同步器同步过程摩擦因数变化试验及仿真研究

王顺利凌晨席军强

（1.陕西法士特齿轮有限责任公司；2.北京汽车股份有限公司汽车研究院；3.北京理工大学）

同步器同步过程摩擦因数变化试验及仿真研究

王顺利1凌晨2席军强3

（1.陕西法士特齿轮有限责任公司；2.北京汽车股份有限公司汽车研究院；3.北京理工大学）

为探究同步器同步过程中摩擦锥面间摩擦因数变化对其工作性能的影响，对同步器的工作过程进行了台架试验。结果表明,该摩擦因数并非维持恒定值，其随转速差变化而变化的趋势可以用指数函数很好的拟合。根据台架试验结果，在Matlab/Simulink环境下搭建了同步器同步过程的动力学仿真模型，并通过仿真结果与试验数据的对比，证明考虑摩擦因数变化的仿真模型能够更准确地反映同步过程的真实情况，有利于同步器各工作参数的精确计算。

1 前言

通常情况下，对汽车变速器同步器的研究重点是针对换挡力、转速差、同步惯量、同步器几何结构等对其工作性能的影响，而将两摩擦锥面间的摩擦因数视作常数（0.1或0.08），该假设被广泛采用，如黄华在Modelica软件环境下建立的同步器模型、陈震在ADAMS软件环境下建立的同步器虚拟样机模型、DanielHäggström和MikaelNordlander在MATLAB软件环境下建立的同步器动力学模型[1～3]等都遵循了该假设。然而摩擦学相关研究表明，两摩擦表面间的摩擦因数将随它们之间相对运动速度的改变而改变[4]。同步器正是凭借一对摩擦锥面间的滑摩实现其同步功能，所以摩擦因数的大小直接决定了同步时间的长短，因而视摩擦因数为常量的计算方法必将导致同步时间的理论值与测试值之间存在较大偏差，致使设计出的同步器不能满足使用需求。为此，本文对同步器工作过程进行了台架试验，并结合同步器同步过程的动力学仿真模型探讨摩擦因数的变化对同步器性能的影响。

2 摩擦因数变化试验

同步器摩擦锥面之间的摩擦因数是衡量同步器性能好坏的标志之一[5]。但是，即使摩擦副的材料已经确定，在同步过程中，随同步器主动端与被动端速度差的逐渐消除，该摩擦因数也会发生改变。

为得到同步器摩擦锥面摩擦因数的变化情况，对同步器工作过程进行了台架试验，试验台架结构[6]如图1所示。试验对象为国产1-2挡单锥面锁环式同步器，锁环摩擦锥面材料为黄铜合金，润滑油为长城润滑油。

该试验台架使用了一套完整的同步器机构，能够实现完整的升挡、降挡动作，其主要部件包括驱动电机、2个飞轮和换挡缸。大飞轮通过皮带-滑轮机构与驱动电机相连，以保持稳定持久的转速；小飞轮作为同步器的负载，其可被减速到0（当接合套移向Ⅰ位置）或加速到与大飞轮一致的转速（当接合套移向Ⅱ位置）；接合套的运动方向由与换挡缸固联的换挡拨叉的运动决定。在试验台架工作过程中，密闭空间中存有润滑油液，且油液处于循坏状态，温度与室温基本保持一致。

根据传感器记录的数据可计算得到试验所用同步器在该工况下摩擦锥面间摩擦因数的变化情况，摩擦因数与同步器主、被动端转速差Δω之间的关系可以用指数函数μ=a+bec||Δω来表征，系数a、b、c可以通过数据拟合得到[7]。根据试验结果，所研究同步器的锥面摩擦因数μK随Δω变化的函数关系拟合公式见式（1），拟合曲线如图2所示。

式（1）中的系数a、b、c必须由台架试验测得，它们由摩擦锥面材料、润滑油性能、试验温度等参数决定，不同的同步器或相同同步器在不同工况下该数值均会产生变化。

3 同步器工作过程分析及动力学模型搭建

为建立同步器工作过程的动力学模型，对单锥面锁环式同步器的工作过程进行动力学分析。

该同步器由毂、滑块、接合套、锁环、接合齿圈和常啮合齿轮等6部分组成。挂挡前，接合套处于空挡位置；接合齿圈和待啮合齿轮为一个整体，转速为ωI；毂、滑块和接合套为一个整体，转速为ωF。

当施加换挡力后，换挡拨叉推动接合套带动滑块一同向接合齿圈移动。锁环在滑块的推动下与接合齿圈贴合，接合套向锁环轴向移动直至其啮合齿与锁环的啮合齿接触。

以上过程发生在同步锁止阶段之前，为接合套第1段自由行程阶段，该过程中接合套受力情况如图3所示，其运动状态可用式（2）～式（4）描述。

式中，mS为接合套质量；mD为每个滑块质量；n为滑块个数；x为接合套轴向位移；Fa为换挡力；FS为弹簧弹性力；φ为滑块偏转角度；KS为弹簧刚度系数；LS为接合套处于中位时的弹簧长度；LS0为弹簧的自由长度；DB为滑块中的小球直径。

在接下来的同步锁止阶段，接合齿圈和待啮合齿轮在摩擦转矩的作用下不断加速或减速。与此同时，在达到同步前，接合套啮合齿与锁环啮合齿总是齿端互相抵触而无法进一步接合，这是通过锁止角和摩擦锥面锥角的设计保证的。由于接合套和锁环与变速器输出轴相连，相对来说具有很大惯量，可认为保持转速不变。以上过程中接合齿圈受力情况如图4所示，其运动状态可以用式（5）和式（6）描述。

式中，MK为作用在接合齿圈上的摩擦转矩；rK为摩擦锥面平均等效锥半径；αK为摩擦锥面半锥角；μK为锁环和接合齿圈之间的摩擦因数；J为等效到被接合齿轮端的当量转动惯量；ω为被接合齿轮的实时转速。

当接合齿圈转速达到ωF后，同步过程结束，接合套继续向常啮合齿轮轴向移动，在此过程中其啮合齿依次与锁环和接合齿圈啮合齿接触，并将它们拨开一个角度以继续前进，直到其移动到极限位置。实际过程中，在依靠拨环力矩将锁环、接合齿圈拨开时，接合套位移会出现一段时间的停滞且停滞的时长并不固定，但因为停滞发生在同步过程完成之后，即对同步器的主体功能并不起决定性影响，所以可以将该过程简化，认为接合套在此过程中在换挡力的作用下不断前进，不发生停滞。以上过程中接合套的运动状态可用下式描述：

根据以上对同步器工作过程的动力学分析，在Mat⁃lab/Simulink软件环境下搭建了同步器动力学模型，其流程如图5所示。

该同步器动力学模型具有9个输入参数和2个输出参数，各参数定义如表1所列。该模型可以输出接合套位移和接合齿圈角速度，如图6所示。

表1 同步器动力学模型参数定义

4 仿真比较与试验验证

利用建立的同步器动力学模型，针对摩擦因数变化情况，将式（1）代入动力学模型中，得到改进后的模型。改进后模型与使用传统理论分析模型的主要区别是在摩擦转矩的计算方法上，传统模型将摩擦锥面摩擦因数视为恒定值，即恒等于同步过程开始时摩擦因数值，而改进模型利用式（1）对摩擦因数进行实时计算。

传统模型中，同步器的同步过程理论上所用时间为：

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 同步过程 摩擦因数 仿真

U463.212+.41

A

1000-3703（2015）07-0032-03