汽車同步器摩擦錐面同步過程仿真研究

劉卓，耿偉杰

（陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

引言

同步器是手動變速器和機械自動變速器中的一個重要部件，其內部包含一對摩擦面，在換擋過程中，摩擦面的摩擦使兩嚙合部分的轉速趨于相同，避免了在不同轉速時完成嚙合而產生的沖擊，提高了換擋舒適性，同時延長了變速器的壽命[1]。

通常情況下，對同步器的設計分析在保證換擋可靠及有較長壽命的前提下，根據同步原理的數學模型和經驗進行設計，并將兩摩擦錐面間的摩擦因數視作常數，摩擦因數的大小直接決定了同步時間的長短。

本文中將遵循同步器摩擦錐面原理建立多剛體運動學模型對同步過程進行模擬，供同步器同步過程的分析和優化設計參考。

1 摩擦錐面多體動力學模型

1.1 同步原理簡介

目前常用的同步器是慣性同步器，它主要由接合套、同步環等組成，其特點是依靠摩擦作用實現同步。由于本文僅關注雙錐面同步器同步環摩擦錐面的同步性能，因此對同步器進行簡化，僅將外摩擦換、中間環、內摩擦環、結合齒圈作為研究對象。

當摩擦錐面之間存在轉速差時，由于軸向力的作用，摩擦錐面上產生摩擦力矩，在其作用下結合齒圈轉速迅速降低(或升高)到與同步環轉速相等；同時由摩擦錐面上產生與旋轉方向相反的慣性力矩。

1.2 理論模型

根據摩擦錐面原理，建立單個摩擦錐面的示意簡圖，如圖2。

圖1 同步器摩擦錐面

圖2 摩擦錐面示意圖

由于變速器輸出端所連的是整車，具有相當大的轉動慣量，這意味著變速器輸出端的轉速在在換檔瞬時保持不變，而輸入端靠摩擦作用達到與輸出端同步。

將上式積分，得

式中：Jr——同步器輸入端零件的轉動慣量；ωr——同步器輸入端零件的角速度；

ωc——同步器輸出端零件的角速度；Tf——同步器的摩擦力矩；

tT——同步時間。在軸向力Fa作用下，摩擦錐面摩擦力矩為：

式中：μ——同步器摩擦錐面的摩擦系數；

α，R——摩擦錐面的半錐角和平均半徑。由于同步器摩擦面為錐形形狀，其摩擦結合面平均半徑可以等效如下：

式中：Rm1為錐面大端半徑，Rm2為錐面小端半徑。

1.3 基于SIMPACK的摩擦錐面建模

SIMPACK軟件是專家級機械系統動力學性能仿真分析軟件，可以描述并預測復雜機械系統的運動學及動力學性能。其求解器采用完全遞歸算法，分析虛擬機械系統的受力狀況以及零部件的運動位移、速度、加速度等[2]。

通過上述同步器摩擦錐面的原理分析，影響同步時間的關鍵在于摩擦面摩擦力矩的計算是否準確，結合軟件特點，需導入摩擦面詳細面網格進行接觸力的計算。摩擦錐面仿真模型如圖3所示。

圖3 摩擦錐面仿真模型

為了對摩擦錐面的工作過程進行正確仿真，須準確定義各個零件間的鉸接關系，如表l所示。

表1 零件鉸接關系

模型中接觸面接觸力計算使用Simpack中PCM接觸力元，PCM接觸（多邊形接觸）是單點接觸和有限元方法之間的一種折中，既考慮了復雜的模型，又極大提高了計算速度。根據摩擦錐面材料和尺寸選取接觸定義時相應的參數值，同時設置好求解器參數進行仿真分析。

2 同步過程仿真分析

2.1 摩擦錐面同步過程仿真分析

在摩擦錐面同步過程試驗中，根據實驗臺原理，輸出端即外摩擦換端轉速為零，輸入端為結合齒圈，試驗中給定結合齒圈的轉速和慣量，外摩擦環在軸向力的作用下運動，當摩擦面結合后產生摩擦力矩，結合齒圈速度逐漸降為零[3]。試驗臺基本原理如圖4所示。

圖4 試驗臺基本原理

因此確定以下工況進行對標分析，如表2所示。

實驗時能夠測得外摩擦環位移、軸向作用力、同步力矩、摩擦錐面理論摩擦系數、轉速變化等曲線，仿真計算時將軸向作用力曲線作為輸入，摩擦錐面的摩擦系數設為實驗測得同步過程摩擦系數的平均值，然后計算同步過程的轉速變化曲線和同步力矩曲線，與試驗進行對比，得到6個試驗工況的對比結果如圖5所示。其中虛線為仿真值，實線為實驗值。

表2 試驗工況

圖5 不同工況下實驗與仿真對比結果

由圖5可以看到，在摩擦錐面同步階段，不同工況下轉速變化與同步力矩變化的仿真與實驗結果變化趨勢基本一致，基本能夠完全反應實際情況。

同時根據同步過程的理論數學模型可以計算同步時間，對比不同工況下同步時間實驗值、理論值和仿真值得差別，如表3所示。

表3 同步時間對比

由表3可見，理論數學模型計算的同步時間均比實驗測試的小，且部分工況誤差較大，達到26.84%，動力學仿真結果與實驗同步時間更加接近。這是由于實際試驗中軸向力以及摩擦力矩的增大是一個逐漸變化的過程，理論模型中一般按照最大換擋力計算?？偟膩碚f同步時間的仿真值與實驗值相差比較小，說明仿真模型能有效地模擬同步器摩擦錐面的同步過程。

2.2 摩擦力模型轉換速度對同步力矩的影響

仿真模型中摩擦錐面摩擦力矩的計算使用庫倫干摩擦力模型，摩擦力的大小依賴于兩接觸面的正壓力和相對速度，基于相對速度的摩擦力摩擦因數模型如圖6所示。

圖6 摩擦力模型參數

其中Vesp為靜摩擦變為滑動摩擦的轉換速度，μ=const為滑動摩擦系數，VT為相對速度。因此，摩擦力 FT的計算如下式所示：

當Vesp不同時會對摩擦力的計算有較大影響，最終影響同步力矩的計算，因此針對工況一的條件，改變不同的 Vesp數值，比較同步過程摩擦力矩的變化趨勢，如圖7所示。

圖7 Vesp不同對同步力矩的影響

從圖7可以看出在摩擦錐面同步階段，Vesp的變化對摩擦力矩從峰值下降為零的階段影響較大，對其他階段無影響。當Vesp逐漸增大時摩擦力矩從峰值下降的拐點越早，變化更加平穩，與實際變化過程更加接近。

3 結語

文中針對同步器摩擦錐面結合過程的基本原理，運用Simpack建立了摩擦錐面的多剛體運動學模型，模擬了摩擦錐面的工作過程。并在所建模型的基礎上進行了同步過程的仿真分析和理論模型、實驗的對比，驗證了仿真模型能有效地模擬同步器的同步過程，為設計、控制和優化摩擦錐面參數提供了一種途徑。