鎖銷式同步器鎖止面磨損程度定量分析

章剛，王勇，郭增鋼，張發(fā)勇

（陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

鎖銷式同步器鎖止面磨損程度定量分析

章剛，王勇，郭增鋼，張發(fā)勇

（陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

對鎖銷式同步器鎖止面磨損過程和機(jī)理進(jìn)行分析，建立了磨損程度計算模型。運(yùn)用有限單元法得到同步錐環(huán)和滑套鎖止面摩擦過程中的接觸應(yīng)力與滑移距離的關(guān)系；以Archard模型為基礎(chǔ)，分析了表面硬度、換擋力和換擋次數(shù)對鎖止面邊緣磨損深度的不同影響。結(jié)果表明：鎖銷式同步器鎖止面接觸應(yīng)力與滑移距近似呈二次函數(shù)關(guān)系；鎖止面磨損深度可以用Archard模型簡化公式計算。

鎖銷式同步器；磨損；Archard模型；有限單元法

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.026

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-75-04

引言

為實現(xiàn)車輛換擋操作迅速輕便無沖擊，提高動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性，同步器是變速器總成中不可或缺的關(guān)鍵零部件。中型及大型載貨汽車變速器中，鎖銷式同步器以其較好的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，較大的同步力矩和較短的同步時間而運(yùn)用廣泛[1]。同步器在實際使用中故障率較高，同步錐面磨損或鎖止面磨損是造成同步器功能減弱或消失主要原因[2-3]；一些在研新型鎖銷式同步器試制試驗過程中也會出現(xiàn)鎖止面磨損失效的問題。為此，針對鎖銷式同步器式鎖止面的磨損提出一個合理有效的數(shù)學(xué)模型就具有重要意義。

磨損是一種非常復(fù)雜的微觀動態(tài)過程，經(jīng)歷了從經(jīng)驗到分子(粘著)與機(jī)械(力學(xué))作用理論，再到借助測試技術(shù)和表面分析工具的現(xiàn)代磨損研究階段。車輛換檔時，同步器工作過程是一個復(fù)雜的、動態(tài)的摩擦過程。分析鎖止結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和工作過程，從材料表面組織結(jié)構(gòu)的變化出發(fā)，會發(fā)現(xiàn)鎖止接觸磨損后的表面形貌符合粘著磨損的特點[3-5]。故考慮用機(jī)理的相關(guān)理論進(jìn)行分析。從上世紀(jì)50年代起，關(guān)于粘著磨損出現(xiàn)了一大批如Holm模型，Buckly滑移模型等粘著磨損模型，在眾多模型中，Archard（阿查德）模型可以對磨損體積、滑動速度、垂直載荷以及材料硬度等參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行解釋，并且與試驗和觀察的結(jié)果相一致，因此在工程實踐中得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[4,6,7]。

文章以Archard模型為基礎(chǔ)，首先用有限單元法分析了給定換擋力下滑移距離變化對同步錐環(huán)與腹板（滑套）鎖止面接觸應(yīng)力的影響，并用曲線回歸擬合方法計算得到接觸應(yīng)力與滑移距離的積分值；隨后用試驗數(shù)據(jù)反推出鎖止面磨損系數(shù)，最后到合理簡化的計算公式。

1、鎖銷式同步器錐環(huán)鎖止面磨損數(shù)學(xué)模型

1.1Archard模型的改進(jìn)

Archard粘著磨損量計算模型的基本形式為[4-6]：

式中，W為磨損體積，S為零件間的相對滑動距離，K為與材料配對及潤滑有關(guān)的磨損系數(shù)，F(xiàn)為零件間的法向載荷，H為較軟材料的布氏硬度值。

對同步器鎖止面接觸磨損來說，鎖止面磨損深度具有重要工程意義。故將（1）式兩邊同時除于鎖止面的名義接觸面積A得到Archard模型另一種形式：

設(shè)一次掛檔過程中鎖止面滑移距離為 S1，則 N次換擋后，Archard模型鎖止面磨損深度h：

設(shè)積分部分為：

1.2鎖銷式同步器鎖止面有限元模型

有限元分析采用商用有限元分析軟件ABAQUS完成。某鎖銷式同步器高檔錐環(huán)與腹板間鎖止面有三處，均勻分布如圖1所示（低檔錐環(huán)換擋力較小，且磨損過程與高檔錐環(huán)相似，不考慮）。截取其中一處鎖止面附近部分建立有限元模型，相關(guān)參數(shù)說明見表1。

從同步器設(shè)計原理及工作過程看，錐環(huán)與結(jié)合齒圈未同步前，兩鎖止面理論上緊密貼合，無滑動，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速同步，錐面摩擦力矩消失后，才在換擋力的作用下產(chǎn)生撥環(huán)力矩使得腹板通過同步錐環(huán)完成掛檔。由于整個過程時間較短本文做如下假設(shè)或規(guī)定：

（1）同步環(huán)鎖止面邊緣為勻速滑移通過整個腹板磨損面，其磨損最為嚴(yán)重，本文研究的磨損深度均指鎖止面邊緣線上磨損深度，Mises應(yīng)力取其15個單元的平均值。滑移過程中的每一處，受力均平衡，錐環(huán)和腹板局部模型約束轉(zhuǎn)動和多余平動。

（2）給定換擋力下，一次掛檔過程中，計算滑移量為0、0.779mm、1.598mm、2.397mm和2.7965mm（圖1c所示）共計五組接觸應(yīng)力，然后通過擬合接觸應(yīng)力與滑移量關(guān)系曲線求JSF。注意滑移量為 3.2175mm鎖止面脫離，即為積分上限。

表1 模型參數(shù)及說明［8，9］

1.3磨損深度測量與磨損系數(shù)K反推

圖2給出高檔同步錐環(huán)N=23萬次和30萬次換擋磨損試驗結(jié)果圖示，此時對應(yīng)換擋力為2182N（換擋氣缸活塞直徑63mm，氣壓0.7MPa），鎖止面硬度為58HRC（布氏硬度為613），和腹板比較錐環(huán)鎖止表面較軟易磨損。從圖2中可以看到鎖止面邊緣磨損明顯，磨損深度通過比例轉(zhuǎn)換得到：

h=0.320mm（N=23萬次） h=0.436mm（N=30萬次）

有限元法計算得到不同滑移距離下的Mises應(yīng)力云圖如圖3所示。將圖示中鎖止面邊緣線上單元應(yīng)力取平均值，得到給定換擋力下接觸應(yīng)力與滑移距離數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 鎖止面邊緣滑移距離對應(yīng)平均應(yīng)力值（F=2182N）

根據(jù)表2的計算結(jié)果，進(jìn)行二次函數(shù)擬合，見后面圖4所示，得到換擋力F=2182N時，邊緣線上Mises平均接觸應(yīng)力與滑移距離的關(guān)系為：

將高檔同步環(huán)試驗件數(shù)據(jù)N、H、S1， 測量結(jié)果h及計算結(jié)果式（6）代入式（4）反推得到磨損系數(shù)K：

2、接觸應(yīng)力分析及簡化Archard模型公式

采用上節(jié)所描述的模型，用有限元法計算得到7組換擋力下鎖止面滑移距離與接觸應(yīng)力的數(shù)據(jù)如圖4所示。采用最小二乘法回歸得到二次函數(shù)關(guān)系曲線示，形如：

其中參數(shù)A、B1、B2及相關(guān)系數(shù)R見表4所列，之后將回歸函數(shù)代入積分值式（5）中，得到各積分值。如圖 5對換擋力和積分值JSF進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得到簡單線性公式如式（9）所示。

表3 擬合計算數(shù)據(jù)

顯然，當(dāng)給定同步器換擋力時，鎖止面接觸應(yīng)力隨滑移距離呈二次函數(shù)關(guān)系變化趨勢；式（8）的相關(guān)系數(shù)全部在0.96以上，用二次函數(shù)擬合可靠。式（4）所示鎖止面邊緣接觸磨損深度h的Archard模型積分項JSF可以簡化為換擋力F的線性關(guān)系式（其相關(guān)系數(shù)R接近1），代入式（5）和（9）得式（4）的簡化形式：

作為檢驗將F=2182N，硬度58HRC和換檔次數(shù)N=30萬次代入式（10）計算得到磨損深度h為0.420mm，與圖2所給試驗結(jié)果0.436mm比較，誤差僅為3.7%，說明式（10）的計算結(jié)果可靠。需要注意的是，系數(shù)0.05616與鎖止面的形狀角度和尺寸有關(guān)，對于不同同步器該系數(shù)可能不同。

3、結(jié)論

鎖銷式同步器高低擋錐環(huán)和腹板（滑套）鎖止面邊緣接觸應(yīng)力隨滑移距離呈二次函數(shù)關(guān)系變化，邊緣接觸磨損深度h可以用Archard模型轉(zhuǎn)化公式（4）計算得到。對于尺寸確定的同步器，積分項JSF可簡化為換擋力F的線性關(guān)系式，公式（4）被簡化為式（10）形式，這對鎖銷式同步器鎖止功能及壽命設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

用試驗件磨損圖片反推得到某同步器準(zhǔn)確錐環(huán)鎖止面邊緣磨損系數(shù)K。該方法可用以建立不同材料和結(jié)構(gòu)的鎖銷式同步器鎖止面磨損系數(shù)K值數(shù)據(jù)庫。其它參數(shù)確定不變時，同步器換擋次數(shù)和鎖止面邊緣磨損深度線性相關(guān)，可以用許用磨損深度的方法確定同步器使用壽命。鎖止面表面硬度增加，其對磨損深度的影響越來越弱。當(dāng)同步器錐環(huán)鎖止面硬度接近或超過腹板（滑套）的硬度（60HRC以上）時，將抑制鎖止面粘著磨損產(chǎn)生，這一結(jié)論對該產(chǎn)品熱處理技術(shù)要求方案定型提供重要參考。

此外，用本文方法計算鎖銷式同步器鎖止面磨損深度及使用壽命時，同一同步器中各鎖止面硬度和磨損系數(shù)K是否相同，換擋力是否平均分配到三處鎖止面上將影響計算結(jié)果與實際情況的一致性。事實上，從已有試驗結(jié)果看同一個錐環(huán)上三處鎖止面的磨損有差異，這是后期需要考慮的問題。

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Wear Analysis of Pin-type Synchronizer Blocking Surface

Zhang Gang, Wang Yong, Guo Zenggang, Zhang Fayong
( Shaanxi method and the automobile transmission engineering research institute, Shaanxi Xi’an 710119 )

Based on analysis about motor process and wear mechanism of pin-type synchronizer. Wear status calculation model was established. Relationship between contact stress and sliding stroke during synchronizer ring contacting with sleeve blocking surface by using FEM firstly. Then analyze the different influences of surface hardness, shift force and shift times on wear status on the edge of blocking surface. The results show that the quadratic function equation was found between contact stress and sliding stroke, the wear depth can be calculated by Archard model which was simplified.

Pin-type synchronizer; Wear; Archard model; FEM

U464.9

A

1671-7988（2015）09-75-04

章剛，就職于陜西法士特汽車傳動工程研究院。