同步器工作過程仿真研究

凌晨　席軍強

摘 要：參考ZF-BK型同步器實際尺寸參數(shù)，在PRO/E中建立了同步器三維模型，導(dǎo)入Adams中建立了仿真同步器工作過程的虛擬樣機，實現(xiàn)了同步器工作的同步與鎖止功能，同步時間與理論計算值一致。分析了接合套與接合齒圈嚙合齒接觸位置、換擋力和摩擦錐面摩擦因數(shù)大小對同步器性能的影響。

關(guān)鍵詞：同步器；同步過程；ADAMS；仿真

中圖分類號：U461文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.02

同步器是汽車手動變速器中重要的組成部件，它利用摩擦原理使其輸入、輸出部分的轉(zhuǎn)動速度達到一致后再接合，減小了換擋時的沖擊，延長了變速器的壽命，并提高了車輛的行駛安全性和舒適性。其中，慣性鎖環(huán)式同步器使用最為廣泛。

自從Hiroaki Hoshino首次采用在ADAMS中建立同步器三維模型的研究方案后[1]，國內(nèi)已有大量文獻采用此方法對鎖環(huán)式同步器工作過程進行仿真研究。其中文獻[2]～[4]均將同步器模型簡化為一對摩擦錐面，通過它們之間的滑摩實現(xiàn)同步過程，然而并未體現(xiàn)出同步器的鎖止功能，喪失了模型的準確性。文獻[5]～[7]建立的三維仿真模型均包含了同步器的所有組成部分，然而，文獻[5]并未給出接合套位移曲線，沒有提到同步器鎖止過程；文獻[6]著重展現(xiàn)了同步器的鎖止過程，但其給出的圖中接合齒圈的速度為定值，鎖環(huán)速度逐漸改變的情況與實際情況相悖。文獻[5]～[7]給出的作用在接合套上的換擋力均過小，尤其是文獻[7]中給出的值為50 N，和實際情況差距較大。

本文將結(jié)合綦江QJ805客車的變速器中使用的ZF-BK型同步器總成的尺寸參數(shù)以及實際工程經(jīng)驗得到的參數(shù)建立虛擬樣機模型，對同步器工作過程進行仿真研究。

1 虛擬樣機建模

1.1 同步器工作過程分析

通用的鎖環(huán)式同步器如圖1所示，包含轂、滑塊、接合套、鎖環(huán)、接合齒圈和常嚙合齒輪六部分[8]，通過尺寸設(shè)計尤其是摩擦錐面錐角和鎖止角的設(shè)計實現(xiàn)同步鎖止功能。

可以將同步器換擋過程劃分為6個階段，各個階段間臨界位置如圖2所示。

以降擋時的情況為例說明。

（1）階段Ⅰ：位置①→位置②，接合套第1段自由行程。鎖環(huán)在滑塊的推動下與接合齒圈貼合，隨后，接合套向鎖環(huán)軸向移動直到嚙合齒與鎖環(huán)的嚙合齒接觸。

在同步未開始之前，接合套和鎖環(huán)與變速器輸出軸轉(zhuǎn)速一致，為ω1，待接合的接合齒圈和常嚙合齒輪轉(zhuǎn)速為ω2。

，

。

式中，ωe為換擋時刻發(fā)動機轉(zhuǎn)速，rad/s；i1為換擋前擋位傳動比；i2為換擋后擋位傳動比。

（2）階段Ⅱ：位置②，同步鎖止階段。

鎖環(huán)由于其嚙合齒和接合套的嚙合齒相嚙合，受到使其相對于接合套加速的撥環(huán)力矩MS。同時，鎖環(huán)和接合齒圈之間由于有轉(zhuǎn)速差，所以存在滑摩，鎖環(huán)受到阻礙其加速的摩擦力矩MK[9]。

。

。

式中，F(xiàn)a為換擋時作用在接合套上的軸向推力，N； rS為鎖環(huán)平均等效工作半徑，m；β為鎖環(huán)和接合套嚙合齒的鎖止角角度；為鎖環(huán)和接合套嚙合齒之間的摩擦因數(shù)；rK為摩擦錐面平均等效錐半徑，m；αK為摩擦錐面半錐角；為鎖環(huán)和接合齒圈之間的摩擦因數(shù)。

為實現(xiàn)同步鎖止功能，在尺寸設(shè)計時即保證MS≤MK。所以接合齒圈在上述摩擦力矩反作用力矩的作用下持續(xù)加速，并且在速度達到同步前，鎖環(huán)無法加速，即相對接合套無法被撥轉(zhuǎn)，保持勻速轉(zhuǎn)動。

（3）階段Ⅲ：位置②→位置③，撥動鎖環(huán)階段。

當接合齒圈轉(zhuǎn)速由ω2升至ω1之后，同步完成，此時鎖環(huán)和接合齒圈作為整體在撥環(huán)力矩MS的作用下產(chǎn)生一個瞬時加速，從而讓開位置使接合套能夠繼續(xù)前進。

（4）階段Ⅳ：位置③→位置④，接合套第2段自由行程。接合套向接合齒圈軸向移動直到嚙合齒與接合齒圈的嚙合齒接觸。

（5）階段Ⅴ：位置④→位置⑤，撥動接合齒圈階段。在產(chǎn)生二次沖擊后，接合齒圈被撥轉(zhuǎn)一個角度，從而讓開位置使接合套能夠繼續(xù)前進。

（6）階段Ⅵ：位置⑤→位置⑥，接合套最后一段自由行程。接合套向掛入擋位常嚙合齒輪軸向移動直到極限位置。

1.2 三維建模

對照ZF-BK型同步器總成實物，在PRO/E中建立同步器的參數(shù)化三維實體模型，它包括完整同步器總成的所有六部分零部件。各零件均參照實物實際結(jié)構(gòu)和尺寸建立，如圖3所示。

將其裝配完整后導(dǎo)入Adams中，設(shè)置固有屬性（慣量、材料屬性、旋轉(zhuǎn)中心等）、約束形式（運動副、接觸力等）和工作環(huán)境（初速度、換擋力等）。

花鍵轂與變速器輸出軸相連，因此可將其慣量看成無窮大，即對其給定一個恒定轉(zhuǎn)速即可。將接合齒圈和常嚙合齒輪通過“布爾和”操作合并為一個整體，當量轉(zhuǎn)動慣量為J，換入的擋位越低，當量轉(zhuǎn)動慣量越大。

。

式中，J為等效到被接合齒輪端的當量轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Jr為離合器從動盤、變速器輸入軸、中間軸（含中間軸上各個齒輪）、變速器輸出軸上常嚙合齒輪（包括倒擋齒輪）的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換到變速器輸入端的當量轉(zhuǎn)動慣量之和，kg·m2。

虛擬樣機模型中接觸力的彈性力和阻尼力相關(guān)系數(shù)參考經(jīng)驗值給定[10]，最終在Adams中的效果如圖4所示。

2 同步過程仿真分析

結(jié)合摩擦錐面上的摩擦力矩大小可得到理論換擋時間。

。

以3擋降2擋為例，將其傳動比代入式（1）、（4）、（5），計算中涉及到的參數(shù)及最終計算結(jié)果見表1。

在相同條件下，虛擬樣機仿真結(jié)果如圖5～8所示。

由圖5可知，虛擬樣機正確地模擬了同步器工作過程，相關(guān)曲線與6個階段的劃分完全吻合，且同步時間0.55 s，與理論值僅偏差2.0%。圖6表明了接合齒圈在同步階段在摩擦力矩的作用下持續(xù)加速的過程。圖7表明接合套與鎖環(huán)嚙合齒之間只在階段Ⅱ互相嚙合；與接合齒圈嚙合齒之間只在階段Ⅴ互相嚙合，此即為二次沖擊；與待嚙合齒輪在階段Ⅵ之后持續(xù)接觸。圖8表明了摩擦錐面滑摩功的瞬時功率在同步鎖止階段持續(xù)以一次函數(shù)遞減。

3 參數(shù)影響分析

3.1 接合套與接合齒圈嚙合齒接觸位置

狀況（1）：當接合套移動到前述的位置④時，其嚙合齒與接合齒圈嚙合齒相對位置正好如位置⑤時的狀態(tài)，即接合齒圈無需被撥動，接合套可直接繼續(xù)前進。那么，此種情況下階段Ⅴ將不復(fù)存在，接合套可以無阻礙地運動至與常嚙合齒輪接觸的極限位置，此時換擋過程將不存在二次沖擊。

狀況（2）：接合套嚙合齒與接合齒圈嚙合齒在位置④時可能正好齒尖相頂，如圖9所示。那么此時接合套將無法繼續(xù)前進，導(dǎo)致?lián)Q擋失敗。

通過改變接合齒圈初始時相對接合套的角度位置，可仿真得到以上兩種特殊狀況下的換擋過程，其結(jié)果如圖10所示。

3.2 換擋力的影響

在其它條件不變的前提下改變換擋力大小，可以得到不同換擋力作用下的換擋過程曲線，如圖11所示。

由圖11可知，越大的換擋力下同步時間越短，這是由于接合齒圈受到了更大的摩擦轉(zhuǎn)矩，具有更大的角加速度。

3.3 摩擦錐面動摩擦因數(shù)的影響

在其它條件不變的前提下改變摩擦錐面動摩擦因數(shù)大小，可以得到不同錐面摩擦因數(shù)下的換擋過程曲線，如圖12所示。

由圖12可知，摩擦錐面動摩擦因數(shù)越大時同步時間越短，這是由于接合齒圈受到了更大的摩擦轉(zhuǎn)矩，具有更大的角加速度。

4 結(jié)論

（1）基于虛擬仿真技術(shù)，針對同步器工作過程進行了虛擬樣機建模與仿真，實現(xiàn)了同步器工作的同步與鎖止功能，同步時間與理論計算值一致。

（2）接合套與接合齒圈嚙合齒接觸的位置會影響二次沖擊，可以產(chǎn)生正常嚙合、頂齒導(dǎo)致接合套無法繼續(xù)前進、接合套直接穿過接合齒圈等不同工作過程。以上各種狀況由于發(fā)生在同步過程結(jié)束后，并不會影響同步器同步功能，接合齒圈的速度變化情況不變。在實際應(yīng)用中，當出現(xiàn)頂齒而掛不上擋的情況時，先回空擋再次掛擋，即可解決該問題。

（3）較大的換擋力可以縮短同步時間，但同時也會導(dǎo)致摩擦錐面滑摩功率最大值較大以及各部件間接觸力增大，加快同步器的磨損。

（4）增大摩擦錐面間動摩擦因數(shù)可以得到與增大換擋力一樣的縮短同步時間的效果，且不會對同步器壽命產(chǎn)生負面影響。所以，選用性能更好的摩擦材料是未來同步器發(fā)展的重要方向。

參考文獻（References）：

HOSHINO H. Analysis on Synchronization Mechanism of Transmission [C]//SAE Technical Paper，1999.

崔新濤. 基于虛擬樣機技術(shù)的變速器動力學仿真研究 [D]. 天津：天津大學，2004.

Cui Xintao. Dynamic Simulation on Transmission Based on Virtual Prototyping Technology [D]. Tianjin：Tianjin University，2004. （in Chinese）

陳訪. 虛擬樣機技術(shù)在汽車變速器中的應(yīng)用 [D]. 合肥： 合肥工業(yè)大學，2007.

Chen Fang. The Application of Virtual Prototyping Tech-nology in Automobile Transmission [D]. Hefei： Hefei University of Technology，2007. （in Chinese）

傅友賓. 基于PRO/E和ADAMS的變速器動力學仿真 [D]. 大連：大連理工大學， 2007.

Fu Youbin. Investigation on Dynamics Simulation of Transmission Based on PRO/E and ADAMS [D]. Dalian： Dalian University of Technology，2007. （in Chinese）

周帥. 汽車手動變速器同步器的建模與仿真研究 [D]. 武漢：武漢理工大學，2011.

Zhou Shuai. The Modeling and Simulation of Synchronizer for Manual Transmission [D]. Wuhan：Wuhan University of Technology，2011. （in Chinese）

陳震，鐘再敏，章桐. 基于ADAMS的同步器同步過程仿真分析 [J]. 汽車工程，2011，33（4）：340-344.

Chen Zhen，Zhong Zaimin，Zhang Tong. Simulation Analysis on the Synchronizing Process of Synchronizer Based on ADAMS [J]. Automotive Engineering，2011， 33（4）：340-344. （in Chinese）

張文鑫. 基于虛擬樣機技術(shù)的汽車同步器設(shè)計 [D]. 上海：上海交通大學，2011.

Zhang Wenxin. Design of Automobile Synchronizer Based on Virtual Prototype Technology [D]. Shanghai： Shanghai Jiaotong University，2011. （in Chinese）

COXON D J，JACKSON G A. Synchronizer：U.S. Patent 7，131，521 [P]. 2006-11-7.

INA-Schaeffler KG：Intermediate Rings for Multi-cone Synchronizer Systems [Z].Automotive Product Information API06，Herzogenaurach，Germany，2002.

謝最偉，吳新躍. 基于ADAMS的碰撞仿真分析 [C]// 第三屆中國CAE工程分析技術(shù)年會，大連：[s.n.]，2007.

Xie Zuiwei，Wu Xinyue. Crash Simulation Analysis Based on ADAMS [C]// The third China CAE Engineering Analysis Technology Conference. Dalian：[s.n.]， 2007. （in Chinese）