摘要
研发狗齿离合系统的一个主要挑战是选择适当的狗齿离合几何形状以及设计合适的执行系统。本文提出了一种基于仿真的方法来开发这种狗齿离合系统。多体仿真被用来在考虑各种不同差速和扭矩条件下定义适当的狗齿离合几何形状。针对不同的几何形状，优化了换挡时间。基于仿真动力学，应用结构分析来确保组件具有足够的扭矩能力，并避免断裂或疲劳效应。基于模型的方法使得在开发的早期阶段就能进行控制系统的预校准和控制策略的优化。最后，狗齿离合设计在试验台上在组件和传动级别上进行评估和验证。
1引言
对于电动传动装置中的多速变速箱，与摩擦离合器或同步器单元相比，狗齿离合器是一种有趣的替代方案。一方面，狗齿离合系统显示出更高的机械效率并且成本较低。另一方面，潜在的缺点，如需要同步、在不中断扭矩的情况下换挡或在低速时提供高扭矩，在这种装置中影响较小。
狗齿离合系统开发的一个主要挑战是选择适当的狗齿离合几何形状、设计合适的作动系统和优化控制策略。本文提出了一种基于仿真的方法来优化狗齿离合几何形状。通过确保在高差速下可以闭合离合器而不产生磨损、断裂或在高扭矩下打开，来缩短换挡时间。
2狗齿离合设计优化
在虚拟狗齿离合器开发中的第一步是仿真中的设计优化。需要实现在高差速下快速闭合狗齿离合器或在扭矩下打开，同时避免意外打开。
2.1仿真方法
设计仿真方法是多体仿真和有限元分析的结合方法。多体仿真集中于狗齿动力学，重点关注时序、动态力和扭矩。在这里，考虑了狗齿几何形状，特别是包括材料属性、角度或倒角等细节。为了获得真实的行为，当然需要考虑不同离合器部件的摩擦、执行系统的物理特性，或者传动系统中的旋转惯性。动态仿真计算得到的力可以作为有限元分析的边界条件。在这里，可以评估在换挡过程中不同接合情况下的应力和接触压力。目标是避免断裂或疲劳效应。
2.2多体仿真
为了通过仿真演示狗齿离合器几何优化的过程，选择了一个由这种离合器驱动的驻车制动器作为示例。
2.2.1 作为制动器的狗齿离合器
在停车制动器中，出于安全原因，狗齿离合器通常是闭合的。闭合力由弹簧提供，并假定存在液压作动系统，该系统通过加压活塞室来打开离合器。通常闭合意味着，如果不施加压力，离合器处于闭合位置，从而避免了传动系统的旋转。假设作为离合器的是轴向狗齿离合器，即狗齿的方向与离合器活塞的移动方向平行（见图1）。一个具有挑战性的使用案例是紧急制动。在此情况下，车辆制动是通过停车制动器完成的。制动器在相对较高的差速和高扭矩水平下被启动，这对应于车辆的最大制动力。这个使用案例被用作动态仿真的示例。
图1：狗齿离合器示例
2.2.2 动态仿真结果
作为仿真示例，一个具有12个齿、齿宽为10°的径向狗齿离合器在差速约为500 rpm时关闭，这对应于适度的车辆速度。图2显示了仿真离合器位置随时间的变化。这里的位置指的是两个离合器部件和齿尖之间的轴向距离，分别表示。对于正值，离合器是打开的，零相当于齿与齿的接触，负值对应于离合器的接合距离。位置允许在+1（完全打开）和-3（完全闭合）之间变化。对于小于0.1秒的时间，系统被加压，离合器处于初始位置，用橙色标记。0.1秒后，离合器开始关闭。活塞向离合器移动或轻微进入离合器，当齿接触时，活塞会被推回多次。0.3秒后，经过大约20次抖动事件后，齿的重叠区域达到了足够大的约1.7毫米。抖动区域用黄色标记。在蓝色标记的区域中，离合器保持半接合状态。两个离合器部件之间的差速为零，即车辆通过轮胎打滑进行制动。高制动扭矩导致两个离合器部件之间的摩擦力增加。不能进行轴向活塞运动。当车辆在0.84秒后完全停止时，制动扭矩以及离合器中的摩擦力减小，离合器进入完全接合位置。这用绿色标记。
图2：离合器闭合的仿真
当然，所有仿真的时间都取决于初始位置，即关闭过程开始时两个离合器部件之间的夹角。因此，在所有仿真中需要考虑这种统计变化。通过在仿真中改变初始位置，可以得出结论，在所描述的设置中，无法避免抖动，并且抖动时间在0.2秒的范围内。此外，稳定的部分离合位置似乎只有在至少1.5毫米齿的重叠时才可能实现。
图3：闭合时间与齿数和齿宽的依赖关系
在下一个仿真步骤中，分别检查了关闭时间和部分接合时间与齿数、齿宽和间隙宽度的依赖关系。这里我们将间隙定义为两个狗齿之间的距离，减去两个离合器部件的每个狗齿的宽度。在图3中，不同齿数在x轴上给出，不同齿宽在y轴上给出，部分接合时间以颜色表示。蓝色标记的区域表示快速接合时间。通过固定齿数和齿宽，隐式地固定了间隙。如果狗齿宽度固定，并且齿数增加（沿x轴平行移动），则间隙减小。如果齿数固定，并且狗齿宽度增加（沿y轴平行移动），间隙也会减小。具有相同相对间隙宽度的配置，即具有相同的间隙宽度和狗齿宽度的分数，用黑色虚线标记。图表明，需要相对间隙宽度为1或更大才能使接合时间在0.3秒以下。对于较小的相对间隙宽度，接合时间增加，或者根本无法关闭离合器。这种情况标记为白色。额外的仿真表明，需要保证紧急制动的斜面角在5°到10°之间。
为了考虑磨损对关闭时间的影响，假设了狗齿的倒角具有可变高度。假设随着磨损的增加，倒角尺寸也会增加。在仿真中，比较了两种狗齿离合器几何形状，它们具有相对间隙宽度为一的可比几何形状，但齿数明显不同，分别为12和50。对于齿数较多的配置，增加倒角导致接合时间显著增加，因此产生了抖动事件。对于具有12个齿的初始设置，只能看到接合时间的轻微增加。根据这些结果，具有更多齿数的几何形状的接合时间似乎更容易受到磨损的影响。
2.3有限元分析
基于多体仿真，对最有前景的几何形状在不同接合位置进行了强度分析。目标是评估断裂风险以及疲劳效应。当然，需要考虑到，由于例如公差或不对齐，不是所有齿都完全接触。假设了一个接触因子为0.5，这意味着只有50%的齿接触。在图4中，给出了上述仿真中使用的12个齿狗齿离合器进行紧急制动时的应力。对于描述的情景，根应力仍然低于1100 MPa的极限抗拉强度，并且没有齿断裂的风险。基于有限元仿真，可以推导出确保足够低接触压力和减少齿断裂风险的最小齿数以及最小狗齿宽度，具体取决于齿数。
图4: 在部分接合情况下狗齿的应力
3虚拟控制策略开发
对于电驱动单元中的多速传动系统，狗齿离合器具有很高的研究价值。在这种应用中，离合器换挡时的高差速、离合器同步或高惯性是控制策略中的挑战性议题。在这里，离合器的抖动会导致高磨损，这是不被接受的，或者需要将其降到最低限度。在这种应用的控制策略早期开发阶段，多体仿真为测试和预校准控制器提供了一个有吸引力的机会。
3.1使用狗齿离合器进行换挡
作为基于仿真的控制策略开发的示例，使用了重型电动车轴。在这里，采用了径向狗齿离合器设计来在第一档和第二档之间进行换挡。狗齿离合器通过气动驱动系统进行换挡。该设计允许三个位置。如果驱动系统中的两个活塞侧都被加压，那么狗齿就处于中性位置，不会接合任何齿轮。只加压一个活塞侧会导致相应齿轮的接合。除了传动系统中的大惯性导致的高力和扭矩之外，狗齿离合器换挡的另一个挑战是有限的几何选项。事实上，由于驾驶舒适性的原因，离合器中的间隙被减小到最小，这要求在闭合离合器时具有低差速，高同步努力是其结果。另一方面，如果差速太小，那么在齿接触到齿时进一步闭合离合器会变得越来越困难，换挡时间会增加。这些挑战只能在设计特征上部分补偿，例如狗齿尖端的角度或者狗齿上的凹槽，以防止意外开启。
图5: 狗齿离合器的啮合
通常，离合器关闭过程如下。首先，当狗齿处于中性位置，即两个活塞侧都被加压时，需要将离合器处的差速降至可接受范围内。这通过电机进行同步完成。如果达到所需的同步速度，则减小电机扭矩并且激活离合器，即相应的活塞侧减压。当离合器达到接合位置时，驱动电机的扭矩可以再次施加。
3.2狗齿离合器换挡仿真
图5展示了狗齿离合器闭合过程的仿真结果。其中，红色表示狗齿位置或位移，蓝色表示随时间变化的离合器扭矩。位置为0表示中性位置，位于5到7毫米之间的位置表示离合器齿接触，而超过7毫米的位置表示至少部分接合。仿真的第一秒中未绘制同步阶段。在1.1秒后，达到了10转每分钟的目标差速，闭合过程开始。在本例中，两个狗齿部件的首次接触是齿对齿的接触。由于差速，这两个狗齿部件沿着它们的齿尖轮廓移动，直到额外的0.088秒后到达间隙，其中一个狗齿可以进入另一个离合器部件的间隙。如果差速足够低，则在下一次接触时会达到足够大的齿侧接触面积，并且激励力与狗齿凹槽一起支持完全接合，就像图中所示的那样。在离合器中引起的扭矩峰值高达约0.7kNm。如果差速太高，则狗齿会被推回，离合器开始发出嘎吱声。
图6：换挡时间
为了定义适当的目标差速，对不同的同步速度和起始位置重复了仿真。在图6中，给出了在离合器上的几种差速下的同步时间（橙色）和接合时间（紫色）。对于高差速，需要较低的同步力，因此随着速度增加，同步时间减少。对于接合过程，一方面当然有利于具有较小的差速。但另一方面，在齿对齿接触的情况下移动到间隙中需要更长的时间。随着差速增加，接合时间也减少。随着差速的进一步增加，齿对齿接触越来越多地导致离合器的推回。离合器开始发出嘎吱声或根本无法关闭。对于假设的换挡系统，仿真显示目标差速在10到30 rpm范围内是最佳的。
4在试验台上进行控制策略优化
这些仿真结果也在试验台上得到验证。在高于35转每分钟的差速下接合狗齿离合器时，出现嘎嘎声的可能性逐渐增加，或者完全无法关闭离合器。随着差速的降低，此类嘎嘎声事件的概率也会减少。但在试验台上还可以看到，对于非常小的差速，齿对齿接触处的摩擦力会阻止两个狗齿离合器部件相互旋转，导致离合器根本无法关闭。通过调整齿的几何形状，即，在齿尖处采用专用形状，这种情况无法完全避免，因此控制策略需要相应地进行调整。
图7: 在测试台上的换挡事件
在图7中，对于在试验台上从2档到1档的减档，进行了这样的调整解释。x轴表示测量时间。在上图（橙色线）中给出了离合器位置。这里，高于20毫米的值表示2档已接合，而接近零的值表示1档已接合。5到20毫米之间的狗齿位置等效于中性位置。在第二个图中给出了电机速度（紫色线）。由于无法直接测量差速，因此电机速度与传动输出速度一起用于控制目的。第三个图（粉红色线）显示了电机扭矩，而第四个图则突出显示了气动阀的状态。如果两个阀中只有一个是活动的，则离合器被推向相应档位的方向。如果两个阀都是活动的，则离合器被置于中性位置，如果没有阀是活动的，则应保持实际状态不变。换挡可以分为以下步骤，按照图中的编号进行：
1. 初始阶段：2档已接合。为了允许离合器打开，电机扭矩已经降低到一个较小的值。
2. 在第2步中，两个阀被激活，离合器移动到中性位置。
3. 在第3步中，进行同步。通过施加扭矩，电机加速。当达到目标速度，即所需的差速时，扭矩再次降低。
4. 在第4步中，尝试关闭离合器。相应的阀被加压。但是，由于齿对齿的接触，无法进行接合。离合器停止并保持在5毫米位置。
5. 当在一定时间间隔后无法关闭离合器时，执行第5步。两个阀都被激活，离合器被换回中性位置。
6. 在第6步中，施加短暂的扭矩峰值以再次产生一些差速。
7. 经过一段时间间隔后，尝试第二次关闭离合器。现在，离合器移动到0毫米位置，1档已接合。
8. 在第8步中，换挡完成，并再次施加扭矩给电机。
通过类似所述的调整，可以在试验台上对控制策略进行微调。
5结论
本文提出了一种基于仿真的狗齿离合器设计方法，一方面有助于减少开发时间和成本，另一方面减少了技术风险。通过使用多体仿真，可以在开发的早期阶段就定义和优化狗齿离合器的几何形状。考虑了齿的数量、专用齿型或不同材料的影响，并评估了其对离合器开闭时间的影响。通过有限元仿真，可以确保足够的强度，并避免断裂或疲劳效应。多体仿真得到的动态力已经作为所需边界条件的合理假设。除了几何设计调整之外，仿真还用于分析换挡事件，并开发和预校准适当的控制策略。通过这种虚拟方法，可以在进入硬件测试之前达到较高的成熟度水平。最后，仿真结果在试验台上得到了验证。
