汽车同步器开发技术研究现状及发展趋势分析

汽车同步器开发技术研究现状及发展趋势分析钱向阳上海汽车变速器有限公司，上海201800【摘要】汽车同步器是MT、AMT以及DCT等变速器的重要组成部分，在变速器换档过程中同步器工作是动态变化的。对于这种复杂的动态变化过程，目前国内外都已开展参数化的仿真分析研究。【ABSTRACT】THEVEHICLESYNCHRONIZERISANIMPORTANTPARTOFMT，AMTANDDCTTHEWORKINGOFTHESYNCHRONIZERISDYNAMICDURINGTHETRANSMISSIONSHIFTINGPARAMETRICSIMULATIONANDANALYSISOFTHISKINDOFCOMPLEXDYNAMICPROCESSHASBEENEAIEDOUTBOTHATHOMEANDABROAD【关键词】同步器变速器汽车发展趋势DOI103969JISSN10074554201512140引言同步器是保证汽车平顺换档及延长变速器使用寿命的重要部件，已在汽车手动变速器、机械式自动变速器以及双离合自动变速器中得到广泛应用。它的诞生，为汽车便捷换档、提高驾驶舒适性带来了质的改变，对改善汽车起步时的加速性和经济性起着重要的作用。同步器是汽车变速器总成的重要组成部分，是汽车中最为复杂的机械运动机构之一。由于其结构、运动过程复杂，具有工作状态瞬间转换的动态特性，难以应用物理样机试验的方法，直接获得对同步器性能和结构优化设计的指导性结论。在同步器理论研究尚不够成熟的阶段，同步器产品开发过程周期长、优化设计难度高、无法准确控制性能。同步器性能优化成为变速器产品开发的瓶颈。同步器开发技术的提升，对变速器整体自主研发能力形成和技术发展有着举足轻重的作用。收稿日期20150807561国外同步器研究现状自20世纪20年代起，同步器在国外一些汽车发达国家的变速器中得到应用；直到20世纪60年代后期，工程师们才通过探讨同步器工作过程，逐渐获得了相关同步理论的分析方法；在经历了各阶段同步理论研究后，同步器设计技术有了显著的进步。研究进展主要体现在6个方面。1同步工作过程初步分析。运用同步器基本理论，结合试验分析的方法，研究同步器工作过程中所需要的换档力和换档时问。在这个阶段，获得了同步器同步和锁止过程的简单力学表达式；能够运用简化的数学模型，分析同步器工作性能；开展减小换档力、缩短换档时间等一些满足汽车基本使用性能的研究；初步实现对同步器工作过程完整描述和锁止机构的轴向锁止功能定义。但是，这种基于简化数学模型的分析方法，无法直观地反应同步器零件参数在不同时刻对换档性能的影响。上海汽车2015122影响同步性能因素研究。从20世纪80年代初期到2O世纪末，人们依据技术积累，利用摩擦学和动力学理论，研究出摩擦材料及结构对同步过程换档性能的影响规律；使得同步器摩擦材料得到很大的发展，对同步器结构和加工方法有了进一步地认识，使可满足不同用途的同步器结构种类不断增多。3同步器换档过程中的运动特性研究。计算机技术的发展和数值仿真软件的诞生，为应用虚拟样机技术研究同步器换档特性提供了方便。印度EICHERMOTORLIMITED公司的研究者，率先开始借助于计算机数值仿真技术，建立同步器的数值仿真模型，以变速器中的换档机构、同步元件和被同步元件的运动特性为研究对象，分析了同步器在换档过程中的运动特性，得到同步器结构参数对换档性能的影响规律。德国的FEV公司，运用动力学仿真软件，建立了同步器性能仿真模型，初步探索了同步器性能动态仿真分析方法，为同步器参数优化设计奠定了坚实的研究基础。4同步啮合过程中相对运动和接触力动态仿真方法研究。人们习惯于将换档噪声和失效等问题归因于变速器系统的扭转振动、扭转冲击或是作用在同步器齿套上的换档力变化等因素。日本ET产柴油机公司的HIROAKIHOSHINO通过运用动力学仿真分析方法，对同步啮合过程进行动态仿真，得到同步与被同步元件运动和接触力瞬态变化规律，对同步器工作缺陷造成的换档噪声与失效问题做出了合理的解释，得出同步过程中的二次冲击也是产生换档噪声的重要原因之一的研究结论。5同步过程分阶段机理分析研究。由于无法用简单的数学模型，对同步器复杂的工作过程进行全面、细致地描述与分析，因此，简单数学模型分析不能实现针对性解决同步器结构设计问题。以法国学者LLOVAS和DPLAY等为代表的研究者，提出了根据同步器工作过程中各阶段的作用，将同步器工作过程分解为几个阶段，分别建立可描述各阶段运动及受力状况的数学模型，通过数值仿真研究，得到同步器各同步阶段最佳适应性设计参数的研究思路。上海汽车2015126优化设计方法研究。从20世纪末到21世纪初，日产的工程师们开始对同步器及换档系统进行优化及匹配设计研究。2002年在美国新奥尔良举行的国际机械工程会议上，MASSIMILIANOGOBBI等学者提出了一种以32个同步器设计参数为设计变量的多目标优化设计方法。2006年印度的TMMANOZKUMAR等学者，采用统计学仿真方法，针对同步器锥面设计参数，进行了同步器优化设计方法的研究。2012年印度的MANISHKUMARSHARMA和JINESHSAVLA，对变速器的换档机构进行了结构优化设计研究，达到了通过减少机构的惯量实现降低二次冲击峰值的目的。2国内研究现状国内的同步器技术研究起步较晚，优化设计的研究工作，起始于20世纪90年代。目前大部分研究工作也基本建立在对国外同步器技术的消化和吸收基础上。现阶段，大多生产企业仍处于以技术引进或在国外原设计的基础上，通过用修改局部参数的方法来满足变速器产品功能的需要。近年来，随着我国自主品牌的崛起、国内汽车产品结构向着多元化、个性化发展，技术升级换代节奏不断加快，激烈的市场竞争对变速器设计和制造能力提出了更高的要求。在降低开发成本、缩短开发周期、提高产品设计质量的市场竞争环境促进下，产品自主开发能力的培育与提高，受到国内各变速器生产企业和研究机构的高度重视，同步器技术研究有了显著进展。已开展的主要研究内容如下1以同步器设计理论为基础的优化设计方法研究。根据同步器结构与性能关系的经验模型，结合经典力学和摩擦力学理论，得到同步器静态特性分析方法；利用变速器和同步器台架试验与理论计算相结合的方法，实现了对同步器整体性能的试验评价；已明确材料和结构形式对同步器性能的影响作用。2借助于仿真分析方法，对同步器工作过程进行全面动态仿真分析评价。目前国内正在开展以虚拟样机技术为手段，借助于数值动态仿真软57件，获得同步器结构参数对同步器性能的影响规律及同步器性能评价方法。根据同步器各工作过程虚拟试验的结果，针对影响各同步过程性能的重要参数进行同步器结构优化，在实机试验结果的指导下，实现提高同步器性能的目标。上海汽车变速器有限公司从2012年开始，以公司现生产产品为研究对象，针对同步器换档时产生的二次冲击特性，开展动态仿真分析与结构参数优化研究，实现了对目标产品的性能提升。以重庆青山、上汽变速器、陕西法士特、大众变速器和一汽变速器、唐山爱信、格特拉格等为代表的汽车变速器生产企业，都在同步器性能研究方面进行了不同程度的研究工作。3参数化设计方法研究。现阶段，上汽变速器正借助于虚拟样机技术，开始进行同步器参数化设计方法的研究。目前已进行同步器换档过程运动状态，同步时间、各阶段冲击力、档位保持力的动态仿真分析；初步实现利用数值动态仿真模型进行参数化设计，在同步器参数化设计研究方面取得了实质性的进展，正在逐步形成同步器自主研发的能力。3技术发展趋势从提高同步器产品开发速度、降低开发成本的角度出发，面向同步器工作过程仿真分析的虚拟设计方法将是同步器设计开发技术发展的基本前提；对同步器工作过程仿真的可信度和对产品实际性能的预测能力，则是同步器虚拟设计研究的重要内容。根据对国内外近年来研究分析方法的了解，可将目前同步I生能分析归结为基于简化数学模型理论计算、基于不同工作阶段的数学建模与仿真和基于虚拟样机技术的建模与仿真3种方法。为实现对同步过程的完整评价，有学者提出了一种基于同步过程分阶段机理分析的虚拟样机仿真技术。单纯的仿真分析方法，可对同步器产品各参数优化起到了很好的指导作用，但是每改一个同58步器结构参数，都需要花费大量时间建立精确的同步器几何模型；存在参数优化匹配过程长、耗费精力大的不足。为全面缩短同步器产品的开发设计、改进周期，提升优化设计效率，需采用简化同步器设计参数优化过程，寻找无需事先精确建模的同步器参数化设计方法。分阶段模型的参数化仿真分析方法，容易实现同步器性能优化从改善换档力和换档时间等基本性能，发展到有效解决由预同步过程中的一次冲击和同步后期的二次冲击引起的噪声振动问题，对同步器结构的优化设计起到直接、准确的指导作用。这是同步器现代化设计的最终目标。时至目前，国际上仍没有任何一个研究机构和生产厂家宣称，已成功获得基于完整精确描述同步器运动过程的参数化模型并形成成熟的参数化分析方法。据国内外现有文献分析，国外许多变速器生产企业、高校和科研院所正在积极进行该项研究工作。参考文献1徐万里，赵巍，粟斌变速箱同步器的研究进展J机械传动，201281281322李晓春，褚超美，缪国汽车同步器换档二次冲击的动态仿真J汽车工程，2014123LIMVAS，DPAY，JMARIALIGETIETA1MECHANICALBEHAVIORSIMULATIONFORSYNCHROMESHMECHANISMIMPROVEMENTSJAUTOMOBILEENGINEERING，200669199454KSATOH，MSHINTANI，SAKAIANDKHIRAIWADEVELOPMENTOFANEWSYNCHRONIZERWITHTHELEVERMECHANISMJJSAEREV，2003，24193975HIROAKIHOSHINOSIMULATIONONSYNCHRONIZATIONMECHANISMOFTRANSMISSIONGEARBOXCINTERNATIONALADAMSUSERCONFERENEE，19986MASSIMILIANOG，GIANPIEROM，AUGUSTOD，ETA1ONTHEOPTIMISATIONOFADOUBLECONESYNC