汽車同步器開發(fā)技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

姚廣輝+張亞飛

（長城汽車股份有限公司傳動研究院）

摘要：本文首先分析了變速器同步器設計開發(fā)內(nèi)容及評價指標概述，然后主要就國外和國內(nèi)兩種角度介紹了汽車同步器開發(fā)技術研究的現(xiàn)狀和發(fā)展情況，最后對開發(fā)技術做出了發(fā)展趨勢的預期。

關鍵詞：汽車同步器；技術；趨勢；原理；

汽車變速器同步器設計是一款變速器設計成功與否的關鍵，無論是傳統(tǒng)的手動變速器還是技術先進的DCT，同步器設計都是其中的重點內(nèi)容并決定著變速器的性能和換擋壽命，同步器設計內(nèi)容繁多，評價參數(shù)也各異，在這種情況下，鎖止比和X、Y值的計算推導及厘清相關設計參數(shù)的影響就成了同步器設計的關鍵內(nèi)容。

一、變速器同步器設計開發(fā)內(nèi)容及評價指標概述

1、明確變速器傳動系統(tǒng)各個零件的轉(zhuǎn)動慣量并進行轉(zhuǎn)化計算；

2、換擋角度差的計算；

3、同步器齒環(huán)螺紋有效面積的計算；

4、同步力矩的計算；

5、同步容量的計算；

6、X、Y值的計算及結(jié)構(gòu)參數(shù)的確立；

7、試做同步器樣件并進行試驗，將試驗結(jié)果與設計指標對比并改善。

上述的計算內(nèi)容最終得到的評價指標包括同步器鎖止比、動能損失量、換擋耐久同步容量、單位面積功、換擋沖量、手球處換擋力以及X、Y值等，所有這些指標的設計基礎為同步器鎖止比的計算及X、Y值的計算，所以，鎖止比及X、Y值的計算是整個變速器同步器設計的兩個關鍵點。

二、國外同步器研究現(xiàn)狀

自20世紀20年代起，同步器在國外一些汽車發(fā)達國家的變速器中得到應用；直到20世紀60年代后期，工程師們才通過探討同步器工作過程，逐漸獲得了相關同步理論的分析方法；在經(jīng)歷了各階段同步理論研究后，同步器設計技術有了顯著的進步。研究進展主要體現(xiàn)在6個方面。

1、同步工作過程初步分析。運用同步器基本理論，結(jié)合試驗分析的方法，研究同步器工作過程中所需要的換檔力和換檔時間。在這個階段，獲得了同步器同步和鎖止過程的簡單力學表達式；能夠運用簡化的數(shù)學模型，分析同步器工作性能；開展減小換檔力、縮短換檔時間等一些滿足汽車基本使用性能的研究；初步實現(xiàn)對同步器工作過程完整描述和鎖止機構(gòu)的軸向鎖止功能定義。但是，這種基于簡化數(shù)學模型的分析方法，無法直觀地反應同步器零件參數(shù)在不同時刻對換檔性能的影響。

2、同步器換檔過程中的運動特性研究。計算機技術的發(fā)展和數(shù)值仿真軟件的誕生，為應用虛擬樣機技術研究同步器換檔特性提供了方便。

3、同步嚙合過程中相對運動和接觸力動態(tài)仿真方法研究。人們習慣于將換檔噪聲和失效等問題歸因于變速器系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動、扭轉(zhuǎn)沖擊或是作用在同步器齒套上的換檔力變化等因素。

4、優(yōu)化設計方法研究。從20世紀末到21世紀初，日產(chǎn)的工程師們開始對同步器及換檔系統(tǒng)進行優(yōu)化及匹配設計研究。2002年在美國新奧爾良舉行的國際機械工程會議上，MassimilianoGobbi等學者提出了一種以32個同步器設計參數(shù)為設計變量的多目標優(yōu)化設計方法。2006年印度的T.M.ManozKumar等學者，采用統(tǒng)計學仿真方法，針對同步器錐面設計參數(shù)，進行了同步器優(yōu)化設計方法的研究。2012年印度的ManishKumarSharma和JineshSavla，對變速器的換檔機構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計研究，達到了通過減少機構(gòu)的慣量實現(xiàn)降低二次沖擊峰值的目的。

三、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的同步器技術研究起步較晚，優(yōu)化設計的研究工作，起始于20世紀90年代。目前大部分研究工作也基本建立在對國外同步器技術的消化和吸收基礎上。已開展的主要研究內(nèi)容如下：

1、以同步器設計理論為基礎的優(yōu)化設計方法研究。根據(jù)同步器結(jié)構(gòu)與性能關系的經(jīng)驗模型，結(jié)合經(jīng)典力學和摩擦力學理論，得到同步器靜態(tài)特性分析方法；利用變速器和同步器臺架試驗與理論計算相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了對同步器整體性能的試驗評價；已明確材料和結(jié)構(gòu)形式對同步器性能的影響作用。

2、借助于仿真分析方法，對同步器工作過程進行全面動態(tài)仿真分析評價。目前國內(nèi)正在開展以虛擬樣機技術為手段，借助于數(shù)值動態(tài)仿真軟件，獲得同步器結(jié)構(gòu)參數(shù)對同步器性能的影響規(guī)律及同步器性能評價方法。根據(jù)同步器各工作過程虛擬試驗的結(jié)果，針對影響各同步過程性能的重要參數(shù)進行同步器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在實機試驗結(jié)果的指導下，實現(xiàn)提高同步器性能的目標。

3、參數(shù)化設計方法研究。現(xiàn)階段，上汽變速器正借助于虛擬樣機技術，開始進行同步器參數(shù)化設計方法的研究。目前已進行同步器換檔過程運動狀態(tài)，同步時間、各階段沖擊力、檔位保持力的動態(tài)仿真分析；初步實現(xiàn)利用數(shù)值動態(tài)仿真模型進行參數(shù)化設計，在同步器參數(shù)化設計研究方面取得了實質(zhì)性的進展，正在逐步形成同步器自主研發(fā)的能力。

四、技術發(fā)展趨勢

從提高同步器產(chǎn)品開發(fā)速度、降低開發(fā)成本的角度出發(fā)，面向同步器工作過程仿真分析的虛擬設計方法將是同步器設計開發(fā)技術發(fā)展的基本前提；對同步器工作過程仿真的可信度和對產(chǎn)品實際性能的預測能力，則是同步器虛擬設計研究的重要內(nèi)容。

根據(jù)對國內(nèi)外近年來研究分析方法的了解，可將目前同步性能分析歸結(jié)為：基于簡化數(shù)學模型理論計算、基于不同工作階段的數(shù)學建模與仿真和基于虛擬樣機技術的建模與仿真3種方法。為實現(xiàn)對同步過程的完整評價，有學者提出了一種基于同步過程分階段機理分析的虛擬樣機仿真技術。

單純的仿真分析方法，可對同步器產(chǎn)品各參數(shù)優(yōu)化起到了很好的指導作用，但是每改一個同步器結(jié)構(gòu)參數(shù)，都需要花費大量時間建立精確的同步器幾何模型；存在參數(shù)優(yōu)化匹配過程長、耗費精力大的不足。為全面縮短同步器產(chǎn)品的開發(fā)設計、改進周期，提升優(yōu)化設計效率，需采用簡化同步器設計參數(shù)優(yōu)化過程，尋找無需事先精確建模的同步器參數(shù)化設計方法。

參考文獻：

[1]湯海川，韓天寅.一種基于知識經(jīng)驗的汽車同步器設計系統(tǒng)開發(fā)[J].機械設計與制造，2012，（10）.

[2]李曉春，褚超美，繆國等.汽車同步器換擋二次沖擊的動態(tài)仿真[J].汽車工程，2014，（12）.

[3]何莉，張為公，龔宗洋等.基于VxWorks的汽車同步器試驗臺測控系統(tǒng)[J].測控技術，2009，28（11）.

[4]俞忠新，胡萍，張濤等.汽車同步器齒環(huán)摩擦材料的制備及性能研究[J].潤滑與密封，2005.endprint