基于整车驻车试验的DCT箱体强度耐久仿真

文新海，殷金菊，张 磊，董立伟，黄 勤

基于整车驻车试验的DCT箱体强度耐久仿真

文新海1，殷金菊1，张 磊1，董立伟1，黄 勤2

（1.麦格纳动力总成（江西）有限公司，江西 南昌 330013；2.江西五十铃汽车有限公司，江西 南昌 330100）

以某双离合变速器（DCT）为研究对象，文章提出了基于整车驻车试验的DCT箱体强度及疲劳寿命预测方法。基于ADAMS建立目标车型，包含驻车系统整车冲击载荷仿真的系统模型，通过对不同驻车工况进行动力学仿真，获取对应工况下，驻车系统冲击载荷时域数据并与试验对标，验证了仿真结果的准确性。搭建DCT传动系统总成有限元模型，结合多体动力学仿真的整车冲击扭矩峰值及驻车系统的耐久试验载荷谱，分析了DCT箱体的强度及耐久性能，为DCT结构设计的正向开发及校验提供参考。

DTC箱体；耐久仿真；整车驻车试验；动态冲击；疲劳寿命

驻车系统是整车安全的关键系统，要求简单可靠且具有极高的耐久性能[1]。驻车机构的设计需要满足以下要求：在一定的速度范围内，能够顺利挂入P挡以锁住变速器，同时在较高车速下避免发生驻车锁止。如果驻车锁止发生在较高车速下，强大的整车惯性冲击力可能会导致变速器损坏，甚至危及乘员安全。因此，驻车机构应确保在较高车速时不会发生锁止，且禁止挂入P挡[2]。以往研究[3-6]仅局限于驻车机构本体的操作性或者其强度耐久性能，而由于双离合变速器（Dual Clutch Transmission, DCT）结构的复杂性，鲜有研究对驻车工况下DCT箱体的强度耐久性能进行全面的考虑。

1 驻车系统的耐久试验载荷谱生成

1.1 驻车系统整车多体动力学模型搭建

基于ADAMS建立目标车型，包含驻车系统的整车冲击载荷仿真系统动力学模型，整车模型和变速器模型。整车模型考虑整车满载质量、轴距、重心高度、轮胎、半轴和道路系统等（见表1）。轮胎与道路系统的构建包括了车轮的整体质量、车轮轮毂和轮胎部分的转动惯量、车轮轮胎部分的阻尼和刚度，以及轮胎与地面的接触模型。基于驻车系统所对应的半轴的阻尼和刚度参数构建半轴系统。变速器模型考虑双离合器、输入输出轴、齿轮副、差速器总成等旋转件的转动惯量、阻尼及扭转刚度等，搭建包含驻车系统的整车峰值扭矩仿真动力学模型。

表1 驻车系统整车多体动力学模型主要参数

参数名称参数值 满载质量/kg2 400 扭转弹簧预紧力矩/(Nm)1.45 整车重心高度/mm650 轮胎动态滚动半径/mm360 轮胎静摩擦系数1.2 左半轴扭转刚度/[(Nm)/(°)]181 右半轴扭转刚度/[(Nm)/(°)]126 离合器1惯量/(kg·mm2)6 400 离合器2惯量/(kg·mm2)4 600 轮胎扭转刚度/[(Nm)/(°)]588

1.2 驻车工况定义及载荷分析

车辆在日常使用中会经历不同的驻车工况，这些工况会对变速箱驻车系统产生不同程度的冲击。为了标准化日常的驻车工况，将其分为以下三个典型场景：

1.坡道完全静态驻车工况

当车辆停在一定角度的坡道上（一般取12%和32%），车头可以朝上或朝下，驻车棘爪正好挂入驻车齿轮齿槽中，使其处于锁止状态。随后松开刹车，驻车棘爪和驻车齿轮开始产生相对作用，由于重力作用，车辆会产生整车坡道驻车的静态载荷。

2.坡道准静态驻车工况

模拟车辆在静止于一定角度的坡道上开始驻车的情景。当车辆静止于一定角度的坡道上（通常取12%和32%），刹车踏板完全制动，控制单元系统发出P挡挂入信号。此时，驻车棘爪和驻车齿轮并未锁定，而是相接触。随后，车辆在松开刹车后开始滑入下坡道，驻车棘爪滑入驻车齿轮齿槽中，棘爪和驻车齿轮开始相互作用，由于重力作用，车辆会来回晃动，直到完全静止在坡道上。在此过程中，会产生整车坡道驻车的冲击载荷。坡道驻车时，车头向上和车头向下两个方向都会影响整车受力大小。

3.平路驻车工况

模拟在平直路面上，目标车辆在低速（5 km/h）蠕行时开始驻车。首先，通过变速器速比和轮胎参数将整车车速转化为发动机输入转速。整车处于滑行减速过程时，控制单元系统发出P挡动作信号，驻车棘爪和驻车齿轮开始锁止。当车速以高于动态挂入车速挂入P挡时，驻车凸轮会推动驻车棘爪压向驻车齿轮的齿槽。由于车速较高，驻车棘爪卡入齿槽的深度较浅，其滚轮未运动到驻车凸轮的圆弧锁止面时，驻车棘爪即被驻车齿轮弹回。

随着车速降低，驻车棘爪卡入齿槽的深度不断增加，直至其滚轮运动到驻车凸轮的圆弧锁止面时，车辆迅速减速并最终达到完全静止状态。随后挂入P挡，直到车辆静止过程中产生的峰值扭矩为整车平地驻车工况下的峰值扭矩。车辆进行正反向驻车，不仅会影响整车受力，而且在P挡驻车锁止状态下，棘爪与驻车齿轮有两种接触方式，即棘爪齿爪内侧与驻车齿轮齿槽相抵，棘爪齿外侧与驻车齿轮齿槽相接触。

在整车试验阶段，采用无线遥感技术测试获取整车驻车工况下的半轴扭矩数据，并与多体动力学结果对比（见表2）。发现测试的半轴扭矩较多体动力学的仿真结果偏小，分析其原因为多体动力学仿真未能考虑结构的柔性变形，导致冲击载荷略微偏大，且两者差异在5%以内。因此，证明了多体动力学仿真结果的准确性。

表2 驻车冲击载荷多体动力学仿真与测试结果对比

驻车载荷多体动力学仿真结果整车驻车测试结果 工况驻车齿轮最大扭矩/(Nm)驻车棘爪最大接触力/kN半轴最大扭矩/(Nm)半轴最大扭矩/(Nm)半轴扭矩仿真与测试差异 工况1f12%坡道静止正向驻车2205.81 0441 027-1.6% 工况1b12%坡道静止反向驻车-220-5.8-1 044-1 028-1.5% 工况2f32%坡道静止正向驻车55014.92 6202 555-2.5% 工况2b32%坡道静止反向驻车-550-14.9-2 620-2 560-2.3% 工况3f12%坡道准静止正向驻车55615.12 6352 541-3.6% 工况3b12%坡道准静止反向驻车-548-14.4-2 598-2 512-3.3% 工况4f32%坡道准静止正向驻车1 14931.65 4335 205-4.2% 工况4b32%坡道准静止反向驻车-829-21.7-3 919-3 782-3.5% 工况5f平路正向蠕行驻车1 07229.15 0714 860-4.2% 工况5b平路反向蠕行驻车-903-23.9-4 269-4 116-3.6%

2 变速器箱体强度耐久有限元仿真

2.1 有限元仿真模型搭建

搭建变速器总成的有限元分析全模型时，需要对各部件进行网格离散。变速器壳体、差速器壳体和驻车棘爪等形状不规则的零部件使用高阶四面体单元进行离散。而挡位齿轮、输入输出轴、轴承和螺栓等则使用六面体非协调单元进行离散。

为了传递载荷，需要建立各零部件之间的连接关系。具体来说，变速器前壳体与后壳体之间采用摩擦接触，并通过螺栓进行绑定连接。变速器壳体与各轴承外圈之间设置摩擦接触和过盈量。轴承内圈与轴配合绑定，而轴承滚子则使用GAP单元替代，连接轴承的内圈和外圈。变速器中各啮合的挡位齿轮之间采用摩擦接触（见图1）。

2.2 强度分析

由于车辆质量或冲击惯性，会对轮胎和半轴产生冲击扭矩，且会通过差速器传递到带有驻车齿轮的变速器内部输出轴。由于驻车棘爪的锁止作用，冲击载荷会传递到驻车机构和固定驻车机构的变速器箱体。

约束有限元模型中，与发动机配合的接合面3个平动自由度及3个转动自由度，约束差速器半轴齿轮绕半轴旋转的转动自由度。向有限元模型中的轴承施加轴向及径向紧固过盈量，并对螺栓施加预紧力进行预紧步分析得到第一应力结果。在驻车棘爪及驻车齿轮上按表2工况施加正向驻车峰值载荷进行加载，求解正向驻作用下的第二应力结果。按表2工况施加反向驻车峰值载荷，求解反向驻作用下的第三应力结果，依次对工况1至工况5进行求解。变速器箱体应力云图如图2所示，应力均低于材料强度极限（材料牌号：ADC12，抗拉强度≥240 MPa），静强度符合要求。

2.3 疲劳寿命分析

根据单个工况的循环次数，将驻车系统峰值扭矩的仿真结果叠加，以获取驻车试验全寿命周期的耐久仿真载荷谱（见表3）。

表3 驻车耐久仿真载荷谱

参数工况1工况2工况3工况4工况5 循环次数20 0004 00020 0001 00020 载荷方向正/反向交替

在疲劳分析软件FEMFAT中，根据工况1（12%坡道静止正反向驻车）的预紧步分析结果、正向驻作用下的第二应力结果，以及反向驻作用下的第三应力结果加载，构建应力预设列矩阵，模拟驻车工况1（12%坡道静止正反向驻车）预紧－正向驻车－预紧－反向驻车－预紧的整车试验过程。在疲劳分析软件中输入变速器箱体的材料疲劳特性曲线、材料表面粗糙度等参数，以及驻车耐久仿真载荷谱，计算变速器箱体在驻车工况1下的疲劳损伤。同理计算变速器箱体在驻车工况2至工况5下的疲劳损伤结果。根据疲劳累积损伤定律之线性Miner疲劳法则，对表2各工况下的变速器箱体疲劳损伤进行叠加，获得变速器箱体在整个驻车试验全周期的疲劳损伤（见图3）。

图3 变速器箱体驻车试验全周期的疲劳寿命云图

3 结论

本文基于日常典型应用场景的驻车工况运动特点，采用ADAMS建立了包含DCT驻车系统的整车冲击载荷仿真系统模型，通过对不同驻车工况进行动力学仿真，获取对应工况下的驻车系统冲击载荷时域数据，并与整车驻车试验获取的载荷进行对比，验证了多体动力学仿真结果的准确性。通过多体动力学和有限元的联合仿真，获取了变速器箱体的峰值应力结果，结合驻车系统的耐久仿真载荷谱及变速器箱体应力有限元分析结果，对变速器箱体进行了疲劳分析，有效评估了DCT箱体在驻车试验全周期的疲劳损伤，为DCT的结构正向设计和校验提供了参考。

[1] 赵雪松,白秀超,顾振宇,等.驻车动态性能仿真分析[J].汽车技术,2021(8):57-62.

[2] 杨成.纯电动汽车P挡系统的驻车性能及疲劳寿命分析[D].长沙:湖南大学,2021.

[3] 孔田增,朱中文.自动变速器P挡驻车机构原理、结构与性能分析[J].汽车实用技术,2021,46(8):57-62.

[4] 杨仕林,丁问司.基于ADAMS的某DCT驻车性能仿真与试验研究[J].汽车技术,2020(1):25-30.

[5] 余春祥,倪良军,胡军,等.基于动力学仿真变速器驻车速度设计方法研究[J].汽车制造业,2022(2):40-42.

[6] 张磊,何建涛,冯飞,等.干式DCT驻车机构性能分析与试验[J].汽车技术,2018(1):59-62.

Strength and Durability Simulation of DCT Box Based on Vehicle Parking Test

WEN Xinhai1, YIN Jinju1, ZHANG Lei1, DONG Liwei1, HUANG Qin2

( 1.Magna Powertrain (Jiangxi) Company Limited, Nanchang 330013, China; 2.Jiangxi-Isuzu Motors Company Limited, Nanchang 330100, China )

Taking a dual clutch transmission (DCT) as the research object, a method for predicting the strength and fatigue life of DCT box based on vehicle parking test is proposed in this paper.Based on ADAMS, the system model of the vehicle impact load simulation of the target model including the parking system is established. Through the dynamic simulation of different parking conditions, the time domain data of the impact load of the parking system under the corresponding working conditions are obtained and compared with the test, which verifies the accuracy of the simulation results. The finite element model of DCT transmission system assembly is built. Combined with the peak impact torque of the whole vehicle and the load spectrum of the endurance test of the parking system, the strength and durability of the DCT box are analyzed, which provides a reference for the forward development and verification of the structural design of DCT.

DCT box;Durability simulation;Vehicle parking text;Dynamic impact;Fatigue life

U463.212

A

1671-7988(2023)19-123-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.024

文新海（1982－），男，硕士，高级工程师，研究方向为汽车整车及零部件CAE, E-mail:xinhai.wen@magna.com。