同步器同步過程摩擦因數(shù)變化試驗(yàn)及仿真研究

王順利凌晨席軍強(qiáng)

（1.陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司；2.北京汽車股份有限公司汽車研究院；3.北京理工大學(xué)）

同步器同步過程摩擦因數(shù)變化試驗(yàn)及仿真研究

王順利1凌晨2席軍強(qiáng)3

（1.陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司；2.北京汽車股份有限公司汽車研究院；3.北京理工大學(xué)）

為探究同步器同步過程中摩擦錐面間摩擦因數(shù)變化對其工作性能的影響，對同步器的工作過程進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。結(jié)果表明,該摩擦因數(shù)并非維持恒定值，其隨轉(zhuǎn)速差變化而變化的趨勢可以用指數(shù)函數(shù)很好的擬合。根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了同步器同步過程的動(dòng)力學(xué)仿真模型，并通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，證明考慮摩擦因數(shù)變化的仿真模型能夠更準(zhǔn)確地反映同步過程的真實(shí)情況，有利于同步器各工作參數(shù)的精確計(jì)算。

1 前言

通常情況下，對汽車變速器同步器的研究重點(diǎn)是針對換擋力、轉(zhuǎn)速差、同步慣量、同步器幾何結(jié)構(gòu)等對其工作性能的影響，而將兩摩擦錐面間的摩擦因數(shù)視作常數(shù)（0.1或0.08），該假設(shè)被廣泛采用，如黃華在Modelica軟件環(huán)境下建立的同步器模型、陳震在ADAMS軟件環(huán)境下建立的同步器虛擬樣機(jī)模型、DanielH?ggstr?m和MikaelNordlander在MATLAB軟件環(huán)境下建立的同步器動(dòng)力學(xué)模型[1～3]等都遵循了該假設(shè)。然而摩擦學(xué)相關(guān)研究表明，兩摩擦表面間的摩擦因數(shù)將隨它們之間相對運(yùn)動(dòng)速度的改變而改變[4]。同步器正是憑借一對摩擦錐面間的滑摩實(shí)現(xiàn)其同步功能，所以摩擦因數(shù)的大小直接決定了同步時(shí)間的長短，因而視摩擦因數(shù)為常量的計(jì)算方法必將導(dǎo)致同步時(shí)間的理論值與測試值之間存在較大偏差，致使設(shè)計(jì)出的同步器不能滿足使用需求。為此，本文對同步器工作過程進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，并結(jié)合同步器同步過程的動(dòng)力學(xué)仿真模型探討摩擦因數(shù)的變化對同步器性能的影響。

2 摩擦因數(shù)變化試驗(yàn)

同步器摩擦錐面之間的摩擦因數(shù)是衡量同步器性能好壞的標(biāo)志之一[5]。但是，即使摩擦副的材料已經(jīng)確定，在同步過程中，隨同步器主動(dòng)端與被動(dòng)端速度差的逐漸消除，該摩擦因數(shù)也會(huì)發(fā)生改變。

為得到同步器摩擦錐面摩擦因數(shù)的變化情況，對同步器工作過程進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)[6]如圖1所示。試驗(yàn)對象為國產(chǎn)1-2擋單錐面鎖環(huán)式同步器，鎖環(huán)摩擦錐面材料為黃銅合金，潤滑油為長城潤滑油。

該試驗(yàn)臺(tái)架使用了一套完整的同步器機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)完整的升擋、降擋動(dòng)作，其主要部件包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、2個(gè)飛輪和換擋缸。大飛輪通過皮帶-滑輪機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，以保持穩(wěn)定持久的轉(zhuǎn)速；小飛輪作為同步器的負(fù)載，其可被減速到0（當(dāng)接合套移向Ⅰ位置）或加速到與大飛輪一致的轉(zhuǎn)速（當(dāng)接合套移向Ⅱ位置）；接合套的運(yùn)動(dòng)方向由與換擋缸固聯(lián)的換擋撥叉的運(yùn)動(dòng)決定。在試驗(yàn)臺(tái)架工作過程中，密閉空間中存有潤滑油液，且油液處于循壞狀態(tài)，溫度與室溫基本保持一致。

根據(jù)傳感器記錄的數(shù)據(jù)可計(jì)算得到試驗(yàn)所用同步器在該工況下摩擦錐面間摩擦因數(shù)的變化情況，摩擦因數(shù)與同步器主、被動(dòng)端轉(zhuǎn)速差Δω之間的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)μ=a+bec||Δω來表征，系數(shù)a、b、c可以通過數(shù)據(jù)擬合得到[7]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，所研究同步器的錐面摩擦因數(shù)μK隨Δω變化的函數(shù)關(guān)系擬合公式見式（1），擬合曲線如圖2所示。

式（1）中的系數(shù)a、b、c必須由臺(tái)架試驗(yàn)測得，它們由摩擦錐面材料、潤滑油性能、試驗(yàn)溫度等參數(shù)決定，不同的同步器或相同同步器在不同工況下該數(shù)值均會(huì)產(chǎn)生變化。

3 同步器工作過程分析及動(dòng)力學(xué)模型搭建

為建立同步器工作過程的動(dòng)力學(xué)模型，對單錐面鎖環(huán)式同步器的工作過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

該同步器由轂、滑塊、接合套、鎖環(huán)、接合齒圈和常嚙合齒輪等6部分組成。掛擋前，接合套處于空擋位置；接合齒圈和待嚙合齒輪為一個(gè)整體，轉(zhuǎn)速為ωI；轂、滑塊和接合套為一個(gè)整體，轉(zhuǎn)速為ωF。

當(dāng)施加換擋力后，換擋撥叉推動(dòng)接合套帶動(dòng)滑塊一同向接合齒圈移動(dòng)。鎖環(huán)在滑塊的推動(dòng)下與接合齒圈貼合，接合套向鎖環(huán)軸向移動(dòng)直至其嚙合齒與鎖環(huán)的嚙合齒接觸。

以上過程發(fā)生在同步鎖止階段之前，為接合套第1段自由行程階段，該過程中接合套受力情況如圖3所示，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用式（2）～式（4）描述。

式中，mS為接合套質(zhì)量；mD為每個(gè)滑塊質(zhì)量；n為滑塊個(gè)數(shù)；x為接合套軸向位移；Fa為換擋力；FS為彈簧彈性力；φ為滑塊偏轉(zhuǎn)角度；KS為彈簧剛度系數(shù)；LS為接合套處于中位時(shí)的彈簧長度；LS0為彈簧的自由長度；DB為滑塊中的小球直徑。

在接下來的同步鎖止階段，接合齒圈和待嚙合齒輪在摩擦轉(zhuǎn)矩的作用下不斷加速或減速。與此同時(shí)，在達(dá)到同步前，接合套嚙合齒與鎖環(huán)嚙合齒總是齒端互相抵觸而無法進(jìn)一步接合，這是通過鎖止角和摩擦錐面錐角的設(shè)計(jì)保證的。由于接合套和鎖環(huán)與變速器輸出軸相連，相對來說具有很大慣量，可認(rèn)為保持轉(zhuǎn)速不變。以上過程中接合齒圈受力情況如圖4所示，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用式（5）和式（6）描述。

式中，MK為作用在接合齒圈上的摩擦轉(zhuǎn)矩；rK為摩擦錐面平均等效錐半徑；αK為摩擦錐面半錐角；μK為鎖環(huán)和接合齒圈之間的摩擦因數(shù)；J為等效到被接合齒輪端的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為被接合齒輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

當(dāng)接合齒圈轉(zhuǎn)速達(dá)到ωF后，同步過程結(jié)束，接合套繼續(xù)向常嚙合齒輪軸向移動(dòng)，在此過程中其嚙合齒依次與鎖環(huán)和接合齒圈嚙合齒接觸，并將它們撥開一個(gè)角度以繼續(xù)前進(jìn)，直到其移動(dòng)到極限位置。實(shí)際過程中，在依靠撥環(huán)力矩將鎖環(huán)、接合齒圈撥開時(shí)，接合套位移會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的停滯且停滯的時(shí)長并不固定，但因?yàn)橥l(fā)生在同步過程完成之后，即對同步器的主體功能并不起決定性影響，所以可以將該過程簡化，認(rèn)為接合套在此過程中在換擋力的作用下不斷前進(jìn)，不發(fā)生停滯。以上過程中接合套的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用下式描述：

根據(jù)以上對同步器工作過程的動(dòng)力學(xué)分析，在Mat?lab/Simulink軟件環(huán)境下搭建了同步器動(dòng)力學(xué)模型，其流程如圖5所示。

該同步器動(dòng)力學(xué)模型具有9個(gè)輸入?yún)?shù)和2個(gè)輸出參數(shù)，各參數(shù)定義如表1所列。該模型可以輸出接合套位移和接合齒圈角速度，如圖6所示。

表1 同步器動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)定義

4 仿真比較與試驗(yàn)驗(yàn)證

利用建立的同步器動(dòng)力學(xué)模型，針對摩擦因數(shù)變化情況，將式（1）代入動(dòng)力學(xué)模型中，得到改進(jìn)后的模型。改進(jìn)后模型與使用傳統(tǒng)理論分析模型的主要區(qū)別是在摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法上，傳統(tǒng)模型將摩擦錐面摩擦因數(shù)視為恒定值，即恒等于同步過程開始時(shí)摩擦因數(shù)值，而改進(jìn)模型利用式（1）對摩擦因數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。

傳統(tǒng)模型中，同步器的同步過程理論上所用時(shí)間為：

Test and Simulation Study on Friction Coefficient during Synchronizing Process of synchronizer

Wang Shunli1,Ling Chen2,Xi Junqiang2
（1.ShanXi Fast Gear Co.,Ltd;2.Beijing Institute of Technology）

To investigate the influence of variation of friction coefficient between the friction cones on synchronizer’s operating performance during the synchronizing process,bench tests is carried out.The results show that the friction coefficient varies with the speed difference as an exponential function rather than a constant value.According to bench test results,the dynamic simulation model of the synchronizing process is built in Matlab/Simulink.By comparing simulation and test results,it verifies that the model which considers the variations of friction coefficient could reflect the real conditions of the synchronizing process more accurately,which is helpful for the accurate calculation of different operating parameters of the synchronizer.

Synchronizer,Synchronizing process,Friction coefficient,Simulation

同步器 同步過程 摩擦因數(shù) 仿真

U463.212+.41

A

1000-3703（2015）07-0032-03