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一种用于自动飞轮辅助手动变速器模型
摘要
本文着重于飞轮辅助变速器的模型和动力学分析，旨在减小变速操作中的扭矩间隙。完全被动的装置由将飞轮安装在太阳轮轴上的行星齿轮组组成，可将发动机连续连接至负载轴。 根据工作条件，当离合器分离时，它既可以吸收发动机的能量，也可以将先前存储的动能传递给车轮，从而通过对发动机和离合器进行适当的协调控制，可以实现更好的车辆性能和行驶舒适性。
关键词：自动手动变速箱；飞轮；汽车变速箱；扭矩间隙填充器
第1章 绪论
为了获得更好的车辆性能，尤其是在换档阶段，并最终减少燃油消耗，近年来，对汽车变速器的研究已深入开展[3]，[6]，[2]。。在这种一般背景下，取决于变速箱类型，仍然需要解决不同的问题：手动变速箱的扭矩间隙（MT）[4]，[7]；用于无级变速器（CVT）的发动机旋转惯性加速度[9]；自动变速器的效率（AT）[5]。
为了减少此类缺陷，许多汽车制造商最近开始开发新系统。扭矩间隙填充器（TGF）装置可用于自动手动变速器（AMT），目的是消除或至少减小在换档瞬变期间发生的扭矩间隙[4]。双离合器变速箱（DCT）通过将扭矩从一个离合器传递到另一个离合器来实现换挡，而不会由于离合器[1]，[3]的受控打滑而产生牵引力中断。其他解决方案以配备有功率分配周转齿轮的CVT为代表，该齿轮在所谓的零惯性（ZI）动力总成中安装了钢制飞轮[8]。引入了脉冲位移（IS）原理[9] 改进ZI系统，减小飞轮尺寸，并进一步改善瞬态过程中的车辆响应。
所有这些系统都针对两个相反的目标：就加速器响应而言提高车辆的驾驶性能，并优化燃油消耗。为了获得这些结果，有必要在稳态操作下以低发动机速度驾驶车辆。如果采用动力分配装置，则在换档瞬变期间，可以将存储在飞轮中的能量传递到车轮上。能量可以在加速器退出阶段或固定齿轮[6]的加速阶段积累。
在本文中，作者介绍了用于配备AMT的车辆的传动系统模型。经典布局进行了修改，在发动机轴和变速箱输出轴之间安装了附加的行星齿轮，该行星齿轮也与飞轮连接。该附加设备的目的是通过完全被动的装置来减小换档过程中出现的转矩间隙。该结果可以在升档或降档的过渡过程中绕过变速箱而获得。必须对发动机和离合器进行适当的协调控制，以优化系统性能并减少由于离合器滑动瞬变过程中的摩擦引起的损失。值得强调的是，这种设备的存在不会在正常的车辆行驶过程中造成重大损失。
第二章 传动系模型
提议的传动系（图1）具有安装在行星轮系太阳轮上的飞轮，该飞轮位于发动机轴（连接到齿圈）和变速箱输出轴（连接到行星架）之间，动态特性不同。行为取决于离合器状态；因此可能出现三种情况：
bull; 离合器处于滑动状态，齿轮啮合：系统具有两个自由度和速比 发动机和副轴之间的距离不恒定；
bull; 离合器分离，降档或升档阶段：变速箱被旁路，由于忽略了同步动力学并且速比不是恒定的，因此系统具有两个自由度。
bull; 离合器啮合，齿轮啮合：速比恒定，系统具有单个自由度。
图图1 传动系统草图。
在以下各节中，在对行星齿轮系进行建模之后，将分析三种不同的情况以及相应的动力学方程。
只有一个自由度的车辆动力学是用等效惯量建模的()和扭矩()作用在副轴上，即：
（1）
其中m是车辆质量，R是车轮半径， 是车轮惯性， 是最终减少量，V是车速， 和 是车辆的实验性滑行系数，是道路坡度
2.1 周转齿轮系的模型
经典的行星齿轮传动装置如图2所示，其中角速度和转矩的符号约定也可见。该机制具有两个自由度，因此可以通过威利斯公式，根据载架和环的速度来评估太阳的速度：
（2）
是齿圈和太阳轮半径之间的比率。
图2 周转齿轮系速度（左）和扭矩（右）。
定义比例也很方便，代表环和行星架之间的特定速比，对应于太阳的零速（）; 显然，如果然后，反之亦然。
为了勾勒出安装在太阳上的惯性的贡献，随之而来的是忽略行星轮系齿轮的惯性（即）; 此外，为简单起见，也不会考虑由于啮合和轴承摩擦而造成的损失（即）。
因此它产生
（3）
和
（4）
2.2 离合器处于滑动状态且挂入齿轮
当离合器滑动且齿轮啮合时（图3） 不是恒定的，主轴转速 由所选变速比的运动学决定: .。
图3 离合器滑动且挂入齿轮时的自由体图。
让和分别为发动机与齿圈之间以及齿轮架与输出轴之间的速度比；参照图3，图4的符号约定，其成立
（5）
由于飞轮已连接至太阳轮（），从等式 （2）中得到
（6）
且
（7）
让表示消除飞轮转速的发动机与副轴之间的特定速比; 因此,（6）可以表示为
（8）
因此，由于 和 在向前行驶中总是相反的，它产生
（9）
等式（6） 可以得出角加速度之间的关系：
（10）
下列方程式分别适用于发动机轴和负载轴：
（11）
（12）
是离合器在滑动状态下传递的扭矩，是变速箱主轴在输出轴上施加的扭矩。下标e表示发动机，l表示副轴，r表示环，s表示太阳，c表示齿轮架，cl表示离合器。
图4 离合器接合时的力图。
显然，它成立
（13）
是变速箱比率（即）
记住太阳轮与飞轮相连，在功率损失是由于空气拖曳效应的假设下，它产生
(14)
是功率损耗的常数。
(15)
和
(16)
因为
(17)
并且
(18)
经过几段之后，它会产生
(19)
(20)
动力沿着两个不同的路径从发动机流到车轮，即通过变速箱和行星齿轮组；功率根据发动机扭矩和离合器扭矩之间的差异分配。值得注意的是，由于（）⩾0 和 ，然后将附加惯性项相乘 在发动机和负载轴上始终为正。
此外，如果出现以下情况，飞轮损耗会对副轴产生驱动作用： ，即; 发动机轴上发生相反的行为。考虑到当 始终在飞轮轴上承受阻力的空气阻力扭矩具有与惯性扭矩相同的符号（与飞轮加速度相反），当 ，从而增加了施加在太阳轴上的反作用扭矩；因此，传递给车轮的扭矩也增加了。
2.3 离合器分离和换档
离合器打开的情况对应于滑动情况的特定条件：实际上，离合器传递的扭矩为零（即），但传动系统仍具有两个自由度，并且比率并非恒定。由于没有扭矩作用在主轴上，因此同步阶段可以像MT一样精确地致动，而无需修改传统变速箱内部组件的设计。同步动力学可以忽略不计，因此可以通过在初级和次级轴速之比之间进行阶跃变化来简单地模拟变速。
在这种情况下，所有发动机能量都流过行星齿轮组，而通过飞轮的惯性作用传递动力以传递给车轮所需的反作用扭矩，并且取决于飞轮 的符号和其旋转损耗。
2.4 离合器啮合和齿轮啮合
在正常的动力传动系统运行期间，传动比等于主轴和副轴速度之比，因为它是由选定的齿轮施加的；因此它是常数（）。
当离合器关闭且齿轮啮合时（图4），发动机和负载轴平衡方程分别变为：
(21)
(22)
同时
(23)
并且是我常数
(24)
飞轮加速度为
(25)
显然，系统现在只有一个自由度，由以下等式描述：
(26)
必须注意的是，附加的飞轮惯性和旋转损耗总是会对固定档位的系统加速产生阻力，其重要性随着传动比之间的差异而增加 和比例 。在静止状态下（即），部分发动机动力必须流过太阳，以维持飞轮不断旋转。
第三章 FAMT动态行为
可以观察到以下情况（图5）
固定齿轮恒速：假设转子损失可忽略不计（），发动机提供的动力通过离合器完全传递到传动系统中，而行星齿轮的输入和输出动力均为零（a）；
固定挡加速：发动机提供的动力既通过离合器流入齿轮箱，又进入行星齿轮系。该工作条件总是不利于车辆加速（b）；
离合器断开时换档：发动机提供的动力完全传递给行星齿轮。取决于的值和的符号 发生两种相反的情况：
当和 要么 和 时，由于部分可用能量存储在飞轮（c）中，因此传递到车轮的动力小于发动机动力；
当和 要么 和 时由于飞轮将能量提供给负载轴（d），因此发动机功率得到了放大。
但是，这两个条件都保证了离合器打开时发动机和负载轴之间的机械连接，从而增加了车轮上可用的总动力。
图5 不同的功率流：恒定速度（a）；加速度（b）; 换档（c）和（d）。
有趣的是，忽略了飞轮损耗（即），当离合器分离时
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