同步器單體試驗臺的應用研究

摘要：詳細介紹摩擦系數的試驗方法，利用試驗臺對某款變速箱的一二檔同步器總成進行了試驗，并對同步環的摩擦系數進行分析，驗證摩擦系數變化與同步環材料磨損之間的對應關系。通過對某變速箱一二檔同步器5萬次試驗數據進行分析，為同步器單體試驗提供試驗方法和案例，也為不同摩擦材料的性能試驗提供分析依據。

關鍵詞：同步器;汽車試驗;摩擦系數;臺架系統

1 同步器單體試驗臺結構

1.1 同步器等效模型

由于齒輪比和安裝位置的不同，同步器與每個齒輪的慣性和轉速差異存在差異。 下面分析同步器的數學模型。

同步器主動部分運動方程為：

…………………………….（1.1）

令k=sign（i_y-i_x），則升檔時k=-1，降檔時k=1。

其中：

ω₁：同步器主動部分轉速（一軸轉速）;

T_s：同步扭矩;

T_c：轉換至離合器主動部分的離合器阻力矩;

T_T：轉換至離合器主動部分的變速箱阻力矩;

J：同步器主動部分的總轉動慣量，J= J_T?+ J_C;

J_T：變速箱主動部分轉換至同步器上的轉動慣量;

Jc：離合器轉換至同步器上的轉動慣量;

J_V：轉換至離合器被動部分的總轉動慣量;

ix：換擋動作完成前的傳動比;

iy：換擋動作完成后的傳動比;

從以上分析可以看出：

（1）、升檔時，同步器一軸在T_s作用下轉速下降，降檔時，同步器一軸在T_s作用下轉速上升;

（2）、T_c與T_s的方向始終相反，對同步力矩起到削弱作用，不利于同步過程;

（3）、升檔時T_T與T_s方向相同，有利于同步過程;降檔時T_T與T_s方向相反，不利于同步過程;

（4）、升檔時T_v不利于同步過程，降檔時有利于同步過程。

1.2 摩擦系數

摩擦系數是同步器的固有參數，在同步器工作過程中不會發生大的變化，只要確定摩擦副材料、同步器環的中值直徑和同步器的錐角，摩擦系數就是恒定的。但是，在實際過程中，由于摩擦面狀態（局部不規則，毛刺等）、潤滑油流量、系統誤差、接觸面積、潤滑油溫度等同步環摩擦面有關參數的影響，實際測量的摩擦系數有可能將偏離理論值^[1]。經試驗磨合之后，得到的摩擦系數將會接近理論值，所以摩擦系數可以作為同步環磨合效果的評價指標，計算公式如下。

…………….（1.2）

其中：

T為同步扭矩;

F為軸向力;

r₁、r₂、r₃為三個摩擦錐面的中位半徑，沒有則為零;

sinθ₁、sinθ₂、sinθ₃為三個摩擦錐面的錐角正弦，沒有則為零;

μ為摩擦系數。

以上推導可得，K為常量，由同步環錐面數（單錐面、雙錐面、三錐面）、錐面中位半徑、錐角等機械結構共同決定，對于結構上有差異的同步器總成，K值通常也不同，通過對摩擦力矩T和換擋軸向力F的測量可以得到摩擦系數μ。

1.3 試驗臺架設計

在臺架系統設計過程中，除了考慮各個參數的精確測量，還應充分保證同步器的工作狀態與整車姿態保持一致，比如：同步器的一軸慣量應做成可調節式，可根據不同的離合器摩擦盤進行慣量調節^[2];二軸慣量應確保車速的穩定，輸出端轉速不受換擋沖擊造成較大的波動;液壓換擋機構要兼具力量控制和位置控制的雙閉環控制能力;潤滑油系統能夠根據不同的同步器進行流量調節和溫度控制。

2 摩擦系數試驗分析

2.1被試件參數

為了研究同步環摩擦系數的試驗方法，本文對某款DCT變速箱的一二檔同步環進行五萬次以上的耐久性試驗，試驗參數如下：

試驗樣品包含一套同步環和一套齒輪配件，同步環包括一二擋外環、中間環、內環各一個，齒輪配件包括一檔齒輪、二檔齒輪、花鍵齒轂、滑套各一個和三個預同步定位銷。其中，一檔齒輪安裝在靜止端，二檔齒輪安裝在滑動端。

在以下試驗條件下進行不少于50000次的循環耐久試驗：

2.2 單次同步過程的摩擦系數

以下是單次同步環接合過程曲線，數據曲線能夠匹配同步器接合的三個過程，即預同步階段、同步階段和嚙合齒嚙合階段^[3]。在預同步階段，同步環處于排油的過程中，隨著油膜逐漸變薄，一軸轉速開始緩慢變化，摩擦系數μ快速上升;在同步階段，同步環處于干磨狀態，一軸轉速在摩擦力矩的作用下開始快速變化，摩擦系數保持在最大值附近;在嚙合齒嚙合階段，齒轂轉速與檔位齒轉速非常接近，轉速差趨于零，摩擦系數μ急劇降低。

2.3 摩擦系數變化趨勢

隨著摩擦次數的增加，同步環厚度逐漸變薄，摩擦系數整體呈降低趨勢，轉速信號選取各次同步過程的最大轉速差，其他信號選取各次同步過程的平均值。

在50000次試驗過程中，摩擦系數和摩擦力矩的變化關系如下，在整個疲勞試驗過程中同步時間不超過0.21s;摩擦系數在1000個循環之前偏高且變化較大，在1000-50000次循環中有少許下降且趨于穩定;減速檔的摩擦系數稍微高于增速檔，這是因為試驗臺的摩擦效應，試驗臺系統的摩擦損失（軸承、油的拖滯等）在減速時是支持減速過程的，而在加速時是阻礙加速過程。

試驗后經拆解同步器總成發現，同步環各錐面均出現一定程度的磨損，但不影響同步器換擋功能。

在運行50050次循環以后，齒套和接合齒沒有明顯磨損痕跡，一檔和二檔的錐面磨損量分別為0.190mm和0.405mm，外環端面離內環端面的距離仍然大于零，分別余下0.410mm和0.392mm，為安全距離。試驗結果顯示試驗成功。

降檔時隨著同步時間增加，同步沖量會增大，升檔時隨著同步時間增加，同步沖量會減小，這與實際經驗完全一致，即換高檔時動作要慢，而換低檔時動作要快。

3 全文總結

本章給出了同步器單體試驗流程和方法，詳細分析了同步環在摩擦試驗過程中摩擦系數的變化趨勢，同時和同步環錐面磨損形成對比。希望對于推廣摩擦材料的試驗方法能夠起到拋磚引玉的作用。

參考文獻

[1] 梁禮明，王祖麟，張振利. 新型變速箱試驗臺的研制與電氣分析.機床與液壓，2005.No.10，80～82

[2] 牛連丁. 變頻器的工作原理和控制方式.科技咨詢導報，2007，第20期

[3] 何莉，張為公等.基于Vx Works 的汽車同步器試驗臺測試系統.測控技術，2009，28（11）：40-44.

作者簡介：徐宗卿 男，1987.3，同濟大學 汽車學院（201807），江蘇東海人，中級工程師，本科。

（作者單位：同濟大學汽車院）