多錐面同步器性能的研究與計算

章剛，簡曉鵬

(陜西法士特汽車傳動工程研究院,陜西西安 710119)

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多錐面同步器性能的研究與計算

章剛，簡曉鵬

(陜西法士特汽車傳動工程研究院,陜西西安 710119)

通過理論計算和試驗，研究離合器從動盤慣量、拖曳阻力矩、一軸轉速等對同步器換擋性能的影響；建立多錐面同步器給定同步時間下同步力的計算公式，并通過試驗驗證了計算誤差在15%以內，可以為機械變速器動態換擋性能計算分析提供參考。

同步器；同步時間；同步力

0 引言

隨著汽車保有量的持續增加，路面交通狀況也日見惡化，頻繁的換擋操作使得用戶對換擋品質的要求越來越高。影響變速換擋性能的因素很多，如換擋桿、軟軸、換擋軸、換擋撥叉及同步器等。其中同步器，特別是近年來運用廣泛的多錐面同步器，作為實現車輛換擋操作迅速輕便無沖擊、提高動力性和燃料經濟性關鍵零部件，對換擋品質起到重要影響[1-2]。

汽車動態換擋性能作為變速器乃至汽車操控舒適性最重要的指標之一，越來越受到主機廠和變速器廠商的重視。目前機械變速器動態換擋性能主要通過同步器臺架試驗得到，周期長，成本巨大且滯后于用戶需求。對于新產品，特別是輕卡、客車等市場對換擋性能十分敏感，如何在設計初期掌握比較準確的換擋性能數據，解答用戶對某公司產品換擋性能的疑惑，對開拓市場、保證開發效果具有非常重要的意義。

作為商用車機械式變速器換擋性能分析改善的重要內容，作者試圖通過理論計算和試驗分析，研究離合器從動盤慣量、拖曳阻力矩(油阻)、一軸輸入轉速等關鍵因素對多錐面同步器換擋性能(同步時間、同步力)的影響，建立較準確的同步性能計算公式，為后續不同變速器動態換擋性能的評估和改進奠定基礎。

1 同步性能理論計算

鎖環和鎖銷式同步器結構有所不同，但同步過程中力矩平衡方程均可用下面公式(1)計算[2-3]:

(1)

(1)變速箱在實際運轉時，內部空載自由旋轉齒輪受到不同的阻滯力矩，主要包括3 個部分：①自由旋轉齒輪的一部分浸泡在潤滑油中而引起的攪油阻滯力矩；②齒輪內孔和所在軸段滾針軸承間相互旋轉時的摩擦阻力矩；③嚙合齒輪對潤滑油膜與接觸齒面之間的摩擦阻力矩[4-5]。其中占比最大的攪油阻滯力矩與轉動角加速度方向相反，作者將這部分合力矩用空擋一軸處拖曳阻力矩MZ表示。升擋時拖曳阻力矩MZ與同步力矩Mf同向，降擋時拖曳阻力矩MZ與同步力矩Mf反向。

(2)對公式(1)中同步器滑動齒套上所受軸向換擋力Fa應理解為平均同步力，而實際換擋過程中，換擋力隨行程變化而波動，其部分峰值會遠大于平均同步力。但為統一衡量同步換擋性能，便于對比分析，仍用平均同步力計算。

(3)公式(1)中R為同步器錐面平均摩擦半徑，對于錐面數N≥2時，應分別計算各錐面上摩擦力矩，而后疊加。μ為錐面摩擦因數，在整個同步過程中隨轉速和同步力的變化一直在變動。但考慮其變動局限于一定范圍，為簡化計算，文中假定同步過程中μ為均值，保持不變。

(4)變速器j擋同步慣量Jj與離合器從動盤慣量JC和變速器內部一軸處等效慣量JT有關，可用動力平衡方程或動量定理及瞬時能量法等轉化求得。將一軸總等效慣量轉換到各同步擋位上得到同步慣量，可用公式(2)表示：

(2)

(5)發動機輸出轉速，即同步前后變速器一軸較大輸入轉速為n(升擋時同步前一軸轉速大，降擋時同步后一軸轉速大)，由k擋向j擋換擋時，速比由ik變為ij。同步錐面接觸前，輸出軸轉速與單箱變速器即二軸轉速與整車速度有關，考慮整車慣量比同步慣量大得多(量級差異)，因此假定二軸轉速不變，即同步器后側轉速恒定。正常情況下車速需升(降)，發動機由高(低)轉速開始變化，變速器升(減)擋，同步器為降(升)一軸轉速的過程，因此可以用公式(3)計算被同步側齒輪轉速差：

(3)

式(3)中max(ik,ij)為切換擋位中較低擋的較大速比值，n/max(ik,ij)可理解為同步時輸出軸即二軸恒定轉速。對多錐面同步器，由k擋向j擋換擋，考慮一軸拖曳阻力矩MZ，公式(1)可以改進為公式(4)：

(4)

對裝配有多錐面同步器的變速器，由k擋向j擋換擋時,同步器滑動齒套上施加的軸向換擋力Fa通過錐面平衡傳遞作用于各錐面，則由公式(4)可得：

(5)

將式(2)和(3)代入式(5)，考慮升擋和降擋差異，得軸向換擋力Fa:

(6)

式(6)中：Fa即為由k擋向j擋換擋時平均同步力；Δt為同步時間；ik和ij為對應擋位速比；JT為變速器一軸處等效慣量；JC為離合器從動盤慣量；MZ為空擋時一軸拖曳阻力矩；Rq為第q個摩擦錐面平均半徑；n為同步開始前一軸轉速即發動機輸出轉速，計算時使用國際單位rad/s。

至此，建立了變速器由k擋向j擋換擋時，多錐面同步器所需平均同步力關于給定同步時間的函數關系，即計算公式(6)。基于此公式，運用EXCEL表格或MATLAB等軟件建立計算程序，完成不同變速器不同擋位的同步性能分析。

3 6擋變速器算例

以某6擋變速器為例，為保證動態換擋性能，1、2擋同步采用三錐面鎖環結構，3擋三錐面4擋雙錐面鎖環結構。3、4擋多錐面同步器如圖1所示。因不同主機廠的發動機轉速、離合器從動盤等匹配狀態不盡相同，現以公式(6)為基礎，研究從動盤慣量、轉速等對此6擋變速器同步器換擋性能的影響。首先列出變速器速比等參數及不同匹配環境狀態，如表1—2所示。

圖1 多錐面鎖環式同步器

速比1擋2擋3擋4擋5擋6擋倒擋6．644．002．411．521．000．786．13JT00236kg·m2錐面平均半徑R1R2R300923m00843m00735mμ0．115α8°MZ4N·m油溫>40℃潤滑油85W?90

表2 不同匹配環境狀態

將以上4種狀態輸入代入公式(6)中得到多錐面同步器在不同擋位間切換時，給定同步時間，平均同步力的計算結果，如表3及圖2所示。

表3 狀態1不同擋位同步器性能

圖2 不同狀態3擋→2擋同步力計算值

4 同步性能試驗

為檢驗理論計算結果準確性，仍用該6擋變速器為樣箱進行臺架試驗。首先用傾斜試驗臺測試兩種油溫情況下較準確的拖曳阻力矩，如圖3所示：變速器掛空擋，加油至觀察油孔，給定一個轉速，當變速器油溫從開始20 ℃和超過40 ℃時，分別將變速器輸入轉速調至(650±10)r/min，測量此時變速器一軸輸入空轉扭矩(采樣率為1 Hz，每次記錄10個數據，共記錄3次)。測試結果為20 ℃拖曳力矩7 N·m，40 ℃時拖曳力矩為4 N·m，即為表2中所列數據。

圖3 傾斜試驗臺測試空擋拖曳阻力矩

按狀態1～3在Automax同步器性能試驗臺上完成變速器性能試驗。試驗臺如圖4所示。每個擋位采集20組數據，選取重復性好(平均同步力的波動范圍在±10 N內)的5組數據的平均值作為這個擋位的性能評價。狀態1～3最終測試結果如表4所列。狀態4因油溫上升很快，無法測試，不做對比。

圖4 同步性能試驗臺結構簡圖

從表4中所列狀態1～ 3，給定同步時間，從平均同步力的計算誤差結果可以看出，除狀態2公式(6)計算結果與臺架試驗結果誤差為+12.6%(離合器從動盤慣量有偏差)稍大以外，其余誤差均在±6%以內，且同步力越大，計算誤差越小。因此可認為提出的多錐面同步器性能計算方法可信，公式(6)可用來估算設計開發和產品匹配階段的同步性能，特別是用戶普遍關心的低擋區減擋性能。

表4 不同狀態下性能試驗結果與計算誤差

5 結論

以同步器摩擦力矩平衡基本方程為起點，引入拖曳阻力矩，推導了多錐面同步器升擋和降擋時同步性能的理論計算公式(6)。研究了離合器從動盤慣量、換擋前一軸輸入轉速(擋位已知時即車速)以及不同油溫對應拖曳力矩對平均換擋力的線性影響關系，最后對比試驗結果，驗證了公式(6)的計算誤差在15%以內，可以用來估算設計開發和產品匹配階段的多錐面同步器的動態性能，特別是用戶重點關注的低擋區減擋性能，為變速器乃至整車的動態換擋性能分析提供理論基礎。

平均同步力是衡量換擋性能的一個綜合性指標，后續會用更多的試驗數據驗證公式(6)的準確性。在換擋過程中，用戶操作實際感受到的是峰值力，其出現的次數、位置及時機等只有通過換擋力與位移曲線才能準確描述，這需要后續更深入研究才能得到。此外低溫摩擦材料與錐面存在冷摩擦，拖曳力矩等也與變速器潤滑油溫、油量、齒輪、軸承結構等關系密切，怎樣較為準確且簡便地給定摩擦系數和拖曳阻力矩，進而考慮低溫下換擋性能將是后續研究的方向。

[1]章剛,邱輝鵬.同步器靜態掛擋力與行程曲線分析[J].汽車零部件，2015(9):10-13. ZHANG G,QIU H P.Analysis for Static Shift Force and Displacement Curve of Synchronizer[J].Automobile Parts,2015(9):10-13.

[2]王望予.汽車設計[M].4版.北京:機械工業出版社,2004:100-108.

[3]吳修義.同步器摩擦錐面半徑對同步性能的影響[J].重型汽車，2001(6):14-15.

[4]KADMIRI Y,RIGAUD E,PERRET-LIAUDET J,et al.Experimental and Numerical Analysis of Automotive Gearbox Rattle Noise[J].Journal of Sound and Vibration,2012,331(13):3144-3157.

[5]王連生，郝志勇，鄭康.變速箱阻滯力矩對齒輪系多體動力學及敲擊噪聲的影響[J].中南大學學報(自然科學版),2015,46(12):4453-4459. WANG L S,HAO Z Y,ZHENG K.Effect of Drag Torque on Gear Trains Multi-body Dynamics and Gear Rattle of a Manual Transmission[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2015,46(12):4453-4459.

萊姆電子參展PCIM Asia并舉辦新品發布會

萊姆電子于2017年6月27—29日參加在上海世博展覽館舉辦的 PCIM Asia 上海國際電力元件、可再生能源管理展覽會，并于同期舉行的“銳意進取驅動測量新時代”新品發布會上發布了IN 2000-S高精度電流傳感器、GO系列電流傳感器和LxSR系列電流傳感器等3個系列新產品。

萊姆電子中國區總經理張宗慧先生、銷售總經理張永剛先生、技術應用經理成秋花女士、技術應用工程師李本強先生以及市場部經理李海瑩女士出席了新聞發布會，就萊姆中國公司發展方向、產品特點、中國市場戰略等發表主題演講，并詳細介紹了新發布的3個系列產品的技術應用特點，其中：

集成原邊導體、SO8 & SO16封裝隔離式GO系列產品，是實現完全隔離的小尺寸電流傳感器，并且集成原邊導體、獨特的梯度測量設計使其具備抗外部磁場干擾的能力。尺寸小、成本低、性能好的GO系列產品非常適合電機驅動、AC & DC逆變器、電源、伺服驅動器等應用。

基于萊姆專利技術的新型LxSR系列霍爾效應閉環電流傳感器，性能可以與磁通門技術傳感器媲美，新產品完全兼容萊姆以前的LTS/LTSR/CAS/CASR/CKSR系列，便于替代。LxSR系列適用于調速驅動、不間斷電源和開關電源、電池電源裝置、電源(焊接)、DC馬達驅動的靜態變換器和機器人等應用領域。

張宗慧先生表示：“萊姆電子聚焦電量傳感測量，并在電量測量市場處于絕對領導地位，未來萊姆希望加強多學科創新團隊，增加新產品數量、提高產品性能，不斷打造數字化、芯片化、智能化、集成化的產品。”

早在2005年萊姆便確立了以傳感器為核心產品的設計研發、生產制造供應商的清晰的定位，并將提高電機使用能效、幫助人們更好出行、提高能源使用可靠性以及新能源作為未來的研究方向。

萊姆的產品質量一直是行業標桿，張宗慧先生談到萊姆工業產品對標的是汽車產品標準，而汽車產品對標的是全世界最高水平的汽車產品標準，5年的質量保證承諾也贏得了更多客戶端信賴，并在每兩年舉行的客戶滿意度調查中獲得高度評價。

中國市場是萊姆電子最重視的市場之一，作為全球最重要的生產基地，超過50%的產品生產來自中國工廠。張永剛先生在發言中談到中國的主要市場在于工業和汽車，在該領域萊姆總體銷售超過全球的30%，未來將迎合國家政策，在新能源方向加大投入，用萊姆電子的傳感器為其安全性和能源效率保駕護航。

在談到市場戰略的問題上，張永剛先生說道：“萊姆提供的是全套的解決方案，提高研發投入，密切關注客戶需求變化，更早地和客戶共同探討市場變化，依靠創新領跑市場。在新能源、智能電網、高端制造、新能源汽車、軌道交通等未來會大量使用到傳感器的行業加強投入，提高傳感器精度、可靠性。萊姆電子將始終堅持以全球客戶需求為導向，在新產品和新技術方面持續增加研發投入，不斷為客戶提供高性價比、高附加值的優質解決方案。”

(來源：俞慶華)

Performance Analysis for Multi Cone Synchronizer

ZHANG Gang,JIAN Xiaopeng

(Shaanxi FAST Auto Drive Engineering Research Institute,Xi’an Shaanxi 710119,China)

Base on theorist analysis and bench test, influences of clutch driven plate inertia, lubrication oil draggle moment and input shaft rotate speed on shift performance of multi cone synchronizer were analyzed. And the calculation equation for shift force with given synchronization time was established for multi cone synchronizer.The calculation error is less than 15% by test checking. The method can be used for transmission shift performance calculation.

Synchronizer; Synchronization time; Shift force

2017-03-19

章剛(1985—)，男，碩士,工程師，研究方向為變速操控系統。E-mail：zhanggang@chinafastgear.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.006

U463

B

1674-1986(2017)07-022-04