锁销式同步器锁止面磨损程度定量分析

章刚，王勇，郭增钢，张发勇

（陕西法士特汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119）

锁销式同步器锁止面磨损程度定量分析

章刚，王勇，郭增钢，张发勇

（陕西法士特汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119）

对锁销式同步器锁止面磨损过程和机理进行分析，建立了磨损程度计算模型。运用有限单元法得到同步锥环和滑套锁止面摩擦过程中的接触应力与滑移距离的关系；以Archard模型为基础，分析了表面硬度、换挡力和换挡次数对锁止面边缘磨损深度的不同影响。结果表明：锁销式同步器锁止面接触应力与滑移距近似呈二次函数关系；锁止面磨损深度可以用Archard模型简化公式计算。

锁销式同步器；磨损；Archard模型；有限单元法

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

为实现车辆换挡操作迅速轻便无冲击，提高动力性和燃料经济性，同步器是变速器总成中不可或缺的关键零部件。中型及大型载货汽车变速器中，锁销式同步器以其较好的结构适应性，较大的同步力矩和较短的同步时间而运用广泛[1]。同步器在实际使用中故障率较高，同步锥面磨损或锁止面磨损是造成同步器功能减弱或消失主要原因[2-3]；一些在研新型锁销式同步器试制试验过程中也会出现锁止面磨损失效的问题。为此，针对锁销式同步器式锁止面的磨损提出一个合理有效的数学模型就具有重要意义。

磨损是一种非常复杂的微观动态过程，经历了从经验到分子(粘着)与机械(力学)作用理论，再到借助测试技术和表面分析工具的现代磨损研究阶段。车辆换档时，同步器工作过程是一个复杂的、动态的摩擦过程。分析锁止结构的设计原理和工作过程，从材料表面组织结构的变化出发，会发现锁止接触磨损后的表面形貌符合粘着磨损的特点[3-5]。故考虑用机理的相关理论进行分析。从上世纪50年代起，关于粘着磨损出现了一大批如Holm模型，Buckly滑移模型等粘着磨损模型，在众多模型中，Archard（阿查德）模型可以对磨损体积、滑动速度、垂直载荷以及材料硬度等参数的关系进行解释，并且与试验和观察的结果相一致，因此在工程实践中得到了广泛的认可和应用[4,6,7]。

文章以Archard模型为基础，首先用有限单元法分析了给定换挡力下滑移距离变化对同步锥环与腹板（滑套）锁止面接触应力的影响，并用曲线回归拟合方法计算得到接触应力与滑移距离的积分值；随后用试验数据反推出锁止面磨损系数，最后到合理简化的计算公式。

1、锁销式同步器锥环锁止面磨损数学模型

1.1Archard模型的改进

Archard粘着磨损量计算模型的基本形式为[4-6]：

式中，W为磨损体积，S为零件间的相对滑动距离，K为与材料配对及润滑有关的磨损系数，F为零件间的法向载荷，H为较软材料的布氏硬度值。

对同步器锁止面接触磨损来说，锁止面磨损深度具有重要工程意义。故将（1）式两边同时除于锁止面的名义接触面积A得到Archard模型另一种形式：

设一次挂档过程中锁止面滑移距离为 S1，则 N次换挡后，Archard模型锁止面磨损深度h：

设积分部分为：

1.2锁销式同步器锁止面有限元模型

有限元分析采用商用有限元分析软件ABAQUS完成。某锁销式同步器高档锥环与腹板间锁止面有三处，均匀分布如图1所示（低档锥环换挡力较小，且磨损过程与高档锥环相似，不考虑）。截取其中一处锁止面附近部分建立有限元模型，相关参数说明见表1。

从同步器设计原理及工作过程看，锥环与结合齿圈未同步前，两锁止面理论上紧密贴合，无滑动，只有当转速同步，锥面摩擦力矩消失后，才在换挡力的作用下产生拨环力矩使得腹板通过同步锥环完成挂档。由于整个过程时间较短本文做如下假设或规定：

（1）同步环锁止面边缘为匀速滑移通过整个腹板磨损面，其磨损最为严重，本文研究的磨损深度均指锁止面边缘线上磨损深度，Mises应力取其15个单元的平均值。滑移过程中的每一处，受力均平衡，锥环和腹板局部模型约束转动和多余平动。

（2）给定换挡力下，一次挂档过程中，计算滑移量为0、0.779mm、1.598mm、2.397mm和2.7965mm（图1c所示）共计五组接触应力，然后通过拟合接触应力与滑移量关系曲线求JSF。注意滑移量为 3.2175mm锁止面脱离，即为积分上限。

表1 模型参数及说明［8，9］

1.3磨损深度测量与磨损系数K反推

图2给出高档同步锥环N=23万次和30万次换挡磨损试验结果图示，此时对应换挡力为2182N（换挡气缸活塞直径63mm，气压0.7MPa），锁止面硬度为58HRC（布氏硬度为613），和腹板比较锥环锁止表面较软易磨损。从图2中可以看到锁止面边缘磨损明显，磨损深度通过比例转换得到：

h=0.320mm（N=23万次） h=0.436mm（N=30万次）

有限元法计算得到不同滑移距离下的Mises应力云图如图3所示。将图示中锁止面边缘线上单元应力取平均值，得到给定换挡力下接触应力与滑移距离数据如表2所示。

表2 锁止面边缘滑移距离对应平均应力值（F=2182N）

根据表2的计算结果，进行二次函数拟合，见后面图4所示，得到换挡力F=2182N时，边缘线上Mises平均接触应力与滑移距离的关系为：

将高档同步环试验件数据N、H、S1， 测量结果h及计算结果式（6）代入式（4）反推得到磨损系数K：

2、接触应力分析及简化Archard模型公式

采用上节所描述的模型，用有限元法计算得到7组换挡力下锁止面滑移距离与接触应力的数据如图4所示。采用最小二乘法回归得到二次函数关系曲线示，形如：

其中参数A、B1、B2及相关系数R见表4所列，之后将回归函数代入积分值式（5）中，得到各积分值。如图 5对换挡力和积分值JSF进行最小二乘法线性拟合，得到简单线性公式如式（9）所示。

表3 拟合计算数据

显然，当给定同步器换挡力时，锁止面接触应力随滑移距离呈二次函数关系变化趋势；式（8）的相关系数全部在0.96以上，用二次函数拟合可靠。式（4）所示锁止面边缘接触磨损深度h的Archard模型积分项JSF可以简化为换挡力F的线性关系式（其相关系数R接近1），代入式（5）和（9）得式（4）的简化形式：

作为检验将F=2182N，硬度58HRC和换档次数N=30万次代入式（10）计算得到磨损深度h为0.420mm，与图2所给试验结果0.436mm比较，误差仅为3.7%，说明式（10）的计算结果可靠。需要注意的是，系数0.05616与锁止面的形状角度和尺寸有关，对于不同同步器该系数可能不同。

3、结论

锁销式同步器高低挡锥环和腹板（滑套）锁止面边缘接触应力随滑移距离呈二次函数关系变化，边缘接触磨损深度h可以用Archard模型转化公式（4）计算得到。对于尺寸确定的同步器，积分项JSF可简化为换挡力F的线性关系式，公式（4）被简化为式（10）形式，这对锁销式同步器锁止功能及寿命设计具有指导意义。

用试验件磨损图片反推得到某同步器准确锥环锁止面边缘磨损系数K。该方法可用以建立不同材料和结构的锁销式同步器锁止面磨损系数K值数据库。其它参数确定不变时，同步器换挡次数和锁止面边缘磨损深度线性相关，可以用许用磨损深度的方法确定同步器使用寿命。锁止面表面硬度增加，其对磨损深度的影响越来越弱。当同步器锥环锁止面硬度接近或超过腹板（滑套）的硬度（60HRC以上）时，将抑制锁止面粘着磨损产生，这一结论对该产品热处理技术要求方案定型提供重要参考。

此外，用本文方法计算锁销式同步器锁止面磨损深度及使用寿命时，同一同步器中各锁止面硬度和磨损系数K是否相同，换挡力是否平均分配到三处锁止面上将影响计算结果与实际情况的一致性。事实上，从已有试验结果看同一个锥环上三处锁止面的磨损有差异，这是后期需要考虑的问题。

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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

章刚，就职于陕西法士特汽车传动工程研究院。