汽車同步器開發(fā)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

姚廣輝+張亞飛

（長城汽車股份有限公司傳動(dòng)研究院）

摘要：本文首先分析了變速器同步器設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容及評(píng)價(jià)指標(biāo)概述，然后主要就國外和國內(nèi)兩種角度介紹了汽車同步器開發(fā)技術(shù)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展情況，最后對(duì)開發(fā)技術(shù)做出了發(fā)展趨勢的預(yù)期。

關(guān)鍵詞：汽車同步器；技術(shù)；趨勢；原理；

汽車變速器同步器設(shè)計(jì)是一款變速器設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵，無論是傳統(tǒng)的手動(dòng)變速器還是技術(shù)先進(jìn)的DCT，同步器設(shè)計(jì)都是其中的重點(diǎn)內(nèi)容并決定著變速器的性能和換擋壽命，同步器設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多，評(píng)價(jià)參數(shù)也各異，在這種情況下，鎖止比和X、Y值的計(jì)算推導(dǎo)及厘清相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響就成了同步器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。

一、變速器同步器設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容及評(píng)價(jià)指標(biāo)概述

1、明確變速器傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并進(jìn)行轉(zhuǎn)化計(jì)算；

2、換擋角度差的計(jì)算；

3、同步器齒環(huán)螺紋有效面積的計(jì)算；

4、同步力矩的計(jì)算；

5、同步容量的計(jì)算；

6、X、Y值的計(jì)算及結(jié)構(gòu)參數(shù)的確立；

7、試做同步器樣件并進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比并改善。

上述的計(jì)算內(nèi)容最終得到的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括同步器鎖止比、動(dòng)能損失量、換擋耐久同步容量、單位面積功、換擋沖量、手球處換擋力以及X、Y值等，所有這些指標(biāo)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為同步器鎖止比的計(jì)算及X、Y值的計(jì)算，所以，鎖止比及X、Y值的計(jì)算是整個(gè)變速器同步器設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

二、國外同步器研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)20年代起，同步器在國外一些汽車發(fā)達(dá)國家的變速器中得到應(yīng)用；直到20世紀(jì)60年代后期，工程師們才通過探討同步器工作過程，逐漸獲得了相關(guān)同步理論的分析方法；在經(jīng)歷了各階段同步理論研究后，同步器設(shè)計(jì)技術(shù)有了顯著的進(jìn)步。研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在6個(gè)方面。

1、同步工作過程初步分析。運(yùn)用同步器基本理論，結(jié)合試驗(yàn)分析的方法，研究同步器工作過程中所需要的換檔力和換檔時(shí)間。在這個(gè)階段，獲得了同步器同步和鎖止過程的簡單力學(xué)表達(dá)式；能夠運(yùn)用簡化的數(shù)學(xué)模型，分析同步器工作性能；開展減小換檔力、縮短換檔時(shí)間等一些滿足汽車基本使用性能的研究；初步實(shí)現(xiàn)對(duì)同步器工作過程完整描述和鎖止機(jī)構(gòu)的軸向鎖止功能定義。但是，這種基于簡化數(shù)學(xué)模型的分析方法，無法直觀地反應(yīng)同步器零件參數(shù)在不同時(shí)刻對(duì)換檔性能的影響。

2、同步器換檔過程中的運(yùn)動(dòng)特性研究。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值仿真軟件的誕生，為應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)研究同步器換檔特性提供了方便。

3、同步嚙合過程中相對(duì)運(yùn)動(dòng)和接觸力動(dòng)態(tài)仿真方法研究。人們習(xí)慣于將換檔噪聲和失效等問題歸因于變速器系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)沖擊或是作用在同步器齒套上的換檔力變化等因素。

4、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，日產(chǎn)的工程師們開始對(duì)同步器及換檔系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化及匹配設(shè)計(jì)研究。2002年在美國新奧爾良舉行的國際機(jī)械工程會(huì)議上，MassimilianoGobbi等學(xué)者提出了一種以32個(gè)同步器設(shè)計(jì)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。2006年印度的T.M.ManozKumar等學(xué)者，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)仿真方法，針對(duì)同步器錐面設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行了同步器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究。2012年印度的ManishKumarSharma和JineshSavla，對(duì)變速器的換檔機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，達(dá)到了通過減少機(jī)構(gòu)的慣量實(shí)現(xiàn)降低二次沖擊峰值的目的。

三、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的同步器技術(shù)研究起步較晚，優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究工作，起始于20世紀(jì)90年代。目前大部分研究工作也基本建立在對(duì)國外同步器技術(shù)的消化和吸收基礎(chǔ)上。已開展的主要研究內(nèi)容如下：

1、以同步器設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。根據(jù)同步器結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)合經(jīng)典力學(xué)和摩擦力學(xué)理論，得到同步器靜態(tài)特性分析方法；利用變速器和同步器臺(tái)架試驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)同步器整體性能的試驗(yàn)評(píng)價(jià)；已明確材料和結(jié)構(gòu)形式對(duì)同步器性能的影響作用。

2、借助于仿真分析方法，對(duì)同步器工作過程進(jìn)行全面動(dòng)態(tài)仿真分析評(píng)價(jià)。目前國內(nèi)正在開展以虛擬樣機(jī)技術(shù)為手段，借助于數(shù)值動(dòng)態(tài)仿真軟件，獲得同步器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)同步器性能的影響規(guī)律及同步器性能評(píng)價(jià)方法。根據(jù)同步器各工作過程虛擬試驗(yàn)的結(jié)果，針對(duì)影響各同步過程性能的重要參數(shù)進(jìn)行同步器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在實(shí)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)提高同步器性能的目標(biāo)。

3、參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究。現(xiàn)階段，上汽變速器正借助于虛擬樣機(jī)技術(shù)，開始進(jìn)行同步器參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的研究。目前已進(jìn)行同步器換檔過程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同步時(shí)間、各階段沖擊力、檔位保持力的動(dòng)態(tài)仿真分析；初步實(shí)現(xiàn)利用數(shù)值動(dòng)態(tài)仿真模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，在同步器參數(shù)化設(shè)計(jì)研究方面取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，正在逐步形成同步器自主研發(fā)的能力。

四、技術(shù)發(fā)展趨勢

從提高同步器產(chǎn)品開發(fā)速度、降低開發(fā)成本的角度出發(fā)，面向同步器工作過程仿真分析的虛擬設(shè)計(jì)方法將是同步器設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)發(fā)展的基本前提；對(duì)同步器工作過程仿真的可信度和對(duì)產(chǎn)品實(shí)際性能的預(yù)測能力，則是同步器虛擬設(shè)計(jì)研究的重要內(nèi)容。

根據(jù)對(duì)國內(nèi)外近年來研究分析方法的了解，可將目前同步性能分析歸結(jié)為：基于簡化數(shù)學(xué)模型理論計(jì)算、基于不同工作階段的數(shù)學(xué)建模與仿真和基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的建模與仿真3種方法。為實(shí)現(xiàn)對(duì)同步過程的完整評(píng)價(jià)，有學(xué)者提出了一種基于同步過程分階段機(jī)理分析的虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)。

單純的仿真分析方法，可對(duì)同步器產(chǎn)品各參數(shù)優(yōu)化起到了很好的指導(dǎo)作用，但是每改一個(gè)同步器結(jié)構(gòu)參數(shù)，都需要花費(fèi)大量時(shí)間建立精確的同步器幾何模型；存在參數(shù)優(yōu)化匹配過程長、耗費(fèi)精力大的不足。為全面縮短同步器產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)、改進(jìn)周期，提升優(yōu)化設(shè)計(jì)效率，需采用簡化同步器設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化過程，尋找無需事先精確建模的同步器參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

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