulationsoftwareisveryeffectiveforidentificationandpreventionofdiagonalshiftfailureinthemanualtransmission.Softwaremakesreal-timevisualizationsofthemechanismwhichispossiblewhereac