重型車輛定軸式變速箱用慣性同步器換擋過程仿真

賈偉健， 劉西俠， 劉義樂， 吳文文， 孟博文

(陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系， 北京 100072)

同步器是定軸機(jī)械式變速箱的重要組成部件，其原理是依靠摩擦作用實(shí)現(xiàn)同步[1]。同步器的應(yīng)用對于減少換擋沖擊和噪音具有重要作用[2-3]。當(dāng)前同步器主要有限壓式、慣性式、慣性增力式等幾種類型。其中：慣性式同步器因其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)、摩擦性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),在傳統(tǒng)機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用[4]。

筆者以某重型車輛定軸式變速箱為研究對象，建立了較為通用的同步器以及整車仿真模型，對同步器的工作過程進(jìn)行了仿真分析，研究了同步器與整個(gè)傳動系統(tǒng)的其他部件(如發(fā)動機(jī)、離合器等)的相互作用關(guān)系，以期為后續(xù)的同步器優(yōu)化[2,5]、變速箱AMT開發(fā)[6]以及自動離合器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 相關(guān)結(jié)構(gòu)及同步器工作原理

1.1 重型車輛變速箱傳動結(jié)構(gòu)及同步器結(jié)構(gòu)

重型車輛的變速箱為傳統(tǒng)的定軸式變速箱[7]，其主要組成為變速箱箱體、主動軸總成、中間軸總成(包括各擋主動齒輪)、主軸總成(包括各擋被動齒輪)、倒擋齒輪軸總成等。變速箱結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。圖中：各數(shù)字代表軸上各齒輪齒數(shù)。定軸變速箱1-5擋主被動齒輪傳動比依次為3、1.4、1、0.71、0.455、-3。

圖1 重型車輛變速箱結(jié)構(gòu)簡圖

該重型車輛使用的同步器為慣性式同步器，由連接齒輪、滑接齒套、定位銷、同步器體和撥叉環(huán)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中：連接齒輪通過內(nèi)齒圈花鍵與主軸連接；滑接齒套內(nèi)齒與連接齒輪外齒相嚙合，在換擋時(shí)其兩側(cè)外齒與所掛擋被動齒輪內(nèi)齒相嚙合；定位銷裝在滑接齒套上，用于定位滑接齒套與同步器體；同步器體套接在滑接齒套上，在掛擋時(shí)其內(nèi)錐面與所掛擋被動齒輪的錐面接觸。

圖2 慣性式同步器結(jié)構(gòu)

1.2 同步器工作原理

掛擋過程是使滑接齒套兩側(cè)外齒圈與所掛擋被動齒輪內(nèi)齒圈相嚙合的過程，主要分為3個(gè)階段，圖3為掛擋同步過程示意圖。

掛擋同步過程為：1)在進(jìn)行掛擋操作時(shí)，撥叉環(huán)帶動滑接齒套向所掛擋被動齒輪移動，使同步器體摩擦錐面與所掛擋被動齒輪內(nèi)摩擦錐面接觸，如圖3(a)所示；2)所掛擋被動齒輪內(nèi)摩擦錐面接觸產(chǎn)生滑動摩擦，使得同步器體轉(zhuǎn)速升高，此時(shí)由于滑接齒套與主軸連接，仍按原來速度隨驅(qū)動輪慣性旋轉(zhuǎn)，使得同步器體特形孔前壁壓住定位銷，產(chǎn)生換擋阻力，阻止進(jìn)一步向前掛擋，如圖3(b)所示；3)當(dāng)同步器體與滑接齒套轉(zhuǎn)速再次相同，同步完成，換擋阻力消失，可以繼續(xù)掛擋，如圖3(c)所示。

由于同步器體與所掛擋被動齒輪摩擦錐面間隙消失，繼續(xù)掛擋時(shí)同步器體不能隨撥叉環(huán)繼續(xù)向前移動，而滑接齒套在撥叉環(huán)的帶動下繼續(xù)向前移動，直到滑接齒套外齒圈與所掛擋被動齒輪內(nèi)齒圈相嚙合，掛擋過程結(jié)束。由于在齒輪嚙合前已經(jīng)同步完成，因此可以有效減輕齒輪嚙合產(chǎn)生的沖擊。

2 同步器仿真模型

2.1 同步器動力學(xué)分析

主要針對同步器同步階段進(jìn)行動力學(xué)分析。通過軸向推力使同步器體內(nèi)摩擦錐面與所掛擋被動齒輪摩擦錐面摩擦產(chǎn)生同步力矩，進(jìn)而使主軸與被動齒輪轉(zhuǎn)速達(dá)到一致。同步器受力關(guān)系圖如圖4所示。圖中：A為發(fā)動機(jī)至離合器主動盤傳動部分；B為離合器被動被動盤至驅(qū)動輪傳動部分；φ為離合器；Jc為離合器被動部分、主動軸總成、中間軸總成及主軸各擋被動齒輪轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)；Jb為主軸至驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)；ib為所掛擋被動齒輪傳動比；ih為行星轉(zhuǎn)向機(jī)及主減速器傳動比；ω1為所掛擋被動齒輪角速度(rad/s)；ω2為主軸角速度(rad/s)；Tm為同步力矩(N·m)；Tr為作用于驅(qū)動輪的阻力矩(N·m)；Rp為摩擦錐面半徑(m)；α為摩擦錐角(°)；F為軸向推力(N)。

圖4 同步器受力關(guān)系

在同步器同步階段，存在以下關(guān)系：

(1)

(2)

(3)

式中：μ為同步器錐面摩擦因數(shù)。

2.2 建立同步器仿真模型

圖5為重型車輛換擋過程仿真控制流程圖，主要分為以下5個(gè)過程：

1)t0時(shí)刻，加油沖車至適宜換擋的轉(zhuǎn)速區(qū)間。

2)t1時(shí)刻，踩下離合器后進(jìn)行摘擋、選擋操作。由于摘擋、選擋過程時(shí)間較短，故假設(shè)離合器主動部分、主動軸、中間軸以及各擋被動齒輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速不變。

圖5 換擋過程仿真控制流程

3)t2時(shí)刻，進(jìn)行掛擋操作，此時(shí)同步器體內(nèi)摩擦錐面已與所掛擋被動齒輪摩擦錐面接觸，產(chǎn)生摩擦力矩。

4)t3時(shí)刻，中間軸轉(zhuǎn)速與所掛擋被動齒輪轉(zhuǎn)速達(dá)到一致，同步結(jié)束。

5)t4時(shí)刻，離合器結(jié)合完畢，換擋結(jié)束。

該型號重型車輛相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 重型車輛相關(guān)參數(shù)

根據(jù)重型車輛同步過程工作原理以及動力學(xué)分析，基于MATLAB/Simulink建立的同步器仿真模型如圖6所示。

圖6 同步器仿真模型

3 整車換擋建模與結(jié)果分析

以重型車輛2擋換3擋為例,進(jìn)行計(jì)算與仿真分析，其他換擋操作與此類似。

3.1 各傳動軸轉(zhuǎn)速計(jì)算

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)與800 r/min時(shí)換擋計(jì)算過程類似，在此只分析重型車輛加油沖車至發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)的2擋換3擋過程。

1) 當(dāng)加油沖車至發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，t1時(shí)刻的主動軸轉(zhuǎn)速

(4)

3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速

(5)

2擋被動齒輪轉(zhuǎn)速

(6)

主軸轉(zhuǎn)速

(7)

車輛行駛速度

(8)

式中：ne為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；i傳為齒輪傳動箱傳動比；ic為主動軸與中間軸傳動比，取ic=2；i3為3擋主被動齒輪傳動比；i2為2擋主被動齒輪傳動比，取i2=2；r為驅(qū)動輪半徑，取r=0.283 m。

2) 根據(jù)駕駛經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)踩離合器時(shí)長為0.3 s，此時(shí)重型車輛行駛速度

(9)

主軸轉(zhuǎn)速

(10)

主動軸轉(zhuǎn)速

(11)

3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速

(12)

式中：Tφ為離合器傳遞轉(zhuǎn)矩；CD為空氣阻力系數(shù)，取CD=0.75；A為重型車輛迎風(fēng)面積，取A=4 m2；g為重力加速度，取9.8 m/s2；V為車速。

3)假設(shè)摘擋時(shí)長為0.3 s，此時(shí)主動軸與3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速不變，此時(shí)車輛行駛速度

(13)

主軸轉(zhuǎn)速

(14)

4) 摘擋完成后進(jìn)行掛擋操作，假設(shè)同步時(shí)長為t，則t3時(shí)刻車輛行駛速度

(15)

主軸轉(zhuǎn)速

(16)

主動軸轉(zhuǎn)速

(17)

3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速

(18)

式中：n30為掛擋前3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速；nc0為掛擋前主軸轉(zhuǎn)速。

(19)

主軸轉(zhuǎn)速

(20)

主動軸轉(zhuǎn)速

(21)

3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速

(22)

3.2 整車換擋仿真建模

根據(jù)計(jì)算建立整車換擋仿真模型，如圖7所示。

圖7 整車換擋仿真模型

其中：駕駛員、發(fā)動機(jī)、離合器、變速箱以及坦克動力學(xué)模塊通過封裝以模塊的形式表現(xiàn)，而同步器模型作為變速箱模塊的一部分封裝。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)換擋

當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，t2到t3時(shí)刻掛擋與同步過程中，3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速與主軸轉(zhuǎn)速變化曲線如圖8所示。可以看出：

1) 當(dāng)t=0.3 s(離合器分離完畢，進(jìn)行摘擋操作)時(shí)，3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速為524.3 r/min，主軸轉(zhuǎn)速為374.6 r/min。分析其原因?yàn)椋弘x合器分離時(shí)動力切斷，摘擋階段(0.3～0.6 s)離合器被動部分至各擋被動齒輪部分因不受力而處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，使得3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速不變；主軸至驅(qū)動輪部分因受到地面阻力作用，轉(zhuǎn)速持續(xù)減小。

2) 當(dāng)t=0.6 s時(shí)開始掛擋同步，此時(shí)3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速隨主軸轉(zhuǎn)速一起減小，并在同步作用下逐漸逼近主軸轉(zhuǎn)速。這是因?yàn)橹鬏S至驅(qū)動輪部分轉(zhuǎn)動慣量，遠(yuǎn)大于離合器至3擋被動齒輪部分。

圖8 換擋時(shí)3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速與主軸轉(zhuǎn)速變化曲線

3) 當(dāng)t=0.95 s時(shí)，3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速與變速箱主軸轉(zhuǎn)速一致，說明同步完成，同步時(shí)長約為0.35 s，此時(shí)3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速為281.5 r/min。

圖9為換擋時(shí)車輛行駛速度變化曲線，可以看出：

1) 當(dāng)前車輛行駛速度為6.408 km/h，在離合器分離階段(0～0.3 s)車輛行駛速度不斷減小。這是因?yàn)椋弘x合器分離時(shí)，其轉(zhuǎn)遞扭矩逐漸減小，不足以克服地面阻力。

2) 在0.6 s左右的t2時(shí)刻，行駛速度為5.2 km/h，此時(shí)由于受到同步力的作用，車速減小稍微放緩；

3) 在0.95 s左右的t3時(shí)刻，行駛速度為4.428 km/h，此時(shí)同步完成，但離合器結(jié)合初期其傳遞扭矩仍不足以克服地面阻力，導(dǎo)致車速呈持續(xù)減小趨勢。

4) 當(dāng)t=1.54 s時(shí)，離合器達(dá)到半聯(lián)動狀態(tài)，所傳遞扭矩剛好克服地面阻力，車速開始緩慢增大，直至t=1.95 s左右的t4時(shí)刻，離合器結(jié)合完成，行駛速度為4.07 km/h。

圖9 換擋時(shí)車輛行駛速度變化曲線

圖10為換擋時(shí)離合器主被動部分轉(zhuǎn)速變化曲線，可以看出：

1) 當(dāng)離合器主被動部分轉(zhuǎn)速為1 142 r/min時(shí)開始分離，此時(shí)離合器傳遞的扭矩減少，導(dǎo)致與離合器主動部分連接的發(fā)動機(jī)阻力矩減小，進(jìn)而使得離合器主動部分轉(zhuǎn)速開始呈增大趨勢，而離合器被動部分轉(zhuǎn)速則開始呈減小趨勢。

2) 當(dāng)t=0.3 s時(shí)離合器分離完畢，開始摘擋操作，此時(shí)變速箱主軸轉(zhuǎn)速為1 048.5 r/min，離合器被動部分轉(zhuǎn)速保持不變。這是因?yàn)檎獡跗陂g2擋被動齒輪與主軸連接斷開。

3) 當(dāng)t=0.6 s時(shí)開始掛擋，此時(shí)離合器被動部分轉(zhuǎn)速隨3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速減小。這是因?yàn)殡x合器被動部分轉(zhuǎn)速與3擋被動齒輪為固定傳動比連接。

4) 當(dāng)t=0.95 s時(shí)同步完成，開始結(jié)合離合器，此時(shí)離合器被動部分轉(zhuǎn)速為561 r/min，而離合器主動部分轉(zhuǎn)速增大。這是因?yàn)椋弘x合器結(jié)合初期傳遞扭矩不足以克服地面阻力矩，導(dǎo)致離合器被動部分轉(zhuǎn)速隨驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速下降，而離合器結(jié)合時(shí)會給發(fā)動機(jī)加油，使得發(fā)動機(jī)輸出扭矩增加、轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)而導(dǎo)致離合器主動部分轉(zhuǎn)速相應(yīng)增大。

5) 當(dāng)t=1.5 s(離合器半聯(lián)動點(diǎn)位置)時(shí)，離合器被動部分轉(zhuǎn)速開始增大(此時(shí)離合器傳遞扭矩剛好可以克服地面阻力矩)，而離合器主動部分轉(zhuǎn)速減小(這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)阻力矩上升)。

6) 直至t=2.2 s時(shí)離合器結(jié)合完畢，離合器主被動轉(zhuǎn)速一致為685.9 r/min，整個(gè)換擋時(shí)間t=2.2 s。

圖10 換擋時(shí)離合器主被動部分轉(zhuǎn)速變化曲線

3.3.2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)換擋

當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min換擋時(shí)，3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速與主軸轉(zhuǎn)速變化曲線如圖11所示。可以看出：

1) 當(dāng)t=0.3 s(離合器分離完畢)時(shí)，進(jìn)入摘擋階段，摘擋時(shí)間約為0.3 s，3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速為664.1 r/min，主軸轉(zhuǎn)速由474.4 r/min減小到430.7 r/min；與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)換擋相比，在此階段主軸轉(zhuǎn)速下降減少量增加了約4 r/min，這是因?yàn)檐囕v高速換擋時(shí)地面阻力較大。

2) 當(dāng)t=0.6 s時(shí)進(jìn)入掛擋同步階段，在此階段3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速隨主軸轉(zhuǎn)速下降，并逐漸逼近主軸轉(zhuǎn)速。這是因?yàn)椋涸诟咚贀Q擋時(shí)，主軸與3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速差要比低速換擋時(shí)大，則以相同換擋力掛擋時(shí)，所需時(shí)間要短。

圖11 換擋時(shí)3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速與主軸轉(zhuǎn)速變化曲線

3) 當(dāng)t=1.036 s時(shí)，3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速與變速箱主軸轉(zhuǎn)速一致，同步完成，同步時(shí)長約為0.436 s，此時(shí)3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速為373.4 r/min。

圖12為換擋時(shí)車輛行駛速度變化曲線，可以看出：

1) 當(dāng)車輛行駛速度為8.026 km/h時(shí)開始進(jìn)行換擋操作，在0～0.6 s時(shí)離合器分離、摘擋完畢，車速逐漸減小，0.6 s時(shí)車速為6.777 km/h；與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)換擋相比，此階段車速減少量增加了約0.04 km/h，這也是因?yàn)榈孛孀枇υ龃笏隆?/p>

2) 當(dāng)t>0.6 s時(shí)開始掛擋操作，此時(shí)因同步力作用車速減小速度稍有放緩；

3) 當(dāng)t=1.036 s時(shí)開始結(jié)合離合器，車速繼續(xù)減小，這是因?yàn)殡x合器結(jié)合初期地面阻力較大；離合器結(jié)合半聯(lián)動點(diǎn)出現(xiàn)在1.7 s左右，此時(shí)車速為4.9 km/h，是整個(gè)換擋過程的最低值，之后車速開始增大。

圖12 換擋時(shí)車輛行駛速度變化曲線

圖13為換擋時(shí)車離合器主被動部分轉(zhuǎn)速變化曲線，可以看出：

1) 當(dāng)離合器轉(zhuǎn)速為1 429 r/min時(shí)開始換擋操作，在t=0.3 s時(shí)離合器分離完畢，此階段離合器被動部分轉(zhuǎn)速減小(受地面阻力的作用)，但離合器主動部分轉(zhuǎn)速呈緩慢減小趨勢，這主要是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速換擋使得發(fā)動機(jī)依然超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)所致。

2) 在t=0.3～0.6 s的摘擋階段，動力切斷使得離合器被動部分處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)速為1 328 r/min；當(dāng)t>0.6 s時(shí)進(jìn)入同步階段，離合器被動部分轉(zhuǎn)速隨著3擋被動齒輪轉(zhuǎn)速減小。

3) 當(dāng)t=1.036 s時(shí)同步完成，開始結(jié)合離合器操作，此時(shí)離合器主動部分轉(zhuǎn)速減小速度加快，這是由發(fā)動機(jī)阻力距增加所致。為避免發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速減小過快，必須加大油門開度，保證發(fā)動機(jī)動力輸出。

4) 當(dāng)t=1.7 s(離合器半聯(lián)動點(diǎn))時(shí)，離合器被動部分轉(zhuǎn)速隨驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的增大而增大。這是因?yàn)殡x合器傳遞轉(zhuǎn)矩足以克服地面阻力距。

5) 當(dāng)t=2.4 s時(shí)離合器結(jié)合完畢，此時(shí)離合器主被動部分轉(zhuǎn)速為822 r/min；由于高速換擋時(shí)地面阻力增加，離合器主被動部分轉(zhuǎn)速差增加，因此整車換擋時(shí)間均較低速換擋時(shí)延長0.2 s。

圖13 離合器主被動部分轉(zhuǎn)速

4 實(shí)車驗(yàn)證

為檢驗(yàn)所建模型的精確性，通過在重型車輛上加裝車速傳感器的方式，測定實(shí)車在不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的行駛速度，得到其2擋換3擋的行駛速度變化曲線，并與模型仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如圖14所示。

由圖14(a)可以看出：當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，在1.2～1.6 s的同步完成、離合器結(jié)合階段，2種結(jié)果誤差較大。這可能是因?yàn)椋涸诘退贂r(shí)，離合器模型與實(shí)際離合器的轉(zhuǎn)矩傳遞情況仍有較大誤差。整個(gè)換擋過程中車速的均方誤差

平均偏差率

式中：N為采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，由于采樣間隔為0.02 s，則N=101。

由圖14(b)可以看出：1)當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，2種結(jié)果基本一致，但在離合器結(jié)合過程中采集的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)波動較大，這有可能是由離合器操縱不當(dāng)引起；2)在同步階段，實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型仿真數(shù)據(jù)吻合性更好，說明所建的同步器模型可較好地反映實(shí)際同步器工作過程。同理，此工況下的車速的均方誤差0.313 5 km/h，平均偏差率為2.62%。

5 結(jié)論

通過MATLAB/Simulink建立的同步器仿真模型以及整車模型，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為800、1 000 r/min兩種工況下進(jìn)行仿真研究，得到的主要結(jié)論如下：

1)與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min換擋時(shí)相比，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min換擋時(shí)，同步過程的3擋被動齒輪與主軸轉(zhuǎn)速差較大；當(dāng)掛擋力相同時(shí)，同步時(shí)間較長，掛擋相對困難，整個(gè)換擋操縱過程用時(shí)較長。在后期的變速箱AMT開發(fā)過程中，需要設(shè)計(jì)不同換擋方案以適應(yīng)高低速換擋工況。

2)當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min換擋時(shí)，仿真數(shù)據(jù)相對誤差較大。這可能是因?yàn)椋旱退贀Q擋時(shí)，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低，工作相對不穩(wěn)定。在后期模型的修改中，可以通過增加修正系數(shù)的方法，縮小低速換擋時(shí)的仿真誤差。