同步器單體試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用研究

摘要：詳細(xì)介紹摩擦系數(shù)的試驗(yàn)方法，利用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)某款變速箱的一二檔同步器總成進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)同步環(huán)的摩擦系數(shù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證摩擦系數(shù)變化與同步環(huán)材料磨損之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)對(duì)某變速箱一二檔同步器5萬(wàn)次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為同步器單體試驗(yàn)提供試驗(yàn)方法和案例，也為不同摩擦材料的性能試驗(yàn)提供分析依據(jù)。

關(guān)鍵詞：同步器;汽車試驗(yàn);摩擦系數(shù);臺(tái)架系統(tǒng)

1 同步器單體試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.1 同步器等效模型

由于齒輪比和安裝位置的不同，同步器與每個(gè)齒輪的慣性和轉(zhuǎn)速差異存在差異。 下面分析同步器的數(shù)學(xué)模型。

同步器主動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)方程為：

…………………………….（1.1）

令k=sign（i_y-i_x），則升檔時(shí)k=-1，降檔時(shí)k=1。

其中：

ω₁：同步器主動(dòng)部分轉(zhuǎn)速（一軸轉(zhuǎn)速）;

T_s：同步扭矩;

T_c：轉(zhuǎn)換至離合器主動(dòng)部分的離合器阻力矩;

T_T：轉(zhuǎn)換至離合器主動(dòng)部分的變速箱阻力矩;

J：同步器主動(dòng)部分的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J= J_T?+ J_C;

J_T：變速箱主動(dòng)部分轉(zhuǎn)換至同步器上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

Jc：離合器轉(zhuǎn)換至同步器上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

J_V：轉(zhuǎn)換至離合器被動(dòng)部分的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

ix：換擋動(dòng)作完成前的傳動(dòng)比;

iy：換擋動(dòng)作完成后的傳動(dòng)比;

從以上分析可以看出：

（1）、升檔時(shí)，同步器一軸在T_s作用下轉(zhuǎn)速下降，降檔時(shí)，同步器一軸在T_s作用下轉(zhuǎn)速上升;

（2）、T_c與T_s的方向始終相反，對(duì)同步力矩起到削弱作用，不利于同步過(guò)程;

（3）、升檔時(shí)T_T與T_s方向相同，有利于同步過(guò)程;降檔時(shí)T_T與T_s方向相反，不利于同步過(guò)程;

（4）、升檔時(shí)T_v不利于同步過(guò)程，降檔時(shí)有利于同步過(guò)程。

1.2 摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)是同步器的固有參數(shù)，在同步器工作過(guò)程中不會(huì)發(fā)生大的變化，只要確定摩擦副材料、同步器環(huán)的中值直徑和同步器的錐角，摩擦系數(shù)就是恒定的。但是，在實(shí)際過(guò)程中，由于摩擦面狀態(tài)（局部不規(guī)則，毛刺等）、潤(rùn)滑油流量、系統(tǒng)誤差、接觸面積、潤(rùn)滑油溫度等同步環(huán)摩擦面有關(guān)參數(shù)的影響，實(shí)際測(cè)量的摩擦系數(shù)有可能將偏離理論值^[1]。經(jīng)試驗(yàn)?zāi)ズ现?，得到的摩擦系?shù)將會(huì)接近理論值，所以摩擦系數(shù)可以作為同步環(huán)磨合效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如下。

…………….（1.2）

其中：

T為同步扭矩;

F為軸向力;

r₁、r₂、r₃為三個(gè)摩擦錐面的中位半徑，沒(méi)有則為零;

sinθ₁、sinθ₂、sinθ₃為三個(gè)摩擦錐面的錐角正弦，沒(méi)有則為零;

μ為摩擦系數(shù)。

以上推導(dǎo)可得，K為常量，由同步環(huán)錐面數(shù)（單錐面、雙錐面、三錐面）、錐面中位半徑、錐角等機(jī)械結(jié)構(gòu)共同決定，對(duì)于結(jié)構(gòu)上有差異的同步器總成，K值通常也不同，通過(guò)對(duì)摩擦力矩T和換擋軸向力F的測(cè)量可以得到摩擦系數(shù)μ。

1.3 試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

在臺(tái)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了考慮各個(gè)參數(shù)的精確測(cè)量，還應(yīng)充分保證同步器的工作狀態(tài)與整車姿態(tài)保持一致，比如：同步器的一軸慣量應(yīng)做成可調(diào)節(jié)式，可根據(jù)不同的離合器摩擦盤(pán)進(jìn)行慣量調(diào)節(jié)^[2];二軸慣量應(yīng)確保車速的穩(wěn)定，輸出端轉(zhuǎn)速不受換擋沖擊造成較大的波動(dòng);液壓換擋機(jī)構(gòu)要兼具力量控制和位置控制的雙閉環(huán)控制能力;潤(rùn)滑油系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的同步器進(jìn)行流量調(diào)節(jié)和溫度控制。

2 摩擦系數(shù)試驗(yàn)分析

2.1被試件參數(shù)

為了研究同步環(huán)摩擦系數(shù)的試驗(yàn)方法，本文對(duì)某款DCT變速箱的一二檔同步環(huán)進(jìn)行五萬(wàn)次以上的耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如下：

試驗(yàn)樣品包含一套同步環(huán)和一套齒輪配件，同步環(huán)包括一二擋外環(huán)、中間環(huán)、內(nèi)環(huán)各一個(gè)，齒輪配件包括一檔齒輪、二檔齒輪、花鍵齒轂、滑套各一個(gè)和三個(gè)預(yù)同步定位銷。其中，一檔齒輪安裝在靜止端，二檔齒輪安裝在滑動(dòng)端。

在以下試驗(yàn)條件下進(jìn)行不少于50000次的循環(huán)耐久試驗(yàn)：

2.2 單次同步過(guò)程的摩擦系數(shù)

以下是單次同步環(huán)接合過(guò)程曲線，數(shù)據(jù)曲線能夠匹配同步器接合的三個(gè)過(guò)程，即預(yù)同步階段、同步階段和嚙合齒嚙合階段^[3]。在預(yù)同步階段，同步環(huán)處于排油的過(guò)程中，隨著油膜逐漸變薄，一軸轉(zhuǎn)速開(kāi)始緩慢變化，摩擦系數(shù)μ快速上升;在同步階段，同步環(huán)處于干磨狀態(tài)，一軸轉(zhuǎn)速在摩擦力矩的作用下開(kāi)始快速變化，摩擦系數(shù)保持在最大值附近;在嚙合齒嚙合階段，齒轂轉(zhuǎn)速與檔位齒轉(zhuǎn)速非常接近，轉(zhuǎn)速差趨于零，摩擦系數(shù)μ急劇降低。

2.3 摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)

隨著摩擦次數(shù)的增加，同步環(huán)厚度逐漸變薄，摩擦系數(shù)整體呈降低趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速信號(hào)選取各次同步過(guò)程的最大轉(zhuǎn)速差，其他信號(hào)選取各次同步過(guò)程的平均值。

在50000次試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦系數(shù)和摩擦力矩的變化關(guān)系如下，在整個(gè)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中同步時(shí)間不超過(guò)0.21s;摩擦系數(shù)在1000個(gè)循環(huán)之前偏高且變化較大，在1000-50000次循環(huán)中有少許下降且趨于穩(wěn)定;減速檔的摩擦系數(shù)稍微高于增速檔，這是因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)的摩擦效應(yīng)，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的摩擦損失（軸承、油的拖滯等）在減速時(shí)是支持減速過(guò)程的，而在加速時(shí)是阻礙加速過(guò)程。

試驗(yàn)后經(jīng)拆解同步器總成發(fā)現(xiàn)，同步環(huán)各錐面均出現(xiàn)一定程度的磨損，但不影響同步器換擋功能。

在運(yùn)行50050次循環(huán)以后，齒套和接合齒沒(méi)有明顯磨損痕跡，一檔和二檔的錐面磨損量分別為0.190mm和0.405mm，外環(huán)端面離內(nèi)環(huán)端面的距離仍然大于零，分別余下0.410mm和0.392mm，為安全距離。試驗(yàn)結(jié)果顯示試驗(yàn)成功。

降檔時(shí)隨著同步時(shí)間增加，同步?jīng)_量會(huì)增大，升檔時(shí)隨著同步時(shí)間增加，同步?jīng)_量會(huì)減小，這與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)完全一致，即換高檔時(shí)動(dòng)作要慢，而換低檔時(shí)動(dòng)作要快。

3 全文總結(jié)

本章給出了同步器單體試驗(yàn)流程和方法，詳細(xì)分析了同步環(huán)在摩擦試驗(yàn)過(guò)程中摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)，同時(shí)和同步環(huán)錐面磨損形成對(duì)比。希望對(duì)于推廣摩擦材料的試驗(yàn)方法能夠起到拋磚引玉的作用。

參考文獻(xiàn)

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[3] 何莉，張為公等.基于Vx Works 的汽車同步器試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng).測(cè)控技術(shù)，2009，28（11）：40-44.

作者簡(jiǎn)介：徐宗卿 男，1987.3，同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院（201807），江蘇東海人，中級(jí)工程師，本科。

（作者單位：同濟(jì)大學(xué)汽車院）