汽車變速器同步器磨損壽命的預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)

徐占 李松松 項(xiàng)小雷 單華強(qiáng)

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

汽車變速器同步器磨損壽命的預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)

徐占 李松松 項(xiàng)小雷 單華強(qiáng)

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

為準(zhǔn)確考核及評(píng)價(jià)汽車變速器同步器磨損壽命，根據(jù)同步器的磨損特征，結(jié)合道路使用試驗(yàn)、換擋載荷譜的采集與處理以及疲勞磨損理論模型，建立了同步器磨損壽命預(yù)測(cè)的計(jì)算模型和評(píng)價(jià)方法。利用所建立的模型和評(píng)價(jià)方法，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)某微型車AMT同步器磨損壽命進(jìn)行了考核及評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，所建立的同步器磨損壽命預(yù)測(cè)模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)同步器磨損壽命，與實(shí)際磨損量的最大誤差在15%以內(nèi)。

1 前言

在汽車變速器總成中，同步器是實(shí)現(xiàn)換擋輕便和平順的主流結(jié)構(gòu)形式，但隨行駛里程與換擋次數(shù)的增加，同步器的后備行程(同步環(huán)與齒輪錐環(huán)之間的間隙)逐漸變小，當(dāng)后備行程為零時(shí)，會(huì)因同步環(huán)與結(jié)合齒錐面無(wú)法產(chǎn)生摩擦而導(dǎo)致同步器失效。因此，同步器后備行程是影響其磨損壽命的主要參數(shù)。

目前，對(duì)于基于變速器壽命里程及實(shí)車道路行駛工況進(jìn)行同步器磨損壽命的預(yù)測(cè)及考核一直缺乏準(zhǔn)確的理論計(jì)算模型和試驗(yàn)評(píng)價(jià)體系及方法，設(shè)計(jì)階段往往憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行同步器后備行程的設(shè)計(jì)，而在進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)及道路試驗(yàn)的考核評(píng)價(jià)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)二者評(píng)價(jià)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)的情況。為解決上述問(wèn)題，本文建立了同步器磨損壽命預(yù)測(cè)模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)車換擋測(cè)試制定了同步器壽命臺(tái)架試驗(yàn)方法，使道路試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)具備了等同的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 建立同步器磨損壽命預(yù)測(cè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

同步器總成工作時(shí)的磨損形式為疲勞磨損，這種磨損形式分為早期的快速磨損階段Ⅰ、穩(wěn)定磨損階段Ⅱ及后期的加速磨損階段Ⅲ[1]，如圖1所示。由于階段Ⅰ和階段Ⅲ的磨損率處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此本文主要針對(duì)穩(wěn)定磨損階段Ⅱ進(jìn)行研究。

對(duì)于穩(wěn)定磨損階段II，可依據(jù)式（1）建立磨損量與磨損次數(shù)的關(guān)系[1，2]：

式中,A為磨損量；E為每次行程中因磨損所消耗的能量；N為磨損次數(shù)。

對(duì)于同步器總成的疲勞磨損，式（1）可寫為：

式中，τmax為摩擦面上最大剪應(yīng)力；S為每次磨損的摩擦行程，即1次換擋過(guò)程同步環(huán)錐面相對(duì)于接合齒錐面轉(zhuǎn)動(dòng)的距離；c為磨損常數(shù)。

通常摩擦表面的磨損量以垂直表面的磨損厚度來(lái)表示，如圖2中的h1(同步環(huán)摩擦錐面磨損量)與h2（同步錐摩擦錐面磨損量)。根據(jù)組合磨損[3，4]的特點(diǎn)，結(jié)合同步器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，可將錐面磨損量轉(zhuǎn)化為后備行程的磨損量Q：

式中，P為兩摩擦表面垂直方向上磨損量之和。

基于上述分析，對(duì)于1次磨損過(guò)程的磨損量P計(jì)算式為：

將式（4）～式（6）代入式（3）并化簡(jiǎn)后得：

式中，r為摩擦環(huán)小徑；R為摩擦環(huán)大徑；θ為摩擦環(huán)錐面半錐角；μ為摩擦副間摩擦因數(shù)；F為換擋力；ω1為被同步側(cè)轉(zhuǎn)速；ω2為同步側(cè)轉(zhuǎn)速；t1為同步起始時(shí)刻；t2為同步完成時(shí)刻；α為最大剪切力的修正系數(shù)，可通過(guò)建立有限元模型獲得。

式（7）即為同步器磨損壽命預(yù)測(cè)的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，通過(guò)該式可建立同步器磨損常數(shù)、摩擦副間結(jié)構(gòu)參數(shù)等與后備行程間的關(guān)系。其中，磨損常數(shù)是表征同步器磨損速度的關(guān)鍵參數(shù)，該常數(shù)通過(guò)試驗(yàn)獲得。

基于以上分析，1擋同步器1次磨損的磨損量為：

對(duì)于2擋，對(duì)其后備行程磨損的換擋包括1擋升2擋及3擋降2擋，因此，2擋同步器后備行程1次磨損的磨損量為：

對(duì)于其它擋位同步器磨損可以以此類推。將每次每個(gè)擋位同步器后備行程磨損量進(jìn)行累加得：

式（11）中，n表示變速器最高擋位，根據(jù)式（11）即可計(jì)算出各擋位下的磨損常數(shù)c。將求得的各c值帶入半經(jīng)驗(yàn)公式（7），可得：

式（12）即為同步器磨損壽命預(yù)測(cè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

3 同步器磨損壽命的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

為準(zhǔn)確驗(yàn)證同步器的磨損壽命，國(guó)內(nèi)普遍采用強(qiáng)化的臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)預(yù)先考核及評(píng)價(jià)，而對(duì)于臺(tái)架試驗(yàn)條件能否真實(shí)模擬和代表道路使用條件則一直是研究的難題。為此，首先通過(guò)道路試驗(yàn)進(jìn)行換擋載荷譜的采集及處理，然后結(jié)合同步器磨損壽命的半經(jīng)驗(yàn)公式制定臺(tái)架試驗(yàn)條件及評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1 道路換擋載荷譜的采集

為使采集的數(shù)據(jù)具有普遍性，應(yīng)選擇需頻繁換擋且高速行駛的工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由式（8）可知，應(yīng)采集的信號(hào)包括擋位信息、換擋力F、同步時(shí)間t1和t2、被同步側(cè)轉(zhuǎn)速ω1及同步側(cè)轉(zhuǎn)速ω2的變化等。

3.2 道路換擋載荷譜采集數(shù)據(jù)的處理

道路數(shù)據(jù)采集完畢后，根據(jù)式（8）計(jì)算出各工況下各擋位下每次換擋時(shí)的H值并進(jìn)行累加，得到所采集里程各工況下各擋位的H值。此外，為保證采集的數(shù)據(jù)具有代表性，應(yīng)對(duì)實(shí)際使用中經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)度磨損擋位的數(shù)據(jù)進(jìn)行有條件的統(tǒng)計(jì)強(qiáng)化，考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有離散性，可采用泊松分布進(jìn)行強(qiáng)化。

3.3 試驗(yàn)條件制定方法

同步器壽命臺(tái)架試驗(yàn)的條件是確定換擋時(shí)變速器輸出軸轉(zhuǎn)速，通?；谝韵?種原則確定輸出軸轉(zhuǎn)速：原則一，采用符合大多數(shù)駕駛?cè)藛T習(xí)慣的車速來(lái)?yè)Q算變速器輸出轉(zhuǎn)速，該方法應(yīng)用正態(tài)分布進(jìn)行轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)處理，將累計(jì)概率為95%處的轉(zhuǎn)速點(diǎn)作為試驗(yàn)條件；原則二，采用最高輸入轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)條件，該方法優(yōu)點(diǎn)是能夠考核最惡劣的使用工況，且試驗(yàn)周期短，但與實(shí)際換擋工況差別較大。

3.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)制定方法

對(duì)同步器壽命臺(tái)架試驗(yàn)后的評(píng)價(jià)有2個(gè)方面：一是臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌蛲瓿上喈?dāng)于變速器實(shí)車壽命里程下的換擋次數(shù)；二是臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)余留一定比例的后備行程，以保證同步器磨損壽命有一定的使用安全系數(shù)。

對(duì)于換擋次數(shù)的計(jì)算，首先根據(jù)式（13）計(jì)算出實(shí)車換擋載荷譜下各擋位同步器后備行程磨損量，再計(jì)算出各擋位在前述試驗(yàn)條件下1次換擋的H（H2-1、H1-2、H3-2、…Hn-（n-1））值，然后依據(jù)式（14）計(jì)算出各擋位完成實(shí)車變速器壽命里程下磨損量應(yīng)進(jìn)行的臺(tái)架試驗(yàn)次數(shù)。最后，若各擋位能夠完成試驗(yàn)次數(shù)且余留一定比例的后備行程（推薦采用20%），則認(rèn)為該變速器后備行程滿足整車使用需求。

4 某微型車AMT同步器磨損壽命評(píng)價(jià)方法

在某微型車AMT同步器壽命臺(tái)架試驗(yàn)中，當(dāng)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行考核及評(píng)價(jià)時(shí)，出現(xiàn)了同步器后備行程過(guò)度磨損的現(xiàn)象，且試驗(yàn)次數(shù)遠(yuǎn)達(dá)不到評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。但是，該變速器在實(shí)車道路試驗(yàn)中并未發(fā)生同步器后備行程過(guò)度磨損現(xiàn)象，即臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果并不能反映同步器后備行程在實(shí)車中的磨損情況。為此，根據(jù)前述方法制訂了該微型車變速器同步器磨損壽命的臺(tái)架試驗(yàn)條件及評(píng)價(jià)方法。

4.1 實(shí)車換擋載荷譜的采集

根據(jù)換擋載荷譜數(shù)據(jù)采集制定方法，采集工況里程比例分配如圖3所示，采集里程為2 500 km。

4.2 采集數(shù)據(jù)的處理與強(qiáng)化

完成實(shí)車數(shù)據(jù)采集后，從數(shù)據(jù)中提取出不同路況下每次換擋時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后按照各擋位每次換擋時(shí)H的計(jì)算方法得到該變速器壽命里程（20萬(wàn)km）下強(qiáng)化后的換擋載荷譜∑H，如表1所列。

表1 強(qiáng)化處理后的實(shí)車采集換擋載荷譜

4.3 臺(tái)架試驗(yàn)條件的制定

采用前述原則一進(jìn)行該變速器臺(tái)架試驗(yàn)方法的制定。首先對(duì)各擋位實(shí)際換擋時(shí)的輸入軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4。由圖4可看出，大部分擋位的換擋轉(zhuǎn)速均處于一個(gè)較寬的范圍內(nèi)，因此，在確定輸入軸轉(zhuǎn)速時(shí)不能簡(jiǎn)單采用均值或最大值作為臺(tái)架試驗(yàn)的輸入。為便于判斷輸入軸轉(zhuǎn)速的分布規(guī)律，需針對(duì)每個(gè)擋位下的常用換擋轉(zhuǎn)速范圍的換擋次數(shù)出現(xiàn)頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所列。

表2 各擋位換擋時(shí)在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)換擋次數(shù)出現(xiàn)頻次統(tǒng)計(jì)

根據(jù)各擋位主要的換擋區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果，各擋位換擋時(shí)的輸入軸轉(zhuǎn)速集中在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)間內(nèi)，根據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)相關(guān)理論可判斷各擋位換擋時(shí)的輸入軸轉(zhuǎn)速服從正態(tài)分布。對(duì)各擋位的輸入軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出均值及方差，做出概率分布函數(shù)，以累計(jì)概率95%時(shí)作為截止點(diǎn)，取該累計(jì)概率下的轉(zhuǎn)速（約3 000 r/min）作為臺(tái)架試驗(yàn)的輸入軸轉(zhuǎn)速。

為更全面地考核同步器總成磨損壽命，增加了極限高轉(zhuǎn)速考核工況。由換擋時(shí)極限轉(zhuǎn)速出現(xiàn)頻次統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表3）可知，換擋時(shí)只有4擋和5擋存在超過(guò)4 000 r/min的較高轉(zhuǎn)速。

表3 換擋時(shí)極限轉(zhuǎn)速出現(xiàn)頻次統(tǒng)計(jì)

綜合正常換擋轉(zhuǎn)速及極限轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果可確定同步器壽命臺(tái)架試驗(yàn)條件，見表4。

表4 試驗(yàn)條件

4.4 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的制定

a.極限轉(zhuǎn)速工況下試驗(yàn)次數(shù)的確定。根據(jù)實(shí)車工況下極限轉(zhuǎn)速發(fā)生次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，可將該變速器壽命里程（20萬(wàn)km）下出現(xiàn)極限轉(zhuǎn)速次數(shù)適當(dāng)放大作為臺(tái)架試驗(yàn)的考核次數(shù)，該變速器試驗(yàn)次數(shù)確定為5 000次。

b.正常轉(zhuǎn)速工況下試驗(yàn)次數(shù)的確定。根據(jù)前述試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的確定方法，首先計(jì)算出在變速器壽命里程換擋載荷譜下同步器總成各擋位的磨損量。由于部分擋位存在2種工況的考核，因此，在計(jì)算正常轉(zhuǎn)速考核工況試驗(yàn)次數(shù)前應(yīng)先減去極限轉(zhuǎn)速考核工況下相應(yīng)擋位的磨損量，然后根據(jù)式（14）確定各擋位試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。

4.5 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證同步器磨損壽命預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，以2臺(tái)同步器為試驗(yàn)樣品（1#樣品和2#樣品），在試驗(yàn)前預(yù)測(cè)出每個(gè)擋位同步器后備行程磨損量，并與實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表5和圖5所示。

表5 2臺(tái)同步器樣品的實(shí)際磨損量與預(yù)測(cè)磨損量對(duì)比結(jié)果

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，各擋位的實(shí)際磨損量與預(yù)測(cè)磨損量最大誤差均在15%以內(nèi)，表明該同步器磨損壽命預(yù)測(cè)模型及臺(tái)架試驗(yàn)方法能滿足產(chǎn)品開發(fā)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

以同步器疲勞磨損理論為基礎(chǔ)，結(jié)合同步器結(jié)構(gòu)參數(shù)及其組合磨損特點(diǎn)，初步建立了變速器同步器磨損壽命預(yù)測(cè)模型，依據(jù)該預(yù)測(cè)模型并結(jié)合實(shí)車道路換擋載荷譜的采集、處理，給出了同步器磨損壽命臺(tái)架試驗(yàn)方法。依據(jù)上述理論和方法對(duì)某微型車AMT同步器磨損壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了同步器磨損壽命預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。

1 汪一麟，等，譯.摩擦磨損計(jì)算原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

2 Suh NP.The delamination theory of wear.wear,1973,25（1）: 111～124.

3 溫詩(shī)鑄，黃平.摩擦學(xué)原理（第3版）.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

4 Ludema K C.Mechanism-based modeling of friction and wear.wear,1996（200）:1～7.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年10月21日。

Prediction and Evaluation of Transmission Synchronizer’s Wear Life

Xu Zhan,Li Songsong,Xiang Xiaolei,Shan Huaqiang
（China FAW Co.,Ltd R&D Center）

To examine and evaluate the auto transmission synchronizer’s wear life accurately,a calculation model and evaluation method to predict the synchronizer’s wear life is established based on the wear characteristics of synchronizer,and combined with road test,shift load spectrum acquisition and processing,as well as fatigue wear theoretical model.With the established model and evaluation method,AMT synchronizer wear life of a mini vehicle is examined and evaluated through the bench test.which show that the established model for synchronizer wear life predication can accurately predict synchronizer’s wear life,and the maximum deviation compared with practical wear is less than 15%.

Transmission synchronizer;Wear life;Predication

變速器同步器 磨損壽命 預(yù)測(cè)

U463.212+.41

A

1000-3703（2015）04-0033-04