汽車變速器同步器磨損壽命的預測及評價

徐占 李松松 項小雷 單華強

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

汽車變速器同步器磨損壽命的預測及評價

徐占 李松松 項小雷 單華強

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

為準確考核及評價汽車變速器同步器磨損壽命，根據同步器的磨損特征，結合道路使用試驗、換擋載荷譜的采集與處理以及疲勞磨損理論模型，建立了同步器磨損壽命預測的計算模型和評價方法。利用所建立的模型和評價方法，通過臺架試驗對某微型車AMT同步器磨損壽命進行了考核及評價。結果表明，所建立的同步器磨損壽命預測模型可準確預測和評價同步器磨損壽命，與實際磨損量的最大誤差在15%以內。

1 前言

在汽車變速器總成中，同步器是實現換擋輕便和平順的主流結構形式，但隨行駛里程與換擋次數的增加，同步器的后備行程(同步環與齒輪錐環之間的間隙)逐漸變小，當后備行程為零時，會因同步環與結合齒錐面無法產生摩擦而導致同步器失效。因此，同步器后備行程是影響其磨損壽命的主要參數。

目前，對于基于變速器壽命里程及實車道路行駛工況進行同步器磨損壽命的預測及考核一直缺乏準確的理論計算模型和試驗評價體系及方法，設計階段往往憑經驗進行同步器后備行程的設計，而在進行臺架試驗及道路試驗的考核評價時，經常會出現二者評價結果相差甚遠的情況。為解決上述問題，本文建立了同步器磨損壽命預測模型，在此基礎上結合實車換擋測試制定了同步器壽命臺架試驗方法，使道路試驗與臺架試驗具備了等同的評價結果。

2 建立同步器磨損壽命預測半經驗模型

同步器總成工作時的磨損形式為疲勞磨損，這種磨損形式分為早期的快速磨損階段Ⅰ、穩定磨損階段Ⅱ及后期的加速磨損階段Ⅲ[1]，如圖1所示。由于階段Ⅰ和階段Ⅲ的磨損率處于不穩定狀態，因此本文主要針對穩定磨損階段Ⅱ進行研究。

對于穩定磨損階段II，可依據式（1）建立磨損量與磨損次數的關系[1，2]：

式中,A為磨損量；E為每次行程中因磨損所消耗的能量；N為磨損次數。

對于同步器總成的疲勞磨損，式（1）可寫為：

式中，τmax為摩擦面上最大剪應力；S為每次磨損的摩擦行程，即1次換擋過程同步環錐面相對于接合齒錐面轉動的距離；c為磨損常數。

通常摩擦表面的磨損量以垂直表面的磨損厚度來表示，如圖2中的h1(同步環摩擦錐面磨損量)與h2（同步錐摩擦錐面磨損量)。根據組合磨損[3，4]的特點，結合同步器幾何結構參數，可將錐面磨損量轉化為后備行程的磨損量Q：

式中，P為兩摩擦表面垂直方向上磨損量之和。

基于上述分析，對于1次磨損過程的磨損量P計算式為：

將式（4）～式（6）代入式（3）并化簡后得：

式中，r為摩擦環小徑；R為摩擦環大徑；θ為摩擦環錐面半錐角；μ為摩擦副間摩擦因數；F為換擋力；ω1為被同步側轉速；ω2為同步側轉速；t1為同步起始時刻；t2為同步完成時刻；α為最大剪切力的修正系數，可通過建立有限元模型獲得。

式（7）即為同步器磨損壽命預測的半經驗計算公式，通過該式可建立同步器磨損常數、摩擦副間結構參數等與后備行程間的關系。其中，磨損常數是表征同步器磨損速度的關鍵參數，該常數通過試驗獲得。

基于以上分析，1擋同步器1次磨損的磨損量為：

對于2擋，對其后備行程磨損的換擋包括1擋升2擋及3擋降2擋，因此，2擋同步器后備行程1次磨損的磨損量為：

對于其它擋位同步器磨損可以以此類推。將每次每個擋位同步器后備行程磨損量進行累加得：

式（11）中，n表示變速器最高擋位，根據式（11）即可計算出各擋位下的磨損常數c。將求得的各c值帶入半經驗公式（7），可得：

式（12）即為同步器磨損壽命預測半經驗模型。

3 同步器磨損壽命的試驗評價方法

為準確驗證同步器的磨損壽命，國內普遍采用強化的臺架試驗來預先考核及評價，而對于臺架試驗條件能否真實模擬和代表道路使用條件則一直是研究的難題。為此，首先通過道路試驗進行換擋載荷譜的采集及處理，然后結合同步器磨損壽命的半經驗公式制定臺架試驗條件及評價指標。

3.1 道路換擋載荷譜的采集

為使采集的數據具有普遍性，應選擇需頻繁換擋且高速行駛的工況進行數據采集。由式（8）可知，應采集的信號包括擋位信息、換擋力F、同步時間t1和t2、被同步側轉速ω1及同步側轉速ω2的變化等。

3.2 道路換擋載荷譜采集數據的處理

道路數據采集完畢后，根據式（8）計算出各工況下各擋位下每次換擋時的H值并進行累加，得到所采集里程各工況下各擋位的H值。此外，為保證采集的數據具有代表性，應對實際使用中經常出現過度磨損擋位的數據進行有條件的統計強化，考慮到試驗數據具有離散性，可采用泊松分布進行強化。

3.3 試驗條件制定方法

同步器壽命臺架試驗的條件是確定換擋時變速器輸出軸轉速，通常基于以下2種原則確定輸出軸轉速：原則一，采用符合大多數駕駛人員習慣的車速來換算變速器輸出轉速，該方法應用正態分布進行轉速統計處理，將累計概率為95%處的轉速點作為試驗條件；原則二，采用最高輸入轉速作為試驗條件，該方法優點是能夠考核最惡劣的使用工況，且試驗周期短，但與實際換擋工況差別較大。

3.4 評價指標制定方法

對同步器壽命臺架試驗后的評價有2個方面：一是臺架試驗能夠完成相當于變速器實車壽命里程下的換擋次數；二是臺架試驗結束后應余留一定比例的后備行程，以保證同步器磨損壽命有一定的使用安全系數。

對于換擋次數的計算，首先根據式（13）計算出實車換擋載荷譜下各擋位同步器后備行程磨損量，再計算出各擋位在前述試驗條件下1次換擋的H（H2-1、H1-2、H3-2、…Hn-（n-1））值，然后依據式（14）計算出各擋位完成實車變速器壽命里程下磨損量應進行的臺架試驗次數。最后，若各擋位能夠完成試驗次數且余留一定比例的后備行程（推薦采用20%），則認為該變速器后備行程滿足整車使用需求。

4 某微型車AMT同步器磨損壽命評價方法

在某微型車AMT同步器壽命臺架試驗中，當依據行業標準規定的試驗方法進行考核及評價時，出現了同步器后備行程過度磨損的現象，且試驗次數遠達不到評價指標要求。但是，該變速器在實車道路試驗中并未發生同步器后備行程過度磨損現象，即臺架試驗結果并不能反映同步器后備行程在實車中的磨損情況。為此，根據前述方法制訂了該微型車變速器同步器磨損壽命的臺架試驗條件及評價方法。

4.1 實車換擋載荷譜的采集

根據換擋載荷譜數據采集制定方法，采集工況里程比例分配如圖3所示，采集里程為2 500 km。

4.2 采集數據的處理與強化

完成實車數據采集后，從數據中提取出不同路況下每次換擋時的相關數據，然后按照各擋位每次換擋時H的計算方法得到該變速器壽命里程（20萬km）下強化后的換擋載荷譜∑H，如表1所列。

表1 強化處理后的實車采集換擋載荷譜

4.3 臺架試驗條件的制定

采用前述原則一進行該變速器臺架試驗方法的制定。首先對各擋位實際換擋時的輸入軸轉速進行統計，統計結果見圖4。由圖4可看出，大部分擋位的換擋轉速均處于一個較寬的范圍內，因此，在確定輸入軸轉速時不能簡單采用均值或最大值作為臺架試驗的輸入。為便于判斷輸入軸轉速的分布規律，需針對每個擋位下的常用換擋轉速范圍的換擋次數出現頻次進行統計，統計結果如表2所列。

表2 各擋位換擋時在不同轉速區間內換擋次數出現頻次統計

根據各擋位主要的換擋區間統計結果，各擋位換擋時的輸入軸轉速集中在一個相對較小的區間內，根據假設檢驗相關理論可判斷各擋位換擋時的輸入軸轉速服從正態分布。對各擋位的輸入軸轉速進行統計，計算出均值及方差，做出概率分布函數，以累計概率95%時作為截止點，取該累計概率下的轉速（約3 000 r/min）作為臺架試驗的輸入軸轉速。

為更全面地考核同步器總成磨損壽命，增加了極限高轉速考核工況。由換擋時極限轉速出現頻次統計結果（表3）可知，換擋時只有4擋和5擋存在超過4 000 r/min的較高轉速。

表3 換擋時極限轉速出現頻次統計

綜合正常換擋轉速及極限轉速統計結果可確定同步器壽命臺架試驗條件，見表4。

表4 試驗條件

4.4 試驗評價指標的制定

a.極限轉速工況下試驗次數的確定。根據實車工況下極限轉速發生次數的統計，可將該變速器壽命里程（20萬km）下出現極限轉速次數適當放大作為臺架試驗的考核次數，該變速器試驗次數確定為5 000次。

b.正常轉速工況下試驗次數的確定。根據前述試驗循環次數的確定方法，首先計算出在變速器壽命里程換擋載荷譜下同步器總成各擋位的磨損量。由于部分擋位存在2種工況的考核，因此，在計算正常轉速考核工況試驗次數前應先減去極限轉速考核工況下相應擋位的磨損量，然后根據式（14）確定各擋位試驗循環次數。

4.5 臺架試驗驗證

為驗證同步器磨損壽命預測模型的準確性，以2臺同步器為試驗樣品（1#樣品和2#樣品），在試驗前預測出每個擋位同步器后備行程磨損量，并與實際臺架試驗結果進行對比，如表5和圖5所示。

表5 2臺同步器樣品的實際磨損量與預測磨損量對比結果

通過臺架試驗可發現，各擋位的實際磨損量與預測磨損量最大誤差均在15%以內，表明該同步器磨損壽命預測模型及臺架試驗方法能滿足產品開發需求。

5 結束語

以同步器疲勞磨損理論為基礎，結合同步器結構參數及其組合磨損特點，初步建立了變速器同步器磨損壽命預測模型，依據該預測模型并結合實車道路換擋載荷譜的采集、處理，給出了同步器磨損壽命臺架試驗方法。依據上述理論和方法對某微型車AMT同步器磨損壽命進行了預測，進一步驗證了同步器磨損壽命預測模型的準確性。

1 汪一麟，等，譯.摩擦磨損計算原理.北京：機械工業出版社，1982.

2 Suh NP.The delamination theory of wear.wear,1973,25（1）: 111～124.

3 溫詩鑄，黃平.摩擦學原理（第3版）.北京：清華大學出版社，2008.

4 Ludema K C.Mechanism-based modeling of friction and wear.wear,1996（200）:1～7.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年10月21日。

Prediction and Evaluation of Transmission Synchronizer’s Wear Life

Xu Zhan,Li Songsong,Xiang Xiaolei,Shan Huaqiang
（China FAW Co.,Ltd R&D Center）

To examine and evaluate the auto transmission synchronizer’s wear life accurately,a calculation model and evaluation method to predict the synchronizer’s wear life is established based on the wear characteristics of synchronizer,and combined with road test,shift load spectrum acquisition and processing,as well as fatigue wear theoretical model.With the established model and evaluation method,AMT synchronizer wear life of a mini vehicle is examined and evaluated through the bench test.which show that the established model for synchronizer wear life predication can accurately predict synchronizer’s wear life,and the maximum deviation compared with practical wear is less than 15%.

Transmission synchronizer;Wear life;Predication

變速器同步器 磨損壽命 預測

U463.212+.41

A

1000-3703（2015）04-0033-04