同步器工作過程仿真研究

凌晨　席軍強

摘 要：參考ZF-BK型同步器實際尺寸參數(shù)，在PRO/E中建立了同步器三維模型，導入Adams中建立了仿真同步器工作過程的虛擬樣機，實現(xiàn)了同步器工作的同步與鎖止功能，同步時間與理論計算值一致。分析了接合套與接合齒圈嚙合齒接觸位置、換擋力和摩擦錐面摩擦因數(shù)大小對同步器性能的影響。

關鍵詞：同步器；同步過程；ADAMS；仿真

中圖分類號：U461文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.02

同步器是汽車手動變速器中重要的組成部件，它利用摩擦原理使其輸入、輸出部分的轉(zhuǎn)動速度達到一致后再接合，減小了換擋時的沖擊，延長了變速器的壽命，并提高了車輛的行駛安全性和舒適性。其中，慣性鎖環(huán)式同步器使用最為廣泛。

自從Hiroaki Hoshino首次采用在ADAMS中建立同步器三維模型的研究方案后[1]，國內(nèi)已有大量文獻采用此方法對鎖環(huán)式同步器工作過程進行仿真研究。其中文獻[2]～[4]均將同步器模型簡化為一對摩擦錐面，通過它們之間的滑摩實現(xiàn)同步過程，然而并未體現(xiàn)出同步器的鎖止功能，喪失了模型的準確性。文獻[5]～[7]建立的三維仿真模型均包含了同步器的所有組成部分，然而，文獻[5]并未給出接合套位移曲線，沒有提到同步器鎖止過程；文獻[6]著重展現(xiàn)了同步器的鎖止過程，但其給出的圖中接合齒圈的速度為定值，鎖環(huán)速度逐漸改變的情況與實際情況相悖。文獻[5]～[7]給出的作用在接合套上的換擋力均過小，尤其是文獻[7]中給出的值為50 N，和實際情況差距較大。

本文將結(jié)合綦江QJ805客車的變速器中使用的ZF-BK型同步器總成的尺寸參數(shù)以及實際工程經(jīng)驗得到的參數(shù)建立虛擬樣機模型，對同步器工作過程進行仿真研究。

1 虛擬樣機建模

1.1 同步器工作過程分析

通用的鎖環(huán)式同步器如圖1所示，包含轂、滑塊、接合套、鎖環(huán)、接合齒圈和常嚙合齒輪六部分[8]，通過尺寸設計尤其是摩擦錐面錐角和鎖止角的設計實現(xiàn)同步鎖止功能。

可以將同步器換擋過程劃分為6個階段，各個階段間臨界位置如圖2所示。

以降擋時的情況為例說明。

（1）階段Ⅰ：位置①→位置②，接合套第1段自由行程。鎖環(huán)在滑塊的推動下與接合齒圈貼合，隨后，接合套向鎖環(huán)軸向移動直到嚙合齒與鎖環(huán)的嚙合齒接觸。

在同步未開始之前，接合套和鎖環(huán)與變速器輸出軸轉(zhuǎn)速一致，為ω1，待接合的接合齒圈和常嚙合齒輪轉(zhuǎn)速為ω2。

，

。

式中，ωe為換擋時刻發(fā)動機轉(zhuǎn)速，rad/s；i1為換擋前擋位傳動比；i2為換擋后擋位傳動比。

（2）階段Ⅱ：位置②，同步鎖止階段。

鎖環(huán)由于其嚙合齒和接合套的嚙合齒相嚙合，受到使其相對于接合套加速的撥環(huán)力矩MS。同時，鎖環(huán)和接合齒圈之間由于有轉(zhuǎn)速差，所以存在滑摩，鎖環(huán)受到阻礙其加速的摩擦力矩MK[9]。

。

。

式中，F(xiàn)a為換擋時作用在接合套上的軸向推力，N； rS為鎖環(huán)平均等效工作半徑，m；β為鎖環(huán)和接合套嚙合齒的鎖止角角度；為鎖環(huán)和接合套嚙合齒之間的摩擦因數(shù)；rK為摩擦錐面平均等效錐半徑，m；αK為摩擦錐面半錐角；為鎖環(huán)和接合齒圈之間的摩擦因數(shù)。

為實現(xiàn)同步鎖止功能，在尺寸設計時即保證MS≤MK。所以接合齒圈在上述摩擦力矩反作用力矩的作用下持續(xù)加速，并且在速度達到同步前，鎖環(huán)無法加速，即相對接合套無法被撥轉(zhuǎn)，保持勻速轉(zhuǎn)動。

（3）階段Ⅲ：位置②→位置③，撥動鎖環(huán)階段。

當接合齒圈轉(zhuǎn)速由ω2升至ω1之后，同步完成，此時鎖環(huán)和接合齒圈作為整體在撥環(huán)力矩MS的作用下產(chǎn)生一個瞬時加速，從而讓開位置使接合套能夠繼續(xù)前進。

（4）階段Ⅳ：位置③→位置④，接合套第2段自由行程。接合套向接合齒圈軸向移動直到嚙合齒與接合齒圈的嚙合齒接觸。

（5）階段Ⅴ：位置④→位置⑤，撥動接合齒圈階段。在產(chǎn)生二次沖擊后，接合齒圈被撥轉(zhuǎn)一個角度，從而讓開位置使接合套能夠繼續(xù)前進。

（6）階段Ⅵ：位置⑤→位置⑥，接合套最后一段自由行程。接合套向掛入擋位常嚙合齒輪軸向移動直到極限位置。

1.2 三維建模

對照ZF-BK型同步器總成實物，在PRO/E中建立同步器的參數(shù)化三維實體模型，它包括完整同步器總成的所有六部分零部件。各零件均參照實物實際結(jié)構(gòu)和尺寸建立，如圖3所示。

將其裝配完整后導入Adams中，設置固有屬性（慣量、材料屬性、旋轉(zhuǎn)中心等）、約束形式（運動副、接觸力等）和工作環(huán)境（初速度、換擋力等）。

花鍵轂與變速器輸出軸相連，因此可將其慣量看成無窮大，即對其給定一個恒定轉(zhuǎn)速即可。將接合齒圈和常嚙合齒輪通過“布爾和”操作合并為一個整體，當量轉(zhuǎn)動慣量為J，換入的擋位越低，當量轉(zhuǎn)動慣量越大。

。

式中，J為等效到被接合齒輪端的當量轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Jr為離合器從動盤、變速器輸入軸、中間軸（含中間軸上各個齒輪）、變速器輸出軸上常嚙合齒輪（包括倒擋齒輪）的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換到變速器輸入端的當量轉(zhuǎn)動慣量之和，kg·m2。

虛擬樣機模型中接觸力的彈性力和阻尼力相關系數(shù)參考經(jīng)驗值給定[10]，最終在Adams中的效果如圖4所示。

2 同步過程仿真分析

結(jié)合摩擦錐面上的摩擦力矩大小可得到理論換擋時間。

。

以3擋降2擋為例，將其傳動比代入式（1）、（4）、（5），計算中涉及到的參數(shù)及最終計算結(jié)果見表1。

在相同條件下，虛擬樣機仿真結(jié)果如圖5～8所示。

由圖5可知，虛擬樣機正確地模擬了同步器工作過程，相關曲線與6個階段的劃分完全吻合，且同步時間0.55 s，與理論值僅偏差2.0%。圖6表明了接合齒圈在同步階段在摩擦力矩的作用下持續(xù)加速的過程。圖7表明接合套與鎖環(huán)嚙合齒之間只在階段Ⅱ互相嚙合；與接合齒圈嚙合齒之間只在階段Ⅴ互相嚙合，此即為二次沖擊；與待嚙合齒輪在階段Ⅵ之后持續(xù)接觸。圖8表明了摩擦錐面滑摩功的瞬時功率在同步鎖止階段持續(xù)以一次函數(shù)遞減。

3 參數(shù)影響分析

3.1 接合套與接合齒圈嚙合齒接觸位置

狀況（1）：當接合套移動到前述的位置④時，其嚙合齒與接合齒圈嚙合齒相對位置正好如位置⑤時的狀態(tài)，即接合齒圈無需被撥動，接合套可直接繼續(xù)前進。那么，此種情況下階段Ⅴ將不復存在，接合套可以無阻礙地運動至與常嚙合齒輪接觸的極限位置，此時換擋過程將不存在二次沖擊。

狀況（2）：接合套嚙合齒與接合齒圈嚙合齒在位置④時可能正好齒尖相頂，如圖9所示。那么此時接合套將無法繼續(xù)前進，導致?lián)Q擋失敗。

通過改變接合齒圈初始時相對接合套的角度位置，可仿真得到以上兩種特殊狀況下的換擋過程，其結(jié)果如圖10所示。

3.2 換擋力的影響

在其它條件不變的前提下改變換擋力大小，可以得到不同換擋力作用下的換擋過程曲線，如圖11所示。

由圖11可知，越大的換擋力下同步時間越短，這是由于接合齒圈受到了更大的摩擦轉(zhuǎn)矩，具有更大的角加速度。

3.3 摩擦錐面動摩擦因數(shù)的影響

在其它條件不變的前提下改變摩擦錐面動摩擦因數(shù)大小，可以得到不同錐面摩擦因數(shù)下的換擋過程曲線，如圖12所示。

由圖12可知，摩擦錐面動摩擦因數(shù)越大時同步時間越短，這是由于接合齒圈受到了更大的摩擦轉(zhuǎn)矩，具有更大的角加速度。

4 結(jié)論

（1）基于虛擬仿真技術，針對同步器工作過程進行了虛擬樣機建模與仿真，實現(xiàn)了同步器工作的同步與鎖止功能，同步時間與理論計算值一致。

（2）接合套與接合齒圈嚙合齒接觸的位置會影響二次沖擊，可以產(chǎn)生正常嚙合、頂齒導致接合套無法繼續(xù)前進、接合套直接穿過接合齒圈等不同工作過程。以上各種狀況由于發(fā)生在同步過程結(jié)束后，并不會影響同步器同步功能，接合齒圈的速度變化情況不變。在實際應用中，當出現(xiàn)頂齒而掛不上擋的情況時，先回空擋再次掛擋，即可解決該問題。

（3）較大的換擋力可以縮短同步時間，但同時也會導致摩擦錐面滑摩功率最大值較大以及各部件間接觸力增大，加快同步器的磨損。

（4）增大摩擦錐面間動摩擦因數(shù)可以得到與增大換擋力一樣的縮短同步時間的效果，且不會對同步器壽命產(chǎn)生負面影響。所以，選用性能更好的摩擦材料是未來同步器發(fā)展的重要方向。

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