汽车同步器换挡性能仿真研究

第1期汽齿科技2015正汽车同步器换挡性能仿真研究李晓春，黄敏江摘要借助ADAMS软件建立仿真模型，以换挡力、当量转动惯量与材料动摩擦系数为设计变量，研究同步器换挡性能。从齿套位移、接合齿圈角速度变化、齿套加速度及换挡二次冲击等方面研究同步器换挡过程，分析了各设计变量对同步时间及换挡二次冲击的影响规律。研究表明，减小同步时间易引起较大的二次冲击峰值，各设计变量最优值均须综合同步时间与二次冲击的影响进行选取。关键词同步器；换挡性能；换挡冲击；ADAMS；动态仿真汽车同步器是汽车手动变速器和机械式自动变速器主要换挡部件，其性能好坏直接影响变速器总成的换挡性能。目前同步器换挡性能主要通过台架进行换挡试验和耐久试验验证的方式来分析，试验周期长，设备、场地费用高。而同步器结构复杂，换挡过程又在极短时间内完成，同步器的工作过程难以通过台架试验来研究。若仅通过理论分析来研究，则不能直观地反映同步器各个设计参数对同步器性能的影响规律，对于同步器换挡二次冲击等现象也难以完全通过数学模型来分析。因此，应用动力学仿真软件ADVIS建立虚拟样机来研究惯性式同步器的换挡过程，通过动态仿真来分析换挡力、机构转动惯量及摩擦材料动摩擦系数等主要设计参数对同步器性能与换挡二次冲击的影响规律，为设计阶段提供参考，缩短开发周期，节省研发成本。1同步器工作原理同步器是将作用在换挡手柄或换挡执行机构的作用力经过一系列机构装置传至拨叉，由拨叉推动同步器齿套，齿套再推动锁环，使锁环锥面与接合齿圈锥面接触而产生摩擦功，最终使同步器输出端与输入端角速度差降为零而完成同步。文中对某型锁环式单锥面同步器三档升四档过程进行动态仿真分析。惯性式同步器的换挡过程主要通过齿套、锁环和接合齿圈三者的位置关系来分析，如图1，整个换挡过程主要经过五个阶段I2J预同步阶段、同步锁止阶段、解锁阶段、自由滑行阶段和啮合阶段。换挡时，齿套受到拨叉的轴向推力，齿套带动钢球和滑块一起从初始位置开始轴向运动，之后滑块前端面与锁环突耳接触，推动锁环与接合齿圈的摩擦锥面接触，在轴向力作用下产生摩擦力矩，使锁环快速转过半个齿宽，完成预同步，如图1A所示；当量换挡力使齿套快速滑移，接合齿锁止面与锁环接合齿锁止面接触，进入同步锁止阶段，如图1B所示，摩擦力矩大于作用在锁止面上的拨环力矩，锁环阻挡齿套使其不能继续轴向移动；随后逐渐变小，齿套与锁环角速度差逐渐减小，当小于等于时，齿套在轴向力作用下拨开锁环，整个拨环过程为解锁阶段，如图1C所示，直至两部件的锁止面脱离接触，即虚线所示；拨环后齿套不再受锁16汽齿科技2015Z3CN_。_IRSIN。CT1一吉30。毛一式中为手柄换挡力转换成同步器齿套上的当量轴向力，5L0N；，2。为换挡时发动机转速，3000RMIN；R。为单锥面平均工作半径，335INNL；CD为锥面间摩擦因数，008；为锥面半锥角，65。；，R为被同步端当量转动惯量，4457KGMM；I3和五分别为3、4挡的传动比。由式1求得理论同步时间约为00285S，误差约为32，仿真过程符合同步器实际工作情况，模型可接受。依据同步器工作原理按照图1中五个阶段将换挡过程进行划分，如图3中I预同步阶段、II锁止阶段、III解锁阶段、IV自由滑行阶段与V啮合阶段。帽是一锁环角J墓度蒌孥仙士；_J；IL；一II；矗I1。VLII图3I司步器换挡过程与换挡冲击仿真结果开始换挡时，齿套由初始位置逐渐移动至31TLLN附近，完成预同步过程；在预同步结束的瞬间，齿套与锁环的接合齿锁止面接触碰撞，称为换挡阻滞即“一次冲击”，可采取增加换挡杆柔性来减弱该冲击的影响；锁止后齿套质心位置保持不变，直至接合齿圈、锁环与齿套角速度相同，即同步锁止阶段；同步完成后，同步器齿套与锁环开始解锁，齿套开始轴向移动，解锁后齿套迅速自由滑行，齿套质心位置到达7INII1附近时，齿套与接合齿圈的锁止面接触碰撞，产生较大的尖峰负荷，即二次冲击；由于此时同步器输入端与输出端角速度差很小，所以齿套可以拨开接合齿圈继续轴向移动，直至最终完成换挡。二次冲击具有随机性，与驾驶员换挡习惯、同步器结构设计及其加工质量等因素密切相关，难以预测换档时出现的峰值力的大小。文中假设换挡过程中出现二次冲击，并采用单一变量仿真对比的方法从二次冲击峰值、齿套位移、接合齿圈角速度及齿套轴向加速度等方面逐一研究设计条件对同步器换挡特性的影响规律。3同步器设计条件对换挡性能的影响31换挡力的影响评价换挡性能的最重要的指标之一是换挡力【4】，在换挡过程中对换挡手柄施加的换档力在50100NJ。将手柄换挡力作为设计变量，分别取值50N、75N和100N对模型进行设计研究仿真，则换算至齿套上的当量轴向换挡力分别为255N、3825N和510N。将其他参数设定后保持不变，改变换挡力得到的二次冲击峰值、齿套位移的变化、接合齿圈角速度的变化以及齿套轴向加速度变化的仿真结果如图4所示。改变换挡力得同步器换挡二次冲击峰值仿真结果如图4A所示，二次冲击峰值随换挡力的增加而增大，峰值出现的时刻也随之提前；齿套质心位置随时间的变化曲线如图4B1所示，换O987654321O一删悭一一一5437L18汽齿科技2015年啮合阶段曲线所示；图4C中无符号虚线为齿套的角速度曲线，实线分别为不同换挡力下接合齿圈角速度随时间的变化曲线，从换挡开始到锁止阶段结束，接合齿圈角速度逐渐减小，与齿套角速度曲线的第一个交点对应的时刻即为不同换挡力所对应的各个同步结束时刻，换挡力越大，同步时间越短；图4D为仿真得到的换挡力对齿套轴向运动加速度的影响曲线，换挡力越大，二次冲击瞬间齿套的加速度越大。换挡力大，转换到齿套上的当量力必然较大，会导致锁环与接合齿圈的卡滞，对比接合齿圈角速度曲线可知，解锁结束瞬间齿套与接合齿圈产生的新角速度差越大；且二次冲击瞬间齿套的加速度越大，造成齿套与接合齿圈的接触力较大，而接触力的轴向分力即为二次冲击，在啮合阶段的拨环过程二次冲击峰值就会越大。32转动惯量的影响同步器输出端与整车质量相连，在仿真过程中假设输出端的转动惯量不变，研究改变输入端的转动惯量对同步器换挡特性的影响规律。计算得输入端的当量转动惯量为4457KGMM。换挡力取100N，其他设计参数不变，以输入端的当量转动惯量为设计变量，分别取3457KGMM2、4457KGMM和5457KGM】I1Z来研究转动惯量变化对同步器换挡特性的影响，得到的仿真结果如图5所示。转动惯量对二次冲击峰值的影响如图5A所示。增大转动惯量，二次冲击峰值会有所减小，二次冲击峰值出现的时刻会随之延迟；齿套质心位置随时间的变化曲线如图5B所示，增大转动惯量会延长锁止阶段，即增加同步时间；图5C为不同转动惯量下接合齿圈角速度随时间的变化曲线，齿套角速度在整个换挡过程中其数值几乎不变，对比各同步结束时刻可知增大转动惯量，同步时间增大，但卡滞现象会减弱，对比解锁结束瞬间齿套与接合齿圈产生的新角速度差可知，增大转动惯量，产生的新角速度差会减小，在啮合阶段的拨环过程二次冲击峰值就会越小；转动惯量对齿套轴向运动加速度的影响曲线如图5D所示，对比不同转动惯量下二次冲击瞬间齿套的加速度值可知，增大输入端转动惯量，二次冲击瞬间齿套的加速度会减小，从而使齿套与接合齿圈的接触力变小，所以会产生较小的二次冲击峰值。分析啮合阶段的曲线可知，当转动惯量减小到一定值时，同步时间会减短，但啮合阶段拨环未必比大转动惯量时易实现，反而使换挡完成时间变长，如图中实线JC3457所示；增加换挡系统的转动惯量有利于储存换挡过程中的能量，从而减小二次冲击峰值，同时也会减轻换挡手柄感受到的二次冲击强度L6J，但同时会增加同步时间，如果要实现短时间内的换挡，则需要更大的换挡力，影响驾驶员操作舒适性。33锥面动摩擦系数的影响常用摩擦材料的静摩擦系数为01至012】，动摩擦系数为006至01，而由碳纤维摩擦材料制成的摩擦材料动摩擦系数可高达012,013。保持其它设计参数不变，分别以008、010和012的锥面动摩擦系数为设计变量进行仿真，得到摩擦系数对同步器性能的影响如图6所不。二次冲击峰值随仿真时间的变化曲线，如图6A所示，为010时二次冲击峰值最小，增大或减小都会使二次冲击峰值变大，二次冲击峰值出现的时刻会随动摩擦系数增大而提前；齿套质心位置随时间的变化曲线如图6FB所示，增大动摩擦系数，会使换挡更迅速，锁止阶段就越短，同步时间及整个换挡时间均减小；图6C中实线分别为不同动摩擦系数下接合齿圈角速度随时间的变化曲线，动摩擦系数越大，同步时间越短，对于目标同步器而言，动摩擦系第1期李晓春，等汽车同步器换挡性能仿真研究2L数取010时曲线卡滞结束时的新角速度差差值最小，因而产生的二次冲击峰值就小，增大或减小动摩擦系数都会加大二次冲击峰值；齿套轴向运动加速度曲线如图6D1所示，对比不同动摩擦系数下二次冲击瞬间齿套的加速度值可知，动摩擦系数为010时二次冲击瞬间齿套的加速度较小，产生较小的二次冲击峰值。增大锥面动摩擦系数能够增大摩擦力矩，改善摩擦状况，缩短同步时间，加快换挡过程。通过对比分析各仿真曲线可知，二次冲击峰值与动摩擦系数间为非线性关系，过大或过小同样会产生较大的二次冲击峰值使换挡不顺畅，因此应根据同步器其他设计参数适当选择摩擦材料。4结论通过虚拟样机仿真，分析同步器工作过程，得到了换挡力、转动惯量及摩擦副动摩擦系数等参数对同步器时间及换挡二次冲击的影响规律。1增大换挡力可缩短同步时间，提高换挡平顺性，但会引起较大的二次冲击换挡力过小则会使换挡不平顺。21增大转动惯量会延长同步时间，但利于减小二次冲击峰值；如要缩短同步时间则需较大的换挡力，影响换挡舒适性。减小转动惯量，同步时间会缩短，但可能会使换挡过程不平顺而产生较大的二次冲击。3使用较大动摩擦系数的材料能显著提高同步容量，缩短同步时间，加快换挡过程。材料动摩擦系数对二次冲击峰值的影响成非线性关系，应根据设计目标适当选择摩擦材料。参考文献【1HIROAKIHOSHINOANALYSISONSYNCHRONIZATIONMECHANISMOFTRANSMISSIONC】SAEPAPER1999010734，20092】李晓春，褚超美，缪国汽车同步器换挡二次冲击的动态仿真J汽车工程，20141214981502【3】王望予汽车设计【M北京机械工业出版社，20034】崔新涛基于虚拟样机技术的变速器动力学仿真研究【D】天津天津大学，20045】MANISHKUMARSHARMA，JINESHSAVLASHIFTSYSTEMINERTIAMA