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基于协同优化方法的AMT车辆液压变速机构设计
MIAO Cheng-sheng(苗成生），LIU Hai- ou (刘海 鸥），CHEN Hui-yan (陈慧岩），HU Yu-hui(胡宇辉）
(Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
摘要：基于多学科设计优化（MDO），为重型车辆自动化手动变速器（AMT）的液压换档机构提供了一种新的设计方法。以变速汽缸为例，针对汽缸设计问题的协同优化（CO）方法分为一个系统级设计优化问题和三个子系统级设计优化问题。系统级是经济模型，子系统级是机械，动力学和可靠性模型。应用多学科设计优化软件iSIGHT建模和求解，得到了变速缸CO模型的最优解。根据最佳解决方案，将油缸加工出来并安装在AMT系统的齿轮箱上进行台架循环换挡试验。结果表明，优化机构的输出力和作用速度能够很好地满足要求。此外，与传统设计方法的结构相比，优化机构具有更好的性能，这表明CO方法可以优化液压传动的设计。
关键词：液压变速机构;协同优化;自动化手动传输
CLC number: U 463. 212 Document code: A Article ID: 1004-0579(2016)01-0035-07
近年来，作为一种自动变速器，自动手动变速器（AMT）已广泛应用于重型车辆。换档机构是AMT中用于直接操纵换档过程的重要致动器，其影响车辆的动力性能，舒适性和可靠性。对于重型车辆，与气动和电动机械相比，液压执行器是最广泛使用的。
最近对液压换档执行器进行了许多研究。根据原始机械传动系统设计了基于动力学和运动学原理的液压换档机构;同时，提出了AMT液压换档机构的设计和计算。在上述方法中使用的方法中，基于先验知识和单个约束从机械工程手册（MEH）中选择一组初始参数，并进一步验证它们直到它们能够满足所有约束条件。这种方法的缺点是它只能有一个可行的解决方案，而不是一个最优的解决方案。它还具有低效率，是大量计算的原因，特别是当约束累积时。基于这些原因，本文提出了在AMT液压变换机构的设计中使用CO方法的贡献，可以获得最优的设计结果并减少计算工作量。
- AMT液压变速机构原理
作为研究对象，九速手动变速箱ZF 5S-111GP安装在重型车辆上，其主变速箱有五个前进档和一个倒档。通过换档轴的轴向和旋转运动分别实现齿轮选择和换档操作。根据上述原理，液压变速机构设计成实现自动变速操作，如图1所示。除了相关配件外，该机构的主要部件是垂直设置的齿轮选择气缸和变速气缸。这两个圆柱体具有用于三个工作位置的类似结构。注油和卸料由两组2位3通高速开关电磁阀（HSV1 / HSV2，HSV3 / HSV4）控制。 Tab1中显示了每个齿轮的唯一阀门的控制逻辑。以下设计和计算将以换档油缸为例。
换档油缸包含一个活塞杆，活塞，缸体和盖子（图2）。 腔室A和B的充油和排出可分别由HSV3和HSV4控制。 气缸可完成四次运动。 动作1：活塞杆从中间位置移动到正确位置，相当于从空档N到R / 2/4/6/8齿轮的运动; 动作2：从右侧到中间位置（从齿轮R / 214/6/8到齿轮N）; 动作3：从中间位置到左侧位置（从齿轮N到齿轮1/3/5/7/9）; 动作4：从左侧到中间位置（从档位1/3/5/7/9到档位N）。
在气缸设计计算中，设计变量为d1，d2，d3，d4和h。 每个油腔的工作区域可表示为： 。 设计目标是体积应尽可能小，以满足换挡力，快速动作和可靠性的要求。 设计过程中给定的参数如表2所示。
- CO液压变速机构模型
2.1CO液压变速机构的建模
作为广泛使用的MDO方法，CO算法具有高度的自由度。这是一种新的多级优化方法，用于将系统与系统层和子系统层的优化结构耦合。关于系统目标函数作为优化目标，系统优化器基于一致性约束协调每个子系统的优化结果。每个子系统优化器将设计变量和最优解的期望值之间的差异作为优化目标函数，并满足每个子系统的约束条件[9-12]。
液压变速机构的CO模型如图3所示。系统优化器是一种经济模型，其优化目标是气缸的尺寸。子系统优化器是机械模型，动态模型和可靠性模型，分别代表负载约束，速度约束和允许的强度约束。
在图3中，F（z）是系统目标函数; Ji是系统一致性约束，也是子系统i的目标函数; z，x是系统和子系统的设计变量向量; Ci是子系统i的约束条件。
首先，系统层分配预期设计矢量Z的值对子系统的影响。 然后，根据子系统i的约束条件Ci（Xi）le;0，可以求解设计变量和目标矢量Z之间的最小差异，并将优化结果X返回到系统层。 根据X构造的一致性约束，计算系统目标函数的最小值，再次传输到子系统层。然后在多次迭代后甚至可以获得最佳设计结果。
2. 2系统层优化模型
系统层的数学模型包括优化设计目标和子系统一致性约束，如下所示：
其中F（z）是表示圆柱体简化模型大小的优化目标; l是气缸的长度，由换档行程比和两个电磁阀之间的间距确定;焦耳;是系统层的一致性约束和子系统i的目标函数;带有上标“*”的参数表示每个子区域的优化结果。
系统层优化的本质是寻找新的向量Z，其与前一个相比接近最优解，并且降低了X1，X2，X3的不一致程度。因此一致性等式约束，Ji（z）= 0，用于系统级优化问题。这是一种理想状态，只有当Z接近最优解时才是真实的。对于一般情况，它不符合Kuhn-Tucker条件，并且不存在等于约束的拉格朗日乘数，这意味着它没有解。因此，根据子系统之间的不一致信息提出了系统动态松弛算法。
我们可以将Delta;和delta;定义为子系统和松弛值之间的不一致形式：
其中delta;是动态量，随着不一致性的减小将减小，这将为下一次优化提供合适的设计矢量范围，并使X1，X2，X3逐渐收敛。
2. 3子系统的优化模型1
子系统1的优化模型是机械要求的力学模型，这意味着每个换档过程的推力应大于换档力。
其中Fj是气缸输出力; Delta;Si是有效的工作区域; P是油源的主压力P ε [4，4， 5 ] MP a，这是一个不可控制的参数，选择最小值进行计算; F max是制造商提供的最大换档力，采用中性齿轮加工的操作力可选择最大F的20％bull;
2. 4子系统的优化模型2
子系统2的优化模型是动力学模型，其由移位时间体现。换档时间t被定义为完成换档动作时间的时间要求。根据大量经验，该值应小于0.3秒。
换档过程是动态非线性过程，换档时间的准确值不适用于油压和流量的时变特性。因此，它是一个统一的过程，以获得分段近似计算。对于动作1和3，只有一个变速缸的腔室需要用油填充，并且与F max相比，开始80％的行程的负载要小得多，因为它是为了消除空行程。因此在该80％的冲程期间负载为340N。对于动作2和4，在行程的70％开始时，只有一个气缸腔充满油，并且在剩余的30％行程期间气缸的两个腔室都充满油，以实现快速拾取中性齿轮操作。以动作2为例计算换档时间。根据平衡方程和运动关系，可以得到以下方程式
动作时间2可以通过同时进行。 （5）：
可以通过相同的方式获得三个其他动作（t2，t3，t4）的腔室压力和动作时间。然后，快速约束的数学模型可以表示为
其中PA，P 8是腔室A和B的油压;上标1和2表示前后工作阶段; ti表示四个换档行程的换档时间;其他参数如表2所示。
2. 5子系统的优化模型3
子系统3的优化模型是可靠性模型。 根据MER，重新责任主要体现在强度检查上，其中包括油缸壁厚和活塞杆强度。 活塞杆的危险部分是螺纹释放槽。 在MER的基础上，数学优化模型可以表示为
其中F是活塞杆的最大拉应力，与动作3相对应; d0是活塞杆端螺纹的直径d0 = d1 -1.082 5t; 是活塞杆（螺纹释放槽）危险部分的合成应力; 是允许的压力
- CO模型解决方案和结果分析
3. 1 CO模型解决方案
一个CO模型解决方案
通过使用多学科设计优化软件iSIGHTr101进行计算。 使用优化和Matlab建立CO算法模型。 Sys和MATO模块是系统级优化模型，子1，子2和子3模块分别是子系统1,2和3的优化模型，如图4所示。
首先，根据负载F1计算d3的值。之后，根据大小参数之间的关系（h lt;d2 lt;d1 lt;d3 lt; d4）选择一组初始值，这些参数将分配给系统层中的优化组件。在本文中，初始变量值选择如下：10 mm，15 mm，20 mm，35 mm，40 mm，50 mm。经过1494次计算后，通过应用遗传算法优化系统和子系统层获得结果，如表3所示。根据MEH，iSIGHT的优化结果是集成和标准化的。
从Tab3可以看出，与未优化的结果相比，优化的圆柱体的尺寸显着减小，并且d4的减小导致油缸的体积减小了11. 11％。腔室尺寸也减小，单个移位过程中的油量减少，因此流体损失减少并且效率提高。
在优化之前和之后的参数的比较在表4中示出，其中动作2和4中的两个数据表示仅一个阀打开而两个阀同时打开的输出力。从Tab可以看出。 4优化后的输出力可满足换档力要求，优化后的输出力较小，提高了油缸的有效利用率，优化后的动作次数可保证在250 ms以内，这缩短了换档时间并提高了动态性能。
3. 2结果分析
进行台架试验以验证液压变速机构的优化结果。 在试验期间，进行了数千次档位选择和换档动作。 一组测试数据如图5所示，其中HD代表换档位移，XW代表齿轮选择位移，齿轮代表相应的齿轮。
为了更清楚地反映换档过程中的动作时间，两个时区（9. 7 s -10.3 s（I）和14. 3 s - 14. 9 s（II））被分析并显示在图6和Tab5中。 因此可以看出，档位选择时间小于0.1秒，换档时间小于0.2秒。 因此，换档时间可以完全满足实际要求（小于0.3秒）。
- 结论
AMT液压变速机构设计是一个复杂的过程，涉及多学科目标，如经济性，动力性能，可靠性和力学。更重要的是，设计变量可能是连续的或者是混乱的。传统方法不仅效率低，计算量大，而且其解决方案只能作为一种可行的解决方案，而不是最优解。本文提出了一种利用CO方法实现液压变速机构优化设计的新设计方法。
根据液压变速机构的设计目标，将气缸优化模型设计成系统层模型和三个子系统层模型。系统层是经济模型，子系统是机械模型，动态模型和可靠性模型。以变速缸的尺寸设计为例，建立并评估CO优化模型以获得最佳结果。系统层将油缸的体积作为设计目标。子系统1,2和3分别对应于四个工作过程中的负载，时间和强度的要求。
使用多学科设计优化软件iSIGHT获得最优设计参数，然后根据MEH进行整合和标准化。齿轮选择和换挡动作台架试验结果表明，设计结果完全符合载荷要求，速度和可靠性，反映了CO法在工程设计中的实用价值。
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资料编号：[3496]
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