變速器拖曳扭矩的測試、計算及應用

文/耿駿偉 姜正軍 韋文勝 李 璇 許瑞涵（安徽星瑞齒輪傳動有限公司）

手動變速器的換檔品質直接被客戶感知，其品質的好壞影響客戶的體驗，影響車輛的上市表現。因此，這是主機廠對手動變速器的關鍵指標要求，也是變速器設計的重點。每一款變速器都存在拖曳扭矩，為了設計計算更貼近實際，在換檔性能計算時就必須加以考慮，因此，變速器拖曳扭矩的測試及拖曳扭矩在同步器性能計算中如何應用非常重要。

一、拖曳扭矩

拖曳扭矩是變速器內所有能夠使轉動的零件轉速下降的阻力矩的合力矩，包括攪油阻力矩、軸承旋轉阻力矩、空氣阻力矩、油封摩擦阻力矩等。由于無法單獨測量各個阻力矩，將變速器輸入軸角速度變化率與總的轉動慣量的乘積等效為拖曳扭矩。總慣量是變速器內各零件轉換到輸入軸上的慣量與離合器從動盤慣量的和。拖曳扭矩Tt用公式（1）表達。

二、拖曳扭矩測試和計算

1.拖曳扭矩測試方法

本文探討應用同步器試驗臺架和GSA測試設備測量拖曳扭矩的方法。根據公式（1），在臺架上只需要測量輸入軸轉速變化△n和時間變化△t。離合器從動盤慣量已知，變速器內各零件轉化到輸入軸上的總慣量由變速器設計參數計算所得。將變速器固定在試驗臺架上，輸入軸安裝上與之匹配的離合器從動盤。變速器掛上某一檔位后，電機從輸出端驅動變速器旋轉，使變速器輸入軸轉速上升到3000r/min以上，在某一轉速點保持一段時間，然后將檔位迅速摘到空檔，待轉速下降到1500r/min以下后，停止試驗。在此過程中，GSA測試設備記錄輸入軸轉速隨時間變化的曲線（見圖1），從測試曲線上截取一段計算△n和△t。

圖1 輸入軸轉速隨時間變化曲線

2.拖曳扭矩計算方法

這款變速器Jc=0.00934kg·㎡；Jz=0.00421kg·㎡。從圖 1中選取△n=2700-1600=1100r/min，△t=1.7-0.6=1.1s，代入公式（1）計算得出Tt=1.42Nm。

三、拖曳扭矩的作用

同步器工作過程可以分為預同步、同步、自由滑行、對齒、嚙合五個階段。同步階段，拖曳扭矩能夠降低齒輪轉速，影響被同步端轉速變化率。在升檔過程中，被同步端需要降速，此時拖曳扭矩起有利作用。在降檔過程中，被同步端需要升速，此時拖曳扭矩起不利作用。

同步結束后，在自由滑行階段，理論上被同步端與同步端轉速差為零，由于拖曳扭矩的存在，被同步端的轉速會繼續下降，使得被同步端與同步端再次產生轉速差，導致在對齒階段產生沖擊，也就是二次沖擊，因此拖曳扭矩越小對降低二次沖擊概率越有利。

四、拖曳扭矩應用

1.拖曳扭矩應用公式

本文主要探討拖曳扭矩在同步階段的應用。換檔簡化模型見圖2。定義連接整車的同步端轉速是ω2，由于連接的是整車，J2具有相當大的轉動慣量，可以認為在換檔時ω2是不變的。被同步端轉速是ω1，為了實現無沖擊換檔，需要依靠同步器摩擦副作用來實現ω1=ω2，所需的力矩為Tc。另一方面，同步器摩擦錐面上產生摩擦力矩T2′，同步時間為t，為了實現同步，所需的同步力矩與同步器能夠產生的摩擦力矩應該相等，即Tc=T2′。實際上，由于拖曳扭矩的存在，升檔時，被同步端需要降速，拖曳扭矩起有利作用，用公式（2）表達；降檔時，被同步端需要升速，拖曳扭矩起不利作用，用公式（3）表達，式中的Tt表示變速器特定檔位的拖曳扭矩，是該檔位的速比。

2.拖曳扭矩計算

圖2 換檔簡化模型

表1 計算結果與整車測試結果對比

應用公式（2）計算一款變速器的同步器換檔力Fa，再根據整車拉絲杠桿比和拉絲效率計算操縱手柄換檔力，最后計算變速器在整車上的換檔沖量，計算結果與整車測試結果對比見表1，表中輸入轉速為2000r/min，換檔時間為0.25s。

在同步器性能計算時，應用公式（2），考慮拖曳扭矩的影響，縮小了計算結果與實測結果的偏差，也說明本文探討的拖曳扭矩的測試方法、拖曳扭矩的計算方法、拖曳扭矩的應用公式具有可參考性。

五、小結

本文探討了手動變速器拖曳扭矩的測試方法、拖曳扭矩的計算方法和拖曳扭矩在同步器性能計算中的應用，對同步器設計和校核具有參考作用。

本文的研究中，未考慮溫度的影響。眾所周知，溫度對潤滑油的粘度影響較大，影響攪油阻力矩，從而影響拖曳扭矩的大小，這也是計算結果與整車實測結果存在偏差的影響因素之一。后續研究者可以利用環境倉實現不同溫度的拖曳扭矩測試，這樣能提高計算校核的準確性，也更貼近實際。