同步器同步過程摩擦因數變化試驗及仿真研究

王順利凌晨席軍強

（1.陜西法士特齒輪有限責任公司；2.北京汽車股份有限公司汽車研究院；3.北京理工大學）

同步器同步過程摩擦因數變化試驗及仿真研究

王順利1凌晨2席軍強3

（1.陜西法士特齒輪有限責任公司；2.北京汽車股份有限公司汽車研究院；3.北京理工大學）

為探究同步器同步過程中摩擦錐面間摩擦因數變化對其工作性能的影響，對同步器的工作過程進行了臺架試驗。結果表明,該摩擦因數并非維持恒定值，其隨轉速差變化而變化的趨勢可以用指數函數很好的擬合。根據臺架試驗結果，在Matlab/Simulink環境下搭建了同步器同步過程的動力學仿真模型，并通過仿真結果與試驗數據的對比，證明考慮摩擦因數變化的仿真模型能夠更準確地反映同步過程的真實情況，有利于同步器各工作參數的精確計算。

1 前言

通常情況下，對汽車變速器同步器的研究重點是針對換擋力、轉速差、同步慣量、同步器幾何結構等對其工作性能的影響，而將兩摩擦錐面間的摩擦因數視作常數（0.1或0.08），該假設被廣泛采用，如黃華在Modelica軟件環境下建立的同步器模型、陳震在ADAMS軟件環境下建立的同步器虛擬樣機模型、DanielH?ggstr?m和MikaelNordlander在MATLAB軟件環境下建立的同步器動力學模型[1～3]等都遵循了該假設。然而摩擦學相關研究表明，兩摩擦表面間的摩擦因數將隨它們之間相對運動速度的改變而改變[4]。同步器正是憑借一對摩擦錐面間的滑摩實現其同步功能，所以摩擦因數的大小直接決定了同步時間的長短，因而視摩擦因數為常量的計算方法必將導致同步時間的理論值與測試值之間存在較大偏差，致使設計出的同步器不能滿足使用需求。為此，本文對同步器工作過程進行了臺架試驗，并結合同步器同步過程的動力學仿真模型探討摩擦因數的變化對同步器性能的影響。

2 摩擦因數變化試驗

同步器摩擦錐面之間的摩擦因數是衡量同步器性能好壞的標志之一[5]。但是，即使摩擦副的材料已經確定，在同步過程中，隨同步器主動端與被動端速度差的逐漸消除，該摩擦因數也會發生改變。

為得到同步器摩擦錐面摩擦因數的變化情況，對同步器工作過程進行了臺架試驗，試驗臺架結構[6]如圖1所示。試驗對象為國產1-2擋單錐面鎖環式同步器，鎖環摩擦錐面材料為黃銅合金，潤滑油為長城潤滑油。

該試驗臺架使用了一套完整的同步器機構，能夠實現完整的升擋、降擋動作，其主要部件包括驅動電機、2個飛輪和換擋缸。大飛輪通過皮帶-滑輪機構與驅動電機相連，以保持穩定持久的轉速；小飛輪作為同步器的負載，其可被減速到0（當接合套移向Ⅰ位置）或加速到與大飛輪一致的轉速（當接合套移向Ⅱ位置）；接合套的運動方向由與換擋缸固聯的換擋撥叉的運動決定。在試驗臺架工作過程中，密閉空間中存有潤滑油液，且油液處于循壞狀態，溫度與室溫基本保持一致。

根據傳感器記錄的數據可計算得到試驗所用同步器在該工況下摩擦錐面間摩擦因數的變化情況，摩擦因數與同步器主、被動端轉速差Δω之間的關系可以用指數函數μ=a+bec||Δω來表征，系數a、b、c可以通過數據擬合得到[7]。根據試驗結果，所研究同步器的錐面摩擦因數μK隨Δω變化的函數關系擬合公式見式（1），擬合曲線如圖2所示。

式（1）中的系數a、b、c必須由臺架試驗測得，它們由摩擦錐面材料、潤滑油性能、試驗溫度等參數決定，不同的同步器或相同同步器在不同工況下該數值均會產生變化。

3 同步器工作過程分析及動力學模型搭建

為建立同步器工作過程的動力學模型，對單錐面鎖環式同步器的工作過程進行動力學分析。

該同步器由轂、滑塊、接合套、鎖環、接合齒圈和常嚙合齒輪等6部分組成。掛擋前，接合套處于空擋位置；接合齒圈和待嚙合齒輪為一個整體，轉速為ωI；轂、滑塊和接合套為一個整體，轉速為ωF。

當施加換擋力后，換擋撥叉推動接合套帶動滑塊一同向接合齒圈移動。鎖環在滑塊的推動下與接合齒圈貼合，接合套向鎖環軸向移動直至其嚙合齒與鎖環的嚙合齒接觸。

以上過程發生在同步鎖止階段之前，為接合套第1段自由行程階段，該過程中接合套受力情況如圖3所示，其運動狀態可用式（2）～式（4）描述。

式中，mS為接合套質量；mD為每個滑塊質量；n為滑塊個數；x為接合套軸向位移；Fa為換擋力；FS為彈簧彈性力；φ為滑塊偏轉角度；KS為彈簧剛度系數；LS為接合套處于中位時的彈簧長度；LS0為彈簧的自由長度；DB為滑塊中的小球直徑。

在接下來的同步鎖止階段，接合齒圈和待嚙合齒輪在摩擦轉矩的作用下不斷加速或減速。與此同時，在達到同步前，接合套嚙合齒與鎖環嚙合齒總是齒端互相抵觸而無法進一步接合，這是通過鎖止角和摩擦錐面錐角的設計保證的。由于接合套和鎖環與變速器輸出軸相連，相對來說具有很大慣量，可認為保持轉速不變。以上過程中接合齒圈受力情況如圖4所示，其運動狀態可以用式（5）和式（6）描述。

式中，MK為作用在接合齒圈上的摩擦轉矩；rK為摩擦錐面平均等效錐半徑；αK為摩擦錐面半錐角；μK為鎖環和接合齒圈之間的摩擦因數；J為等效到被接合齒輪端的當量轉動慣量；ω為被接合齒輪的實時轉速。

當接合齒圈轉速達到ωF后，同步過程結束，接合套繼續向常嚙合齒輪軸向移動，在此過程中其嚙合齒依次與鎖環和接合齒圈嚙合齒接觸，并將它們撥開一個角度以繼續前進，直到其移動到極限位置。實際過程中，在依靠撥環力矩將鎖環、接合齒圈撥開時，接合套位移會出現一段時間的停滯且停滯的時長并不固定，但因為停滯發生在同步過程完成之后，即對同步器的主體功能并不起決定性影響，所以可以將該過程簡化，認為接合套在此過程中在換擋力的作用下不斷前進，不發生停滯。以上過程中接合套的運動狀態可用下式描述：

根據以上對同步器工作過程的動力學分析，在Mat?lab/Simulink軟件環境下搭建了同步器動力學模型，其流程如圖5所示。

該同步器動力學模型具有9個輸入參數和2個輸出參數，各參數定義如表1所列。該模型可以輸出接合套位移和接合齒圈角速度，如圖6所示。

表1 同步器動力學模型參數定義

4 仿真比較與試驗驗證

利用建立的同步器動力學模型，針對摩擦因數變化情況，將式（1）代入動力學模型中，得到改進后的模型。改進后模型與使用傳統理論分析模型的主要區別是在摩擦轉矩的計算方法上，傳統模型將摩擦錐面摩擦因數視為恒定值，即恒等于同步過程開始時摩擦因數值，而改進模型利用式（1）對摩擦因數進行實時計算。

傳統模型中，同步器的同步過程理論上所用時間為：

Test and Simulation Study on Friction Coefficient during Synchronizing Process of synchronizer

Wang Shunli1,Ling Chen2,Xi Junqiang2
（1.ShanXi Fast Gear Co.,Ltd;2.Beijing Institute of Technology）

To investigate the influence of variation of friction coefficient between the friction cones on synchronizer’s operating performance during the synchronizing process,bench tests is carried out.The results show that the friction coefficient varies with the speed difference as an exponential function rather than a constant value.According to bench test results,the dynamic simulation model of the synchronizing process is built in Matlab/Simulink.By comparing simulation and test results,it verifies that the model which considers the variations of friction coefficient could reflect the real conditions of the synchronizing process more accurately,which is helpful for the accurate calculation of different operating parameters of the synchronizer.

Synchronizer,Synchronizing process,Friction coefficient,Simulation

同步器 同步過程 摩擦因數 仿真

U463.212+.41

A

1000-3703（2015）07-0032-03