多錐面同步器性能的研究與計(jì)算

章剛，簡(jiǎn)曉鵬

(陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院,陜西西安 710119)

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多錐面同步器性能的研究與計(jì)算

章剛，簡(jiǎn)曉鵬

(陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院,陜西西安 710119)

通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)，研究離合器從動(dòng)盤慣量、拖曳阻力矩、一軸轉(zhuǎn)速等對(duì)同步器換擋性能的影響；建立多錐面同步器給定同步時(shí)間下同步力的計(jì)算公式，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算誤差在15%以內(nèi)，可以為機(jī)械變速器動(dòng)態(tài)換擋性能計(jì)算分析提供參考。

同步器；同步時(shí)間；同步力

0 引言

隨著汽車保有量的持續(xù)增加，路面交通狀況也日見惡化，頻繁的換擋操作使得用戶對(duì)換擋品質(zhì)的要求越來(lái)越高。影響變速換擋性能的因素很多，如換擋桿、軟軸、換擋軸、換擋撥叉及同步器等。其中同步器，特別是近年來(lái)運(yùn)用廣泛的多錐面同步器，作為實(shí)現(xiàn)車輛換擋操作迅速輕便無(wú)沖擊、提高動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性關(guān)鍵零部件，對(duì)換擋品質(zhì)起到重要影響[1-2]。

汽車動(dòng)態(tài)換擋性能作為變速器乃至汽車操控舒適性最重要的指標(biāo)之一，越來(lái)越受到主機(jī)廠和變速器廠商的重視。目前機(jī)械變速器動(dòng)態(tài)換擋性能主要通過(guò)同步器臺(tái)架試驗(yàn)得到，周期長(zhǎng)，成本巨大且滯后于用戶需求。對(duì)于新產(chǎn)品，特別是輕卡、客車等市場(chǎng)對(duì)換擋性能十分敏感，如何在設(shè)計(jì)初期掌握比較準(zhǔn)確的換擋性能數(shù)據(jù)，解答用戶對(duì)某公司產(chǎn)品換擋性能的疑惑，對(duì)開拓市場(chǎng)、保證開發(fā)效果具有非常重要的意義。

作為商用車機(jī)械式變速器換擋性能分析改善的重要內(nèi)容，作者試圖通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)分析，研究離合器從動(dòng)盤慣量、拖曳阻力矩(油阻)、一軸輸入轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵因素對(duì)多錐面同步器換擋性能(同步時(shí)間、同步力)的影響，建立較準(zhǔn)確的同步性能計(jì)算公式，為后續(xù)不同變速器動(dòng)態(tài)換擋性能的評(píng)估和改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

1 同步性能理論計(jì)算

鎖環(huán)和鎖銷式同步器結(jié)構(gòu)有所不同，但同步過(guò)程中力矩平衡方程均可用下面公式(1)計(jì)算[2-3]:

(1)

(1)變速箱在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部空載自由旋轉(zhuǎn)齒輪受到不同的阻滯力矩，主要包括3 個(gè)部分：①自由旋轉(zhuǎn)齒輪的一部分浸泡在潤(rùn)滑油中而引起的攪油阻滯力矩；②齒輪內(nèi)孔和所在軸段滾針軸承間相互旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦阻力矩；③嚙合齒輪對(duì)潤(rùn)滑油膜與接觸齒面之間的摩擦阻力矩[4-5]。其中占比最大的攪油阻滯力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度方向相反，作者將這部分合力矩用空擋一軸處拖曳阻力矩MZ表示。升擋時(shí)拖曳阻力矩MZ與同步力矩Mf同向，降擋時(shí)拖曳阻力矩MZ與同步力矩Mf反向。

(2)對(duì)公式(1)中同步器滑動(dòng)齒套上所受軸向換擋力Fa應(yīng)理解為平均同步力，而實(shí)際換擋過(guò)程中，換擋力隨行程變化而波動(dòng)，其部分峰值會(huì)遠(yuǎn)大于平均同步力。但為統(tǒng)一衡量同步換擋性能，便于對(duì)比分析，仍用平均同步力計(jì)算。

(3)公式(1)中R為同步器錐面平均摩擦半徑，對(duì)于錐面數(shù)N≥2時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算各錐面上摩擦力矩，而后疊加。μ為錐面摩擦因數(shù)，在整個(gè)同步過(guò)程中隨轉(zhuǎn)速和同步力的變化一直在變動(dòng)。但考慮其變動(dòng)局限于一定范圍，為簡(jiǎn)化計(jì)算，文中假定同步過(guò)程中μ為均值，保持不變。

(4)變速器j擋同步慣量Jj與離合器從動(dòng)盤慣量JC和變速器內(nèi)部一軸處等效慣量JT有關(guān)，可用動(dòng)力平衡方程或動(dòng)量定理及瞬時(shí)能量法等轉(zhuǎn)化求得。將一軸總等效慣量轉(zhuǎn)換到各同步擋位上得到同步慣量，可用公式(2)表示：

(2)

(5)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，即同步前后變速器一軸較大輸入轉(zhuǎn)速為n(升擋時(shí)同步前一軸轉(zhuǎn)速大，降擋時(shí)同步后一軸轉(zhuǎn)速大)，由k擋向j擋換擋時(shí)，速比由ik變?yōu)閕j。同步錐面接觸前，輸出軸轉(zhuǎn)速與單箱變速器即二軸轉(zhuǎn)速與整車速度有關(guān)，考慮整車慣量比同步慣量大得多(量級(jí)差異)，因此假定二軸轉(zhuǎn)速不變，即同步器后側(cè)轉(zhuǎn)速恒定。正常情況下車速需升(降)，發(fā)動(dòng)機(jī)由高(低)轉(zhuǎn)速開始變化，變速器升(減)擋，同步器為降(升)一軸轉(zhuǎn)速的過(guò)程，因此可以用公式(3)計(jì)算被同步側(cè)齒輪轉(zhuǎn)速差：

(3)

式(3)中max(ik,ij)為切換擋位中較低擋的較大速比值，n/max(ik,ij)可理解為同步時(shí)輸出軸即二軸恒定轉(zhuǎn)速。對(duì)多錐面同步器，由k擋向j擋換擋，考慮一軸拖曳阻力矩MZ，公式(1)可以改進(jìn)為公式(4)：

(4)

對(duì)裝配有多錐面同步器的變速器，由k擋向j擋換擋時(shí),同步器滑動(dòng)齒套上施加的軸向換擋力Fa通過(guò)錐面平衡傳遞作用于各錐面，則由公式(4)可得：

(5)

將式(2)和(3)代入式(5)，考慮升擋和降擋差異，得軸向換擋力Fa:

(6)

式(6)中：Fa即為由k擋向j擋換擋時(shí)平均同步力；Δt為同步時(shí)間；ik和ij為對(duì)應(yīng)擋位速比；JT為變速器一軸處等效慣量；JC為離合器從動(dòng)盤慣量；MZ為空擋時(shí)一軸拖曳阻力矩；Rq為第q個(gè)摩擦錐面平均半徑；n為同步開始前一軸轉(zhuǎn)速即發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，計(jì)算時(shí)使用國(guó)際單位rad/s。

至此，建立了變速器由k擋向j擋換擋時(shí)，多錐面同步器所需平均同步力關(guān)于給定同步時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，即計(jì)算公式(6)?；诖斯?，運(yùn)用EXCEL表格或MATLAB等軟件建立計(jì)算程序，完成不同變速器不同擋位的同步性能分析。

3 6擋變速器算例

以某6擋變速器為例，為保證動(dòng)態(tài)換擋性能，1、2擋同步采用三錐面鎖環(huán)結(jié)構(gòu)，3擋三錐面4擋雙錐面鎖環(huán)結(jié)構(gòu)。3、4擋多錐面同步器如圖1所示。因不同主機(jī)廠的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器從動(dòng)盤等匹配狀態(tài)不盡相同，現(xiàn)以公式(6)為基礎(chǔ)，研究從動(dòng)盤慣量、轉(zhuǎn)速等對(duì)此6擋變速器同步器換擋性能的影響。首先列出變速器速比等參數(shù)及不同匹配環(huán)境狀態(tài)，如表1—2所示。

圖1 多錐面鎖環(huán)式同步器

速比1擋2擋3擋4擋5擋6擋倒擋6．644．002．411．521．000．786．13JT00236kg·m2錐面平均半徑R1R2R300923m00843m00735mμ0．115α8°MZ4N·m油溫>40℃潤(rùn)滑油85W?90

表2 不同匹配環(huán)境狀態(tài)

將以上4種狀態(tài)輸入代入公式(6)中得到多錐面同步器在不同擋位間切換時(shí)，給定同步時(shí)間，平均同步力的計(jì)算結(jié)果，如表3及圖2所示。

表3 狀態(tài)1不同擋位同步器性能

圖2 不同狀態(tài)3擋→2擋同步力計(jì)算值

4 同步性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)理論計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，仍用該6擋變速器為樣箱進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。首先用傾斜試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試兩種油溫情況下較準(zhǔn)確的拖曳阻力矩，如圖3所示：變速器掛空擋，加油至觀察油孔，給定一個(gè)轉(zhuǎn)速，當(dāng)變速器油溫從開始20 ℃和超過(guò)40 ℃時(shí)，分別將變速器輸入轉(zhuǎn)速調(diào)至(650±10)r/min，測(cè)量此時(shí)變速器一軸輸入空轉(zhuǎn)扭矩(采樣率為1 Hz，每次記錄10個(gè)數(shù)據(jù)，共記錄3次)。測(cè)試結(jié)果為20 ℃拖曳力矩7 N·m，40 ℃時(shí)拖曳力矩為4 N·m，即為表2中所列數(shù)據(jù)。

圖3 傾斜試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試空擋拖曳阻力矩

按狀態(tài)1～3在Automax同步器性能試驗(yàn)臺(tái)上完成變速器性能試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。每個(gè)擋位采集20組數(shù)據(jù)，選取重復(fù)性好(平均同步力的波動(dòng)范圍在±10 N內(nèi))的5組數(shù)據(jù)的平均值作為這個(gè)擋位的性能評(píng)價(jià)。狀態(tài)1～3最終測(cè)試結(jié)果如表4所列。狀態(tài)4因油溫上升很快，無(wú)法測(cè)試，不做對(duì)比。

圖4 同步性能試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

從表4中所列狀態(tài)1～ 3，給定同步時(shí)間，從平均同步力的計(jì)算誤差結(jié)果可以看出，除狀態(tài)2公式(6)計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果誤差為+12.6%(離合器從動(dòng)盤慣量有偏差)稍大以外，其余誤差均在±6%以內(nèi)，且同步力越大，計(jì)算誤差越小。因此可認(rèn)為提出的多錐面同步器性能計(jì)算方法可信，公式(6)可用來(lái)估算設(shè)計(jì)開發(fā)和產(chǎn)品匹配階段的同步性能，特別是用戶普遍關(guān)心的低擋區(qū)減擋性能。

表4 不同狀態(tài)下性能試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算誤差

5 結(jié)論

以同步器摩擦力矩平衡基本方程為起點(diǎn)，引入拖曳阻力矩，推導(dǎo)了多錐面同步器升擋和降擋時(shí)同步性能的理論計(jì)算公式(6)。研究了離合器從動(dòng)盤慣量、換擋前一軸輸入轉(zhuǎn)速(擋位已知時(shí)即車速)以及不同油溫對(duì)應(yīng)拖曳力矩對(duì)平均換擋力的線性影響關(guān)系，最后對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了公式(6)的計(jì)算誤差在15%以內(nèi)，可以用來(lái)估算設(shè)計(jì)開發(fā)和產(chǎn)品匹配階段的多錐面同步器的動(dòng)態(tài)性能，特別是用戶重點(diǎn)關(guān)注的低擋區(qū)減擋性能，為變速器乃至整車的動(dòng)態(tài)換擋性能分析提供理論基礎(chǔ)。

平均同步力是衡量換擋性能的一個(gè)綜合性指標(biāo)，后續(xù)會(huì)用更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證公式(6)的準(zhǔn)確性。在換擋過(guò)程中，用戶操作實(shí)際感受到的是峰值力，其出現(xiàn)的次數(shù)、位置及時(shí)機(jī)等只有通過(guò)換擋力與位移曲線才能準(zhǔn)確描述，這需要后續(xù)更深入研究才能得到。此外低溫摩擦材料與錐面存在冷摩擦，拖曳力矩等也與變速器潤(rùn)滑油溫、油量、齒輪、軸承結(jié)構(gòu)等關(guān)系密切，怎樣較為準(zhǔn)確且簡(jiǎn)便地給定摩擦系數(shù)和拖曳阻力矩，進(jìn)而考慮低溫下?lián)Q擋性能將是后續(xù)研究的方向。

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[3]吳修義.同步器摩擦錐面半徑對(duì)同步性能的影響[J].重型汽車，2001(6):14-15.

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[5]王連生，郝志勇，鄭康.變速箱阻滯力矩對(duì)齒輪系多體動(dòng)力學(xué)及敲擊噪聲的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,46(12):4453-4459. WANG L S,HAO Z Y,ZHENG K.Effect of Drag Torque on Gear Trains Multi-body Dynamics and Gear Rattle of a Manual Transmission[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2015,46(12):4453-4459.

萊姆電子參展PCIM Asia并舉辦新品發(fā)布會(huì)

萊姆電子于2017年6月27—29日參加在上海世博展覽館舉辦的 PCIM Asia 上海國(guó)際電力元件、可再生能源管理展覽會(huì)，并于同期舉行的“銳意進(jìn)取驅(qū)動(dòng)測(cè)量新時(shí)代”新品發(fā)布會(huì)上發(fā)布了IN 2000-S高精度電流傳感器、GO系列電流傳感器和LxSR系列電流傳感器等3個(gè)系列新產(chǎn)品。

萊姆電子中國(guó)區(qū)總經(jīng)理張宗慧先生、銷售總經(jīng)理張永剛先生、技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理成秋花女士、技術(shù)應(yīng)用工程師李本強(qiáng)先生以及市場(chǎng)部經(jīng)理李?，撆砍鱿诵侣劙l(fā)布會(huì)，就萊姆中國(guó)公司發(fā)展方向、產(chǎn)品特點(diǎn)、中國(guó)市場(chǎng)戰(zhàn)略等發(fā)表主題演講，并詳細(xì)介紹了新發(fā)布的3個(gè)系列產(chǎn)品的技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)，其中：

集成原邊導(dǎo)體、SO8 & SO16封裝隔離式GO系列產(chǎn)品，是實(shí)現(xiàn)完全隔離的小尺寸電流傳感器，并且集成原邊導(dǎo)體、獨(dú)特的梯度測(cè)量設(shè)計(jì)使其具備抗外部磁場(chǎng)干擾的能力。尺寸小、成本低、性能好的GO系列產(chǎn)品非常適合電機(jī)驅(qū)動(dòng)、AC & DC逆變器、電源、伺服驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用。

基于萊姆專利技術(shù)的新型LxSR系列霍爾效應(yīng)閉環(huán)電流傳感器，性能可以與磁通門技術(shù)傳感器媲美，新產(chǎn)品完全兼容萊姆以前的LTS/LTSR/CAS/CASR/CKSR系列，便于替代。LxSR系列適用于調(diào)速驅(qū)動(dòng)、不間斷電源和開關(guān)電源、電池電源裝置、電源(焊接)、DC馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)變換器和機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域。

張宗慧先生表示：“萊姆電子聚焦電量傳感測(cè)量，并在電量測(cè)量市場(chǎng)處于絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位，未來(lái)萊姆希望加強(qiáng)多學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，增加新產(chǎn)品數(shù)量、提高產(chǎn)品性能，不斷打造數(shù)字化、芯片化、智能化、集成化的產(chǎn)品?！?/p>

早在2005年萊姆便確立了以傳感器為核心產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造供應(yīng)商的清晰的定位，并將提高電機(jī)使用能效、幫助人們更好出行、提高能源使用可靠性以及新能源作為未來(lái)的研究方向。

萊姆的產(chǎn)品質(zhì)量一直是行業(yè)標(biāo)桿，張宗慧先生談到萊姆工業(yè)產(chǎn)品對(duì)標(biāo)的是汽車產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，而汽車產(chǎn)品對(duì)標(biāo)的是全世界最高水平的汽車產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，5年的質(zhì)量保證承諾也贏得了更多客戶端信賴，并在每?jī)赡昱e行的客戶滿意度調(diào)查中獲得高度評(píng)價(jià)。

中國(guó)市場(chǎng)是萊姆電子最重視的市場(chǎng)之一，作為全球最重要的生產(chǎn)基地，超過(guò)50%的產(chǎn)品生產(chǎn)來(lái)自中國(guó)工廠。張永剛先生在發(fā)言中談到中國(guó)的主要市場(chǎng)在于工業(yè)和汽車，在該領(lǐng)域萊姆總體銷售超過(guò)全球的30%，未來(lái)將迎合國(guó)家政策，在新能源方向加大投入，用萊姆電子的傳感器為其安全性和能源效率保駕護(hù)航。

在談到市場(chǎng)戰(zhàn)略的問題上，張永剛先生說(shuō)道：“萊姆提供的是全套的解決方案，提高研發(fā)投入，密切關(guān)注客戶需求變化，更早地和客戶共同探討市場(chǎng)變化，依靠創(chuàng)新領(lǐng)跑市場(chǎng)。在新能源、智能電網(wǎng)、高端制造、新能源汽車、軌道交通等未來(lái)會(huì)大量使用到傳感器的行業(yè)加強(qiáng)投入，提高傳感器精度、可靠性。萊姆電子將始終堅(jiān)持以全球客戶需求為導(dǎo)向，在新產(chǎn)品和新技術(shù)方面持續(xù)增加研發(fā)投入，不斷為客戶提供高性價(jià)比、高附加值的優(yōu)質(zhì)解決方案。”

(來(lái)源：俞慶華)

Performance Analysis for Multi Cone Synchronizer

ZHANG Gang,JIAN Xiaopeng

(Shaanxi FAST Auto Drive Engineering Research Institute,Xi’an Shaanxi 710119,China)

Base on theorist analysis and bench test, influences of clutch driven plate inertia, lubrication oil draggle moment and input shaft rotate speed on shift performance of multi cone synchronizer were analyzed. And the calculation equation for shift force with given synchronization time was established for multi cone synchronizer.The calculation error is less than 15% by test checking. The method can be used for transmission shift performance calculation.

Synchronizer; Synchronization time; Shift force

2017-03-19

章剛(1985—)，男，碩士,工程師，研究方向?yàn)樽兯俨倏叵到y(tǒng)。E-mail：zhanggang@chinafastgear.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.006

U463

B

1674-1986(2017)07-022-04