單體同步器試驗(yàn)臺(tái)p/v試驗(yàn)方法的研究

馮殿軍

(陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)有限責(zé)任公司實(shí)驗(yàn)中心，陜西西安 710077)

0 引言

單體同步器試驗(yàn)臺(tái)是測(cè)量同步器性能的主要設(shè)備之一，可以進(jìn)行同步器性能試驗(yàn)、摩擦性能試驗(yàn)及加速磨損試驗(yàn)等。盡管目前在該試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行過(guò)大量的試驗(yàn)工作，試件的安裝方式均是以摩擦副的形式進(jìn)行安裝，試驗(yàn)過(guò)程中只考查同步過(guò)程的性能并未對(duì)換擋整個(gè)過(guò)程進(jìn)行考查，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生打齒現(xiàn)象和二次沖擊現(xiàn)象，在p/v試驗(yàn)過(guò)程中為了能夠體現(xiàn)二次沖擊過(guò)程，對(duì)以前現(xiàn)有的工裝進(jìn)行重新更改設(shè)計(jì)。

1 工裝結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

如圖1所示，此工裝主要由液壓作動(dòng)器過(guò)渡盤、滑套壓盤、齒轂定位套、滑套定位環(huán)、齒圈定位套、過(guò)渡法蘭、圓柱銷、齒輪等組成。

圖1 工裝結(jié)構(gòu)圖

其工作過(guò)程為：過(guò)渡法蘭6左端通過(guò)螺栓與電機(jī)軸連接，右端通過(guò)圓柱銷7與齒輪8連接，齒輪8與接合齒圈的軸向間隙由齒圈定位套5保證;齒圈定位套5通過(guò)螺栓固定在過(guò)渡法蘭6上，齒轂定位套3通過(guò)螺栓把齒轂連接到齒圈定位套上，齒轂的軸向間隙由定位套3保證，齒轂與定位套3為間隙配合;滑套被滑套定位環(huán)4和滑套壓盤2通過(guò)螺栓固定在一起，使滑套和齒轂一起不能隨電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng);壓盤1與機(jī)械手過(guò)渡盤通過(guò)螺栓固定一起，過(guò)渡盤1右端與液壓作動(dòng)器固定。作動(dòng)器軸上安裝有壓力傳感器、扭矩傳感器及位移傳感器。當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)會(huì)帶動(dòng)過(guò)渡盤、齒輪、接合齒圈、中間環(huán)、齒圈定位套、齒轂定位套一起旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)停止工作，電機(jī)軸在慣性的作用力繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)作動(dòng)器做軸向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑套、滑塊推向鎖環(huán)向左移動(dòng)，使同步器首先進(jìn)入預(yù)同步過(guò)程，然后完全同步、二次沖擊直到整個(gè)換擋過(guò)程，作動(dòng)器后退，同步器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行冷卻，等待電機(jī)的下一次升速，作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)同步器進(jìn)入下一次換擋。

2 p/v試驗(yàn)方法的確定

2.1 同步器摩擦材料性能特點(diǎn)

同步器性能的好壞直接影響著駕駛者對(duì)變速器換擋舒適性的評(píng)價(jià)。目前在國(guó)內(nèi)同步器的試驗(yàn)項(xiàng)目主要有換擋性能試驗(yàn)、換擋壽命試驗(yàn)、摩擦性能試驗(yàn)及加速磨損試驗(yàn)，公司標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定了定轉(zhuǎn)速差慣性試驗(yàn)及持續(xù)磨損試驗(yàn)(固定pv試驗(yàn))并沒(méi)有在變工況下對(duì)同步器摩擦材料的摩擦性能進(jìn)行深入的研究。目前針對(duì)單套同步器摩擦材料的變工況下摩擦性能試驗(yàn)，國(guó)家及行業(yè)內(nèi)并沒(méi)有明確的臺(tái)架試驗(yàn)方法和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，文中主要從同步器實(shí)際使用工況要求出發(fā)，同步器的摩擦材料應(yīng)具備以下性能特點(diǎn)：

(1)摩擦材料應(yīng)具有高的耐磨損性能，即低的磨耗率;

(2)相當(dāng)匹配的摩擦因數(shù)，摩擦材料的最大靜摩擦因數(shù)與動(dòng)摩擦因數(shù)差值越小，同步器摩擦副接合得越平穩(wěn)，即要有高的接合平穩(wěn)性;

(3)對(duì)對(duì)偶件無(wú)磨蝕，對(duì)偶件的磨耗率一定要小于摩擦材料的磨耗率;

(4)具有高強(qiáng)度、耐高溫和抗沖擊載荷能力；

(5)不受載荷與換擋次數(shù)(>200 000次)影響的穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，摩擦材料在正常的穩(wěn)定磨損期內(nèi)應(yīng)具有較平穩(wěn)的摩擦因數(shù)；

(6)具有可應(yīng)付過(guò)載現(xiàn)象工況(使用不當(dāng))的能力。比如操作時(shí)錯(cuò)誤掛擋(抗高轉(zhuǎn)速差的能力)；

(7)好的油品兼容性。

2.2 摩擦材料性能試驗(yàn)相關(guān)計(jì)算公式

根據(jù)上面同步器摩擦材料的要求和參考GB/T 15141—2009《濕式離合器摩擦元件試驗(yàn)方法》以及濕式燒結(jié)金屬摩擦材料摩擦性能試驗(yàn)方法等相關(guān)資料制定了p/v試驗(yàn)方法[1]，為了便于對(duì)試驗(yàn)條件中數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明，首先引入幾個(gè)相關(guān)的計(jì)算公式：

(1)同步器同步過(guò)程滑摩功[2]：

(1)

式中:MT為同步扭矩(N·m)；Δω為同步轉(zhuǎn)速差(rad/s)；Jr為需要同步的慣量(kg·m2)；ts為同步時(shí)間(s)。

為了便于定量分析和對(duì)比分析，一般采用單位摩擦面積的滑摩功。

(2)同步器的磨損量或磨耗率：

同步器的磨損量表示方法有多種，目前在同步器行業(yè)內(nèi)用得最多的是同步器軸向磨損量也叫線磨損量，也有用單位能量下的磨損體積或磨損質(zhì)量來(lái)表示，稱為磨耗率。在文中為了使磨損量與同步過(guò)程的滑磨功之間建立聯(lián)系統(tǒng)，采用單位能量下的軸向磨損量作為磨耗率[3-4]：

(2)

式中:S為軸向磨損量(mm)；W為同步過(guò)程的滑磨功(J)；Ws為磨耗率(mm/J)。

(3)同步時(shí)間設(shè)計(jì)計(jì)算公式：

(3)

式中:α為錐面角(°)；F為同步器滑套處換擋力(N)；Rs為錐環(huán)有效平均半徑(mm)。

(4)單位面積的平均摩擦功率：

(4)

也可以用下面公式表示

(5)

式中:μ為摩擦材料的動(dòng)摩擦因數(shù)；As為摩擦表面積(mm2)；v為摩擦線速度(m/s)；n為錐面數(shù)。

(5)單位面積的壓力(比壓或面壓)：

(6)

式中:p為比壓(N/mm2)。

2.3 線速度v和能量級(jí)試驗(yàn)條件的確定

在確定線速度v之前，首先要知道同步器試件的設(shè)計(jì)尺寸，如錐面角、錐面寬度、錐面數(shù)、錐環(huán)有效平均半徑及摩擦材料的理論計(jì)算動(dòng)摩擦因數(shù)等；其次是要確定同步器試件的使用工況，如設(shè)計(jì)目標(biāo)中理論上的同步力、同步轉(zhuǎn)速差、同步慣量以及同步時(shí)間；最后要確定轉(zhuǎn)速和同步慣量。因每套同步器在工作中總有升擋和降擋兩個(gè)過(guò)程，在確定慣量時(shí)最好以降擋所需同步慣量作為試驗(yàn)時(shí)的加載慣量，以升擋過(guò)程所需要同步的轉(zhuǎn)速差為試驗(yàn)轉(zhuǎn)速差，并根據(jù)試件的基本尺寸計(jì)算出線速度v，以此作為基礎(chǔ)線速度，通過(guò)分級(jí)遞增線速度v的方法進(jìn)行多種工況試驗(yàn)條件確定，在此速度的基礎(chǔ)上進(jìn)行同步時(shí)間、摩擦功、摩擦功率、每次換擋結(jié)束后需要冷卻時(shí)間等試驗(yàn)參數(shù)的理論計(jì)算。現(xiàn)以某型號(hào)變速器中一二擋同步器為例說(shuō)明線速度v與能量級(jí)試驗(yàn)條件的確定方法。同步器的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 同步器設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行線速度分級(jí)遞增利用上述相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行不同線速v下的能量級(jí)試驗(yàn)條件確定，具體見(jiàn)表2。

表2 同步器線速度v和能量分級(jí)試驗(yàn)條件

在表2中只列出了8個(gè)不同速度和能量變化的試驗(yàn)條件以作為用來(lái)說(shuō)明速度和能量試驗(yàn)方法是如何構(gòu)建的，在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中可以設(shè)定更多步的試驗(yàn)工況或者上述工況中的幾個(gè)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，并不是在設(shè)計(jì)的所有能量步驟均通過(guò)了，試驗(yàn)就通過(guò)了，其實(shí)可以用此試驗(yàn)方法進(jìn)行不同種摩擦材料之間的篩選試驗(yàn)，或者同一摩擦材料不同生產(chǎn)工藝間的篩選等試驗(yàn)。速度和能量級(jí)試驗(yàn)的主要作用是用于評(píng)估摩擦材料在不同的線速度條件下的摩擦磨損性能，并測(cè)定材料在某一比壓條件下的失效速度和能量極限。例如在比壓為0.894 MPa(N/mm2)下，線速度級(jí)按上述工況(以能量遞增為計(jì)算依據(jù))，在各級(jí)線速條件下?lián)Q擋20次，直至摩擦副失效。失效點(diǎn)時(shí)的線速度為摩擦材料(一定工藝條件下)在該比壓下所能承受的線速度極限，此時(shí)的能量為摩擦材料的許用能量極限。例如在上述第7種工況下摩擦材料失效，速度極限就為8.8 m/s,此時(shí)的能量極限為1.95 J/mm2(有時(shí)把W和Wp的乘積作為能量極限值)。其前一工況即第6工況可以進(jìn)行加速磨損的試驗(yàn)條件，考查摩擦材料的磨損穩(wěn)定性等。

2.4 比壓p和功率試驗(yàn)條件的確定

壓力負(fù)荷和功率試驗(yàn)條件的確定方法與線速度和能量級(jí)試驗(yàn)條件方法類似，首先要知道同步器的設(shè)計(jì)參數(shù)尺寸，根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算出比壓p，然后采取對(duì)p進(jìn)行分級(jí)遞增的方法列出多種試驗(yàn)工況，并對(duì)同步功、功率、同步時(shí)間、空擋停留時(shí)間等進(jìn)行理論計(jì)算，以確定比壓p和功率試驗(yàn)條件，現(xiàn)以表1中參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行p和功率試驗(yàn)條件確定，具體見(jiàn)表3。

表3 比壓p和功率分級(jí)試驗(yàn)條件

比壓p和功率分級(jí)試驗(yàn)主要考查同步器摩擦錐環(huán)是否有高的基體強(qiáng)度、摩擦材料是否滿足其高耐磨損性能、是否能夠承受高的比壓和抗沖擊載荷能力的要求；同時(shí)也可以用于研究載荷的改變對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)影響的關(guān)系。實(shí)際上，載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響與材料之間的真實(shí)接觸面積有關(guān)，黏著理論指出，只有當(dāng)材料之間的真實(shí)接觸面積跟法向載荷成正比時(shí)，摩擦因數(shù)才與載荷無(wú)關(guān)，這種情況主要發(fā)生在微凸體主要成彈性變形，而其高度成指數(shù)分布的狀態(tài)。一般情況下，金屬表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，由于實(shí)際接觸面積與載荷的非線性關(guān)系，使得摩擦因數(shù)隨載荷的增加而有所降低。

3 燒結(jié)銅、噴鉬、碳纖維布3種摩擦材料p/v對(duì)比試驗(yàn)

以生產(chǎn)代號(hào)1701170和1701170M(噴鉬)同步器與2CS140(燒結(jié)銅)同步器為樣件進(jìn)行3種摩擦材料的p/v試驗(yàn)，試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果分析具體見(jiàn)下面所述。

3.1 燒結(jié)銅、噴鉬、碳纖維布3種摩擦材料v試驗(yàn)

線速度v和能量分級(jí)試驗(yàn)條件具體見(jiàn)表4。

表4 速度v分級(jí)試驗(yàn)條件

3種摩擦材料利用表4的線速度v分級(jí)試驗(yàn)條件進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 線速度v分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果

從上述試驗(yàn)結(jié)果表明：噴鉬和燒結(jié)銅的摩擦材料的抗轉(zhuǎn)速變化的能力大于碳纖維布摩擦材料；噴鉬和燒結(jié)銅兩種摩擦材料兩者間的抗轉(zhuǎn)速差的能力誰(shuí)更強(qiáng)在試驗(yàn)中沒(méi)有結(jié)果，因?yàn)閲娿f同步器在試驗(yàn)過(guò)程中，中間環(huán)由于產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力變形導(dǎo)致中間環(huán)斷裂，而不是因噴鉬層摩擦材料嚴(yán)重磨損，摩擦因數(shù)下降引起同步器功能失效。兩者的比較有待進(jìn)一步試驗(yàn)來(lái)證明。

3.2 燒結(jié)銅、噴鉬、碳纖維布3種摩擦材料p試驗(yàn)

比壓p和能量分級(jí)試驗(yàn)條件具體見(jiàn)表6。

3種摩擦材料利用表6的比壓p分級(jí)試驗(yàn)條件進(jìn)行了試驗(yàn)，3種摩擦材料的同步器均通過(guò)了上述表6的比壓分級(jí)試驗(yàn)，拆解摩擦副各部件均能夠正常使用，對(duì)其3種摩擦材料同步器進(jìn)行了磨損量測(cè)量，測(cè)量結(jié)果具體如圖2所示，由圖2中數(shù)據(jù)可知：噴鉬摩擦材料的耐磨性好于燒結(jié)銅摩擦材料，燒結(jié)銅摩擦材料耐磨性好于碳纖維布。在整車上駕駛者人為操作的力量通過(guò)桿系到達(dá)變速器內(nèi)滑套上的力不會(huì)超過(guò)第7工況中4 393 N，所以這3種摩擦材料從抗換擋力沖擊方面考慮均能滿足使用要求，都能承載13.1 N/mm2的壓力，以同步時(shí)間0.276 s計(jì)算，3種摩擦材料均能承受2.625 W/mm2的同步功率，理論最大同步功率為5.25 W/mm2。

圖2 3種摩擦材料磨損量對(duì)比

4 結(jié)論

文中首先結(jié)合單體同步器試驗(yàn)臺(tái)工作能力，對(duì)代號(hào)為1701170同步器總成進(jìn)行了與之相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)工裝計(jì)設(shè)，參考相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，然后針對(duì)同步器摩擦材料試驗(yàn)提出了一種用于摩擦材料綜合性試驗(yàn)的速度能量分級(jí)試驗(yàn)方法和壓力功率級(jí)試驗(yàn)方法，它對(duì)考查摩擦材料的能量負(fù)荷(誤掛擋)和抗換擋沖擊能力(野蠻操作)，對(duì)于不同種摩擦材料篩選對(duì)比和同一種摩擦材料不同工藝間對(duì)比具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。最后對(duì)燒結(jié)銅、噴鉬、碳布3種摩擦材料進(jìn)行了p和v試驗(yàn)對(duì)比，v試驗(yàn)結(jié)果表明：噴鉬和燒結(jié)銅的摩擦材料的抗轉(zhuǎn)速變化的能力大于碳纖維布摩擦材料；p試驗(yàn)結(jié)果表明：噴鉬摩擦材料的耐磨性是最好的。在本次試驗(yàn)中不足之處在于v試驗(yàn)過(guò)程中噴鉬摩擦材料的同步器中間環(huán)發(fā)生斷裂，并未找到噴鉬摩擦材料抗轉(zhuǎn)速差的極限值和熱負(fù)荷能力。對(duì)于p/v試驗(yàn)方法還處于初始研究階段，開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)較少，對(duì)v和p級(jí)差取多少是最合適的還需要大量試驗(yàn)積累和驗(yàn)證工作；在此次試驗(yàn)過(guò)程中只找出了極限轉(zhuǎn)速和熱負(fù)荷工況，并未對(duì)其更深入的試驗(yàn)研究，例如，極限轉(zhuǎn)速工況和其前一個(gè)工況下的摩擦材料的摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性、耐磨性、v-能量密度曲線和p-功率密度曲線繪制方法均是今后重點(diǎn)研究方向。