變速器拖曳扭矩的測(cè)試、計(jì)算及應(yīng)用

文/耿駿偉 姜正軍 韋文勝 李 璇 許瑞涵（安徽星瑞齒輪傳動(dòng)有限公司）

手動(dòng)變速器的換檔品質(zhì)直接被客戶感知，其品質(zhì)的好壞影響客戶的體驗(yàn)，影響車輛的上市表現(xiàn)。因此，這是主機(jī)廠對(duì)手動(dòng)變速器的關(guān)鍵指標(biāo)要求，也是變速器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。每一款變速器都存在拖曳扭矩，為了設(shè)計(jì)計(jì)算更貼近實(shí)際，在換檔性能計(jì)算時(shí)就必須加以考慮，因此，變速器拖曳扭矩的測(cè)試及拖曳扭矩在同步器性能計(jì)算中如何應(yīng)用非常重要。

一、拖曳扭矩

拖曳扭矩是變速器內(nèi)所有能夠使轉(zhuǎn)動(dòng)的零件轉(zhuǎn)速下降的阻力矩的合力矩，包括攪油阻力矩、軸承旋轉(zhuǎn)阻力矩、空氣阻力矩、油封摩擦阻力矩等。由于無(wú)法單獨(dú)測(cè)量各個(gè)阻力矩，將變速器輸入軸角速度變化率與總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的乘積等效為拖曳扭矩?？倯T量是變速器內(nèi)各零件轉(zhuǎn)換到輸入軸上的慣量與離合器從動(dòng)盤(pán)慣量的和。拖曳扭矩Tt用公式（1）表達(dá)。

二、拖曳扭矩測(cè)試和計(jì)算

1.拖曳扭矩測(cè)試方法

本文探討應(yīng)用同步器試驗(yàn)臺(tái)架和GSA測(cè)試設(shè)備測(cè)量拖曳扭矩的方法。根據(jù)公式（1），在臺(tái)架上只需要測(cè)量輸入軸轉(zhuǎn)速變化△n和時(shí)間變化△t。離合器從動(dòng)盤(pán)慣量已知，變速器內(nèi)各零件轉(zhuǎn)化到輸入軸上的總慣量由變速器設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算所得。將變速器固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，輸入軸安裝上與之匹配的離合器從動(dòng)盤(pán)。變速器掛上某一檔位后，電機(jī)從輸出端驅(qū)動(dòng)變速器旋轉(zhuǎn)，使變速器輸入軸轉(zhuǎn)速上升到3000r/min以上，在某一轉(zhuǎn)速點(diǎn)保持一段時(shí)間，然后將檔位迅速摘到空檔，待轉(zhuǎn)速下降到1500r/min以下后，停止試驗(yàn)。在此過(guò)程中，GSA測(cè)試設(shè)備記錄輸入軸轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線（見(jiàn)圖1），從測(cè)試曲線上截取一段計(jì)算△n和△t。

圖1 輸入軸轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

2.拖曳扭矩計(jì)算方法

這款變速器Jc=0.00934kg·㎡；Jz=0.00421kg·㎡。從圖 1中選取△n=2700-1600=1100r/min，△t=1.7-0.6=1.1s，代入公式（1）計(jì)算得出Tt=1.42Nm。

三、拖曳扭矩的作用

同步器工作過(guò)程可以分為預(yù)同步、同步、自由滑行、對(duì)齒、嚙合五個(gè)階段。同步階段，拖曳扭矩能夠降低齒輪轉(zhuǎn)速，影響被同步端轉(zhuǎn)速變化率。在升檔過(guò)程中，被同步端需要降速，此時(shí)拖曳扭矩起有利作用。在降檔過(guò)程中，被同步端需要升速，此時(shí)拖曳扭矩起不利作用。

同步結(jié)束后，在自由滑行階段，理論上被同步端與同步端轉(zhuǎn)速差為零，由于拖曳扭矩的存在，被同步端的轉(zhuǎn)速會(huì)繼續(xù)下降，使得被同步端與同步端再次產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，導(dǎo)致在對(duì)齒階段產(chǎn)生沖擊，也就是二次沖擊，因此拖曳扭矩越小對(duì)降低二次沖擊概率越有利。

四、拖曳扭矩應(yīng)用

1.拖曳扭矩應(yīng)用公式

本文主要探討拖曳扭矩在同步階段的應(yīng)用。換檔簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖2。定義連接整車的同步端轉(zhuǎn)速是ω2，由于連接的是整車，J2具有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以認(rèn)為在換檔時(shí)ω2是不變的。被同步端轉(zhuǎn)速是ω1，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊換檔，需要依靠同步器摩擦副作用來(lái)實(shí)現(xiàn)ω1=ω2，所需的力矩為T(mén)c。另一方面，同步器摩擦錐面上產(chǎn)生摩擦力矩T2′，同步時(shí)間為t，為了實(shí)現(xiàn)同步，所需的同步力矩與同步器能夠產(chǎn)生的摩擦力矩應(yīng)該相等，即Tc=T2′。實(shí)際上，由于拖曳扭矩的存在，升檔時(shí)，被同步端需要降速，拖曳扭矩起有利作用，用公式（2）表達(dá)；降檔時(shí)，被同步端需要升速，拖曳扭矩起不利作用，用公式（3）表達(dá)，式中的Tt表示變速器特定檔位的拖曳扭矩，是該檔位的速比。

2.拖曳扭矩計(jì)算

圖2 換檔簡(jiǎn)化模型

表1 計(jì)算結(jié)果與整車測(cè)試結(jié)果對(duì)比

應(yīng)用公式（2）計(jì)算一款變速器的同步器換檔力Fa，再根據(jù)整車?yán)z杠桿比和拉絲效率計(jì)算操縱手柄換檔力，最后計(jì)算變速器在整車上的換檔沖量，計(jì)算結(jié)果與整車測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1，表中輸入轉(zhuǎn)速為2000r/min，換檔時(shí)間為0.25s。

在同步器性能計(jì)算時(shí)，應(yīng)用公式（2），考慮拖曳扭矩的影響，縮小了計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的偏差，也說(shuō)明本文探討的拖曳扭矩的測(cè)試方法、拖曳扭矩的計(jì)算方法、拖曳扭矩的應(yīng)用公式具有可參考性。

五、小結(jié)

本文探討了手動(dòng)變速器拖曳扭矩的測(cè)試方法、拖曳扭矩的計(jì)算方法和拖曳扭矩在同步器性能計(jì)算中的應(yīng)用，對(duì)同步器設(shè)計(jì)和校核具有參考作用。

本文的研究中，未考慮溫度的影響。眾所周知，溫度對(duì)潤(rùn)滑油的粘度影響較大，影響攪油阻力矩，從而影響拖曳扭矩的大小，這也是計(jì)算結(jié)果與整車實(shí)測(cè)結(jié)果存在偏差的影響因素之一。后續(xù)研究者可以利用環(huán)境倉(cāng)實(shí)現(xiàn)不同溫度的拖曳扭矩測(cè)試，這樣能提高計(jì)算校核的準(zhǔn)確性，也更貼近實(shí)際。