（光学工程专业论文）微车同步器三维设计与运动分析.pdf

冬 ， 独创性声明 删洲f i i f j f i | y b l 。1 芍a l ，y a 7 n 4 i6 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：倘日期：知7 矿 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 研 导师( 签日期：厶7 r ；7 - ， 产 摘要 变速器是汽车传动系的重要组成部分，其工作特性关系到变速器本身乃至整 车性能的发挥，而同步器作为手动变速器的一个核心部件，它的运动学和动力学 特性直接影响变速器的性能。虚拟样机技术在系统动力学仿真中的成功应用不仅 可以提高仿真精度，而且可以缩短产品设计周期，对于工程实际具有重要的应用 价值。 本文以上汽通用五菱公司的s c 6 3 型变速器为研究对象，从多方面开展了基 于u g 三维建模软件和虚拟样机技术的同步器动力学仿真研究。建立了各档位同 步器零件的三维参数化实体模型，进行了同步器的运动学仿真。探讨了同步器中 同步环和结合齿圈的刚体动力学仿真的研究方法，对同步器工作过程的仿真方法 做了深入的研究，并利用数学计算软件m a t l a b 针对同步器主要参数进行了多 约束优化。本文主要内容如下： 首先探讨了理论条件下同步器设计参数的计算方法，分析了同步器工作过程 中同步性能和锁止性能的关键影响因素。利用u g 建立了同步器零件的三维实体 模型，并根据参数化建模理论对模型参数化设计提出了分析，接着采用自底向上 的方法对其进行装配建模。 利用u g 和a d a m s 的数据接口将同步器简化的仿真模型用p a r a s o l i d 格式 导入。利用试验和理论研究拟合所得的数据编制换挡力样条函数，并在此基础上 变换同步器其他参数。针对同步器的工作过程进行了基于多体动力学分析软件 m s c a d a m s 平台的仿真分析，寻求出影响换挡时间的主要因素。最后利用数 学计算软件m a t l a b 对同步时间进行了多约束优化分析，寻找出了一组最优解 来指导同步器的设计，并且提出了一种能够进行更深入研究的优化方法。 本文研究结果表明，建立同步器的虚拟样机模型可以得到比较准确的结果， 优化处理后的结果能够进一步反馈给设计改良的过程。更重要的是，在物理样机 制造出来之前就可以对同步器的工作过程进行仿真研究及设计改进。c a d 与 c a e 技术的有效结合完整地展示了复杂机构的运动学计算机仿真分析过程，对 于工程实际有直接的指导意义。 关键词：同步器，参数化，运动学仿真，多体动力学，优化设计； a b s t r a c t t r a n s m i s s i o ni sa ni m p o r t a n tc o n s t i t u e n to fv e h i c l et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，i t sw o r k c h a r a c t e r i s t i c sr e l a t e dt o t h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea n de v e nt h ev e h i c l e s y n c h r o n i z e ra sac o r ec o m p o n e n to fm a n u a lt r a n s m i s s i o n i t sm o t i o na n dd y n a m i c c h a r a c t e f i s t c sd i r e c ti m p a c to nt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e t h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yn o to n l yi m p r o v e ss i m u l a t i o nt e c h n i q u e sp r e c i s i o n ，b u ta l s o s a v e st h et i m e 、， t h ed i s s e r t a t i o ni sc o n d u c t e dw i t ht h er e s e a r c ho b je c to fm o d e ls c 6 3 t r a n s m i s s i o no fs g m w , a n dd e p l o y e df r o ms e v e r a la s p e c t sb a s e do nt h ep e r s p e c t i v e o fu ga n dt h es y n c h r o n i z e rd y n a m i c ss i m u l a t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y i t b u i l d sap h y s i c a lm o d e lo ft h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cd e s i g nf o rm es y n c h r o n i z e r s p a r ep a r t so fe a c hg e a ra n de x e r t sa nk i n e m a t i c ss i m u l a t i o n so nt h es y n c h r o n i z e r i t d i s c u s s e st h er e s e a r c hm e t h o d so fr i g i db o d yd y n a m i c a ls i m u l a t i o no fs y n c h r o n i z e r r i n g sa n dm e s h i n gc i r c l e si n t h es y n c h r o n i z e r , s i m u l t a n e o u s l yd e e p e n s t h er e s e a r c ho n t h ew o r k i n gp r o c e s so ft h es y n c h r o n i z e r , m e a n w h i l eo p t i m i z e st h es y n c h r o n i z e rm a i n p a r a m e t e r so fm u l t i p l ec o n s t r a i n t s a n dt h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yc o n t a i n s ： r e s e a r c ho nt h ec o m p u t i n gm e t h o do fs y n c h r o n i z e rd e s i g np a r a m e t e r sw i t h i nt h e t h e o r e t i c a lc o n d i t i o n s p r o b i n gi n t ot h ek e yf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e sp e r f o r m a n c e so f s y n c h r o n i z a t i o na n dl o c k - u pd u r i n gt h ew o r kp r o c e s so fs y n c h r o n i z e r b u i l d i n g a t h r e e d i m e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e lf o rt h es y n c h r o n i z e rw i t hu g , a n di n i t i a t e ss o m e s o l u t i o n sf o r 也ep a r a m e t r i cd e s i g na c c o r d i n gt op a r a m e t e r i z e dm o d e l i n gt h e o r y c o n s e q u e n t l y , i tc o n t r i v e sa l la s s e m b l y m o d e l i n go nt h es y n c h r o n i z e rb y t h em e a n so f b o t t o m - u pm e t h o d t h es i m p l i f i c a t i o ns i m u l a t i o nm o d e lb u i l di nu gw i l li m p o r tt oa d a m sb yt h e p a r a s o l i df o r m a t ，a n dt h r o u g hd a t ai n t e r f a c eb e t w e e nt h e m u s i n gt h ed a t af i r e d f r o m e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d y , c o m p i l et h es p l i n e f u n c t i o na n dc h a n g eo t h e r p a r a m e t e r so fs y n c h r o n i z e rt os i m u l a t et h ep r o c e s s i nt h em s c a d a m se n v i r o n m e n t i n t h es y n c h r o n i z e rp a r a m e t e r st o s i m u l a t et h ep r o c e s s ，f i n dm a i nf a c t o r so f s y n c h r o n o u st i m e f i n a l l y , u s et h em a t h e m a t i c a ls o f t w a r em a t l a b t oa n a l y s i st h e s y n c h r o n i z a t i o nt i m eb ym u l t i c o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o n a n dt h e n t of r e do u tas e to f o p t i m a ls o l u t i o n st og u i d et h ed e s i g no fs y n c h r o n i z e r , e v e np r e s e n t sa m o r ei n d e p t h i i ， r e s e a r c hm e t h o dt oo p t i m i z e t h i st h e s i si n d i c a t e st h a tb u i l d i n gs i m u l a t i o nm o d e lo ft h es y n c h r o n i z e rc a n g a i n r e l a t i v ee x a c tr e s u l t ，t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sc a r lb ef u r t h e ri m p r o v e df e e d b a c kt ot h e d e s i g np r o c e s s m o r ei m p o r t a n tt h a tw ec a ns i m u l a t et h ep r o c e s si nt h es y n c h r o n i z i n g p r o c e s sb e f o r ep h y s i c a lp r o t o t y p e sh a v eb e e nm a d e b yc o m b i n e dt e c h n o l o g yo fc a d a n dc a e ，k i n e m a t i c ss i m u l a t i o na n a l y z eo fc o m p l e xm a c h i n ei sp e r f e c t l ys e to u ta n d i th a sd i r e c ti n s t r u c t i o n a lm e a n i n gf o re n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：s y n c h r o n i z e r ，p a r a m e t e r i z a t i o n ，m o t i o ns i m u l a t i o n ，m u l t i - b o d y d y n a m i c s ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ； i i i ， 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 同步器概况1 ， 1 2 1 同步器的结构形式2 1 2 2 同步器的基本性能要求3 1 3 同步器研究概况4 1 3 1 国外情况4 1 3 2 国内情况。4 1 4 本研究的课题背景、意义、内容和目标5 1 4 1 本研究的课题背景和意义：5 1 4 2 本课题的研究内容6 1 4 3 本课题的研究目标6 第2 章同步器的性能分析与设计：7 2 1 惯性同步器7 2 2 同步器参数分析9 2 2 1 同步器的同步过程的数学模拟9 2 2 2 同步器同步过程的参数计算1 2 2 3 同步器参数对性能的影响。1 9 2 3 1 换档冲量对于同步性能影响1 9 2 3 2 锁止角对于锁止性能的影响2 0 2 3 3 其他因素的影响2 1 2 4 同步器的设计。2 2 2 5 本章小结j 2 4 第3 章同步器三维模型建立2 5 3 1 三维设计软件的选择2 5 3 2 参数化的模型设计2 5 3 3 参数化模型设计的方法2 6 3 4 同步器零件模型的建立2 7 3 4 1 啮合齿座花键模型的建立方法2 8 3 4 2 啮合齿座的外花键齿模型的建立2 9 3 4 3 同步环模型的建立3 1 l v ， 3 4 4 同步器三维实体造型的难点分析：3 2 3 5 其它关键件的三维实体造型和整体装配3 3 3 6 本章小结o 3 5 第4 章同步器模型工作仿真3 6 4 1a d 砧s 软件的应用3 6 4 2 同步器仿真模型的建立3 6 4 3 同步器同步过程仿真3 8 4 4 同步过程的仿真分析4 2 4 4 1 摩擦锥面锥角的变化4 2 4 4 2 摩擦系数的变化4 4 4 4 3 换挡力的变化4 5 4 5 结果优化4 6 4 5 1 设计变量4 6 4 5 2 目标函数4 7 4 5 3 约束条件：4 7 4 5 4 优化程序的设计4 8 4 6 本章小结5 0 第5 章结论与展望5l 5 1 结论_ 5 l 5 2 工作展望5 2 参考文献j 5 3 致谢。j 5 6 v ， 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 自从上个世纪汽车诞生以来，汽车工业已经走过了风风雨雨的一个多世纪。 在这期间，汽车工业飞速发展，不但直接带动了世界经济的发展，更造就了很多 汽车工业的巨头。汽车虽然诞生在欧洲，但是美国依靠优越的资源和自然条件以 及宽松的政策，又利用欧洲遭受第一次世界大战破坏的时机，使汽车工业迅速崛 起，并且超过了欧洲。日本汽车工业在第二次世界大战前规模较小，但在2 0 世 纪6 0 、7 0 年代，依靠引进国外先进技术和科学的经营管理方法，使汽车工业迅 猛发展，后来居上，先后逐个超过意大利、英国、法国、德国等一些老牌的汽车 工业国家。而对于我国，从上个世纪中期开始历经了五十多年的艰辛发展，不断 采取从国外引进先进技术和在国内与外资合作等方发，在技术上已经有了长足提 高、在产能上也国际领先。可以说汽车产业逐渐成为了我国工业生产中的核心产 业和带动整个国民经济发展的支柱产业。 随着一百多年前e m i l el e v a s s o r 成功研制了世界上第一款三挡变速器，各种 形式的变速器伴随着汽车工业的发展一起经历了这一个多世纪的考验，机械式手 动变速器( m t ) 和自动变速器( a m t ) 是当今运用最为广泛的车辆变速器。在 世界范围内，特别是一些发达国家，自动变速器占据了几乎九成的乘用车市场和 3 0 以上的商用车市场：而对我国来说汽车工业起步较晚，大部分依然采用机械 式手动变速器。而对一些诸如长途运输车这样需要速比范围大、档位多、传动效 率高的重型车来说，采用机械式手动变速器才能达到其性能要求。故针对我国国 情，汽车行业采用的机械式手动变速器应该会在将来一段时间内占据变速器使用 率的前列。因此，对用于机械式手动变速器的研究与发展，必须给与更多关注【i j 。 而同步器作为其重要零部件，无论是在重型车或是微型车上因为其特殊的功能， 为了满足各种需求也必须获得相应的重视。 1 2 同步器概况 在早先的汽车行驶过程中，变速器在换挡时其中的齿轮需要沿着轴向运动与 需要变换速度的齿轮直接接触啮合，这时结合的两个齿轮都是在旋转过程中的， 而且它们具有的线速度也是不一样的，于是会造成很大的换挡冲击直接导致噪声 甚至是齿轮的损坏，这是早期齿轮失效的成因。在当时这种情况的改善不是通过 机械方面解决的，而是通过要求驾驶员采用两脚离合器的换档操作【2 1 。到了2 0 。 1 少 ， 武汉理工大学硕士学位论文 世纪3 0 年代，同步器的成功研制使得这种需要驾驶员用两脚换挡来解决的问题 得到很大的缓解。同步器基本都包含了一对摩擦面，使得靠齿轮问的直接冲击来 同步速度的方式改变为靠摩擦面之间的摩擦来实现速度同步。避免了在不同转速 时齿轮完成啮合过程中产生的冲击，提高了换档舒适性【3 j 。同步器的出现使得靠 双脚完成的工作可以通过手动操纵换挡机构来完成，与此同时则希望靠手来完成 的换挡力能够比较小，而同步过程的时间比较短，因此同步性能是同步器的最基 本性能【4 】。 在国内外大量的研究和实验中得到这样一个数据，采用同步器型变速器的汽 车相比早期未采用同步器的汽车可以平均节油2 ；而且在不同的道路环境下， 特别是极端路况和交通状况复杂的行驶过程中，换挡次数非常频繁，采用了同步 器的汽车可以非常显著的提高安全性能和舒适性能【5 j 。 1 2 1 同步器的结构形式 同步器通常分为常压式和惯性式两类。 ， 常压式同步器有锥形和片式两种。但它是一种早期开发的同步器。特点是结 构简单，而且不能保证被啮合件在同步状态( 即角速度相等) 下实现换档。也就 是常压式同步器不能从根本上解决换档时的啮合冲击i 口- j 题t 6 ，所以这种同步器目 前已被淘汰。 惯性式同步器分为：滑块式同步器( b o r g w a n e r ) 、锁销式同步器( p i n 型) 、 多锥式同步器( s m i t h ) 和锁环式如v o l v o z f 同步器，还有自动增力式同步器 ( p o r s c h e ) 以及短程式同步器和开尾销式同步器等。 滑块式同步器是目前在小客车和轻型汽车上用得极为广泛的一种同步器。在 中型载货汽车上也有采用。这种同步器结构紧凑、尺寸较小，弹簧的稳定性能好， 使用可靠，制造工艺性好。但是，锥面的平均摩擦半径受到其尺寸的限制不能太 大，而齿轮尺寸大，故有较大的转动惯量，同步时间稍长。同时，由于滑块式同 步器的滑转时间长，也增加了同步环锥面的磨损。 锁环式同步器是现在应用最广泛的一种惯性锁止式同步器。同步器锥面问同 步力作用在锁止斜面上会产生一个同步力矩，而通过传递过来作用在锁止斜面上 产生一个拨正力矩，当同步力矩大于拨正力矩，齿套不能继续移动，避免了不同 步啮合的换挡冲击：而当啮合齿轮的转速差变小，也就是同步环和结合齿锥面间 的摩擦力减小，产生的同步力矩逐渐消失，同时啮合部分也在这一过程中趋于同 步，这时候齿套依然可以在同步力的作用下将同步环拨正一个角度，使得齿套能 够穿越同步环和结合齿啮合，成与接合齿的啮合。锁环式同步器轴向尺寸较小， 多用于中、重型卡车变速器中1 7 j 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 锁销式同步器也是一种惯性锁止式同步器，它与锁环式同步器的主要区别在 于结构的不同。锁销式同步器的摩擦锥面往往比较大是因为它的锁止斜面在锁销 和与之配合的齿套内的锁销孔上。这样会使得它的同步力矩提高很多，但轴向尺 寸的过大使得它多用于中、重型卡车变速器博j 。 多锥式同步器的锁止面仍在同步环的接合齿上，只是在原有的两个锥面之间 再插入两个辅助同步锥。由于锥表面的有效摩擦面积成倍地增加，同步转矩( 在 同步器摩擦锥面上产生的摩擦力矩) 也相应增加，因而具有较大的转矩容量和低 热负荷。这不但改善了同步效能，增加了可靠性，而且使换挡力大为减小。若保 持换挡力不变，则可缩短同步时间。多锥式同步器多用于重型货车的主、副变速 器以及分动器中【9 j 。 1 2 2 同步器的基本性能要求 同步器是变速重要的组成零件，它的各方面性能要求是比较高的，除了传统 机械系统零件的强度刚度等性能要求之外，同步器最基本的性能还包括同步性能 和锁止性能，因此在设计和制造过程中，除了达到产品的工艺性、经济性之外这 两项性能的保障是最为重要的。 同步器的同步性能的评价主要是依靠换挡冲量来判断的，换挡冲量越小，同 步性能越好。而换挡冲量则与同步时间和换挡力有密切关系，换挡力是操作者施 加给同步器的，往往不太好控制而且值也不恒定，所以通过设计对同步器同步时 间的模拟计算是一个同步器设计的关键，直接影响到同步性能的好坏。 同步器的基本功用是避免产生或减小换档冲击，这就需要同步器能够在换挡 过程中通过一些特殊的结构来完成。现如今大多数同步器是通过惯性锁止来达到 目的的，在换挡开始时利用需要啮合的齿轮的转速差，以此形成的惯性力矩阻止 同步器啮合齿套的轴向位移，防止不同步啮合。当同步完成后，惯性力矩消失， 齿套可以继续轴向移动而完成换档【l o 1 1 】。这也就规定了同步器的使用寿命是必须 保持锁止元件的不失效。 要保持锁止元件的有效性就是要保持同步环摩擦面的摩擦效果，当同步环摩 擦锥面大量磨损后，摩擦力矩会下降，会同时导致同步性能和锁止性能的降低， 使其达不到同步器的基本要求，造成同步器失效。所以对同步环的材料和结构研 究是解决和估计同步器寿命的核心。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 同步器研究概况 1 3 1 国外情况 国外的变速器制造商针对不同类型的同步器纷纷进行了修改和创新，他们利 用自身强大的科研和制造水平研发了许多独有的同步器技术，制造出一批具有良 好性能的变速器。 美国e a t o n 公司的f u l l e r 变速器具有双中间轴型式的特殊结构，虽然在 早期不采用同步器结构，但是随着变速器技术的发展并且因为重型商用车对于舒 适安全的追求转变，该公司研发了同步器型变速器，换挡效果好、寿命长【j 2 1 。 而该公司新研制的自增力式同步器的是在锁销式同步器基础上加入的这种新的 结构使得换挡过程更加轻便灵敏。 德国z f 公司是世界上最大的机械手动变速器生产厂家，在早先生产有结合 套型和同步器型变速器。但是随着汽车技术的发展，特别是变速器技术的日益成 熟，该公司现今针对重型商用车市场的e c o m i d 和e c o s p l i t 系列变速器均采 用有同步器的。z f 同步器以锁环式为主，有z f b 型同步器、z f b k 型短行程 同步器和z f d 型双锥面式同步器，其采用钢基喷钼同步环，具有稳定的摩擦性 能【1 3 】。该公司的z f - d 型双锥面式同步器是采用了新结构的双锥面，能够得到更 大的同步力矩，从而其同步性能也是很优秀的，故占据了很大的市场份额。 其他诸如v o l v o 、s c a n i a 、b e n z 等变速器生产厂家，其变速器也全部 是同步器型结构，并且都采用了具有更高同步性能的双锥面结构来提高其自身产 品的换挡性能 日本协和合金株式会社是同步器齿环的专业化生产厂家，1 9 6 1 年成功开发 出铜齿环的精密锻造生产工艺，其铜齿环的生产规模和技术水平较高，在国际上 处于领先地位。该公司1 9 8 7 年开发了双锥面同步器，产品得到了较快的发展， 在汽车机械式变速箱应用愈来愈广泛，该公司在1 9 9 6 年又开发成功了杠杆式同 步器，1 9 9 9 年开始供日本三菱汽车公司使用，2 0 0 1 年开始供韩国现代汽车公司 用。从2 0 0 0 年协和合金的产品销售额来看，铜齿环占1 8 ，双锥面同步器已达 3 6 ，杠杆式同步器占1 ，由此可见，双锥面同步器的发展和应用始十分快速 的，由于杠杆式同步器刚刚开发成功，为此应用尚不普及，但由于其具体结构简 单，同时可实现同步容量的较大增加，相信今后的应用会愈来愈广泛【l 引。 1 3 2 国内情况 国内重型变速器技术多源于美国、德国、日本几个国家【1 5 1 。因此，可以这 么认为，国内的同步器研究基本是靠引进国外技术并加以模拟然后才慢慢发展起 4 武汉理工大学硕士学位论文 来的。其中陕西法士特齿轮有限公司在成立早期引进美国e a t o n 公司的 f u l l e r 系列变速器，但该系列变速器是早期产品没有使用同步器，后来为了适 应技术发展，公司自主研发了同步器型变速器并一举占领了重型商用车市场需求 的8 5 。与美国e a t o n 公司合资生产s y n c h r o 9 系列全同步器型变速器采用 了先进的自增力式，提高了同步力矩增加了可靠性1 1 6 1 。但是由于国内在材料工 艺和技术上支持不够，同步器所需要的非金属摩擦材料无法在国内生产需要进 口，这就造成了成本的增高，不太利于市场开发。 在同步器结构的发展上，目前已有天津天海汽车同步器厂开发研制出用于 9 t 载重车变速器的二、三档双锥面锁环式同步器，通过了台架试验，取得了良 好的效果。 山西大同齿轮集团有限公司依靠引进的日本m p s 6 2 b 型和m p t 2 1 b 型变速 器开发出具有自主知识产权的d c 7 j 1 2 0 t 、d c 9 j 1 3 5 t 和d c l 2 j 1 5 0 t 系列变速器， 其中d c 7 j 1 2 0 t 采用的为锁销和锁环式同步器；d c 9 j 1 3 5 t 和d c l 2 j 1 5 0 t 系列则 较为复杂，在高档位和低档位分别采用单锥面和多锥面的同步器设计，并且采用 了钢基树脂作为同步环的摩擦材料提高了摩擦效率降低了成本u 。 东方齿轮有限公司和德国h o e r b i g e r 公司进行技术合作，以此为基础开 发生产出一些双锥面式同步器，并取得了市场认可。 尽管国内厂商在同步器的结构研制上已取得一定的突破，但是由于国内在材 料工艺上还存在不足，致使该同步器的摩擦材料无法国产化，同时也为了能够在 性能上满足同步器的需求，核心零件必须进口，产能受到了很大的制约。 国内汽车变速器中同步环的材料多以铜基合金为主，自“七五”改革开放后， 随着z f 、日野、桑塔纳等变速器的引进，国外采用的一种提高同步器齿环耐磨 性和寿命的齿环喷钼工艺也开始应用于国内变速器的生产中【l 引。除此之外，随 着对同步器性能要求的提高，现国外同步环采用新型摩擦材料的愈来愈多。 1 4 本研究的课题背景、意义、内容和目标 1 4 1 本研究的课题背景和意义 现代社会在对汽车乘坐舒适性，操作便捷性的要求越来越高，但是国内生产 的变速器往往在一些台架试验和道路试验中表现不佳，同时根据大量试验用户反 馈的信息中来看，这些缺陷大多集中在换挡的困难、变速器使用寿命偏短、使用 稳定性不高几个方面。和国外的一些同类型变速器产品比较来看造成这些原因的 一个重要因素是同步器的缺陷。当然不否认这些原因还包括制造工艺上的和变速 器其它部件设计装配上的不足，但同步器的设计水平才是问题的核心，现有的一 5 武汉理工大学硕士学位论文 些设计缺乏规范和国内一些制造水平不符，直接导致了一些同步器不能满足应有 的性能要求。 为了从根本上改变同步器的性能，设计开发一种新型的同步器或是改良原有 的同步器设计标准是很有必要的。在当今社会企业间竞争越来越激烈，企业的生 存发展在很大程度上依靠技术上的革新，而由于目前在全国范围内以变速器设计 和优化为目的三维设计平台还不曾见到。基于此目的，本课题通过和上汽通用五 菱公司合作，以上汽通用五菱汽车变速器有限公司生产的s c 6 3 手动变速器为蓝 本，尝试建立一套变速器三维设计的软件平台，通过参数化设计平台能够节约产 品设计周期、提高设计效率。而同时同步器的三维设计和运动优化分析属于其中 很重要的一个环节，值得做深入研究。因此，设立本课题进行微车同步器三维设 计与运动分析，对上汽通用五菱汽车有限公司同步器产品的开发、制造和管理有 着比较大的意义。 1 4 2 本课题的研究内容 ( 1 ) 对同步器设计参数进行分析，找出能够满足实际需求的参数设计方法； ( 2 ) 利用三维软件u g 建立汽车同步器实体模型，以便更直观来了解同步 器工作运动原理，并建立参数化设计方案使同步器设计系列化； ( 3 ) 建立相应的数学模型并运用运动学分析软件a d a m s 仿真同步器工作 运动过程，得到后续优化需要的参数； ( 4 ) 通过仿真结果，对同步器的锥环进行优化设计，使其适应前后齿轮惯 量、转速差，以及换档力和同步时间的需要。使新设计的同步器满足换档时拟合 力、同步时间的要求。 1 4 3 本课题的研究目标 以整个变速器设计为依托，主要解决以下关键问题： ( 1 ) 研究同步器相关参数在实际设计中的影响； ( 2 ) 研究同步器参数化设计方法； ( 3 ) 在a d a m s 下建立能够反映实际工作的同步器运动模型，进行运动仿真 分析，并针对结果优化。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章同步器的性能分析与设计 2 1 惯性同步器 目前应用最为广泛的同步器是惯性式同步器。它利用摩擦原理实现同步的， 可以从结构上保证待啮合的接合套与接合齿轮的花键齿在达到同步之前不可能 接触，可以避免齿间冲击和噪音。其它的常见同步器还有常压式、自行增力式等 多种类型。 惯性式同步器又包括几种类型，例如锁环式惯性同步器、滑块式惯性同步器、 锁销式惯性同步器等【1 9 1 。但是在微车上应用极为广泛的是锁环式惯性同步器， 下面我们就详细介绍此同步器。 在图2 1 中【1 9 】我们以某款五、六档同步器为例可以看到，通过同步器啮合齿 座即花键毂1 0 的内花键与轴上的外花键将同步器与变速器连在一起，当轴转动 时，同步器也会跟着转动，并且同步器可以在轴上做轴向运动。在同步器啮合套 7 内的花键毂两端分别有两个锁环，也即同步环4 和8 。同步环上有花键齿圈， 并且它的齿廓和齿数等参数都与两个齿圈3 和9 相同。齿环通过其内花键又与被 同步齿轮的外体相链接，这样就能通过同步环与同步锥毂的摩差使被同步齿轮转 速与同步器相同。 1 一第一轴2 一滚针轴承3 六档接合齿圈4 、8 锁环5 一同步器滑块 6 一定位销7 一结合套9 一五档接合齿圈l o 花键毂l l 一缺口1 2 一定位凹槽 1 3 第二轴 图2 1 锁环式惯性同步器结构图1 1 9 j 7 武汉理工大学硕士学位论文 在花键毂的圆周方向会有均匀分布的三个槽，而三个滑块5 和弹簧分别装在 槽中部和孔内，滑块可以做轴向滑动，滑块的作用是起到定位的作用，它在弹簧 力的作用下会把啮合套7 定位在空档位置，从而也保证了变速器在空档的位置。 在锁环4 和8 上的花齿健，都有一对与啮合套7 向对应的倒角，我们也称之 为锁止角，这个角的作用是当啮合套受到轴向推力时与，它的齿端倒角与锁止角 便相接触，这时如果锁止角或者锁止角度过月、，那么待同步齿轮和同步器转速还 并未达到同步时，啮合套便会进入，这样就失去了同步器原本的作用。同步器的 关键就在于锁环，它具有一个内锥面，这个锥面的锥度与齿圈的表面锥度是一样 的。并且在内锥面上还有细牙的螺旋槽，它的作用是当两个锥面接触工作后能破 坏油膜，增加摩擦力，缩短同步时间。 下面以变速器由五档挂入六档为例，介绍该同步器的工作过程。在图2 2 中， 若想要从五档挂入六档，首先给拨叉一个轴向力，通过滑块的作用使结合套与五 档齿轮分离，并自动回到“空档”的位置，如图2 2a 中。这时轴向的推力使得 锁环继续向六挡齿轮的方向移动，这时的齿圈与齿环的转速并不相同，我们记齿 圈转速为n l ，锁环转速为1 1 2 ，有n l n 2 。这时的锁环与齿圈都在与自己所连接的 运动件的惯性作用下运动，但是当两个锥面相接触后，便产生了摩擦力矩。齿圈 3 通过摩擦作用带动锁环相对于结合套超前转过一个角度，直到锁环的凸起部与 花键毂1 0 通槽的另一端相接触，锁环与啮合套同步转动，如图2 2b 中的所示： 此时锁环的齿较锁环的突起部2 位于花键毂的通槽r 中央时错开了半个齿厚，所 以啮合套齿端倒角与锁环相应的齿端倒角正好相互抵住，此刻接合套不能进入。 但是此刻换挡并没有完成，我们需要啮合套继续前进才行，由于驾驶员始终对接 合套施加一个轴向力，这使得接合套齿端紧压锁环齿端倒角。而由于轴向力带来 在锁止面上的法向力f ，使得有两个分力f l 、f 2 的产生，而正是f 2 这个分力使 得锁环相对于接合套向后转，这才使得接合套能继续想前推进，我们也称力f 2 为拔环力矩。当接合套继续前进后轴向力使得摩擦锥面压力更大，从而使得齿圈 和锁环的转速逐渐接近与同步，但是此时还并未真正的同步，只有驾驶员继续加 力于接合套上，摩擦作用使得齿圈和锁环的转速完全相同时，二者同步旋转。但 是由于受到切向力f 2 的影响，拔环力矩使得锁环两桶齿圈3 及其相连部件都相 对于接合套向后退转了一个角度，这时接合套才能完全不受阻碍进入，此时如图 2 2d 中所示。 锁环式同步器有很多自己独有的优点，首先，它的轴向尺寸很小，轴向尺寸 缩小就等于直接缩小了变速器的尺寸长度。其次，锁环式惯性同步器有很大的同 8 武汉理工大学硕士学位论文 a f i t f 2 f 1k 圹一 一 b cd ， 图2 2 锁环式惯性同步器同步过程示意图( 图注同图2 1 ) 步容量，摩擦锥面的半径大小影响着同步容量的大小，然而锁环式惯性同步器有 很大的同步器大端摩擦直径，所以有很大的同步容量。 2 2 同步器参数分析 2 2 1 同步器的同步过程的数学模拟 普通的齿轮变速器，从一个传动比换到另一个传动比传动时，由于换挡时的 啮合对齿轮或其它部件的线速度不同，直接啮合会产生换挡冲击，这种冲击往往 容易造成噪音和齿轮的损坏。早期是用两脚离合器换档操作法来改善这一状况， 有些地方现在还在延用，其情形如图2 - 3 2 0 】所示。图中国表示要实现新传动比而 进行啮合的从动齿轮b 的角速度。b 连接着行驶汽车的当量转动惯量以。因为 9 武汉理工大学硕士学位论文 的值较大，所以以，在短促的换档过程中可以认为是不变的。0 3 是要啮合的主动 齿轮a 的角速度。a 连接着到离合器从动片之间各转动零件的当量转动惯量以。 以的值较小，在换档过程中鳞有迅速变小的趋势。两脚离合器换档操作法能够 消除换档冲击的原因是：在换档时，由驾驶员操纵加速踏板来提高或减低曲轴转 速纪，并利用曲轴转速织，通过离合器来改变眈，使纹与要同它进行啮合吼大 体相等时，再使齿轮a 和啮合。这就是说，两脚离合器换档操作法是用发动机为 手段以改变啡，使之与皑，相等的一种操作方法。 图2 - 3 两脚离合换挡器的做法示意刚2 0 1 - 同步器的作用和两脚离合器换档操作法的作用是一样的，即把红变得等于 戤，时再行啮合，以消除啮合时的冲击。但它不是以发动机为手段，而是直接以正 为手段，通过一对摩擦锥面a 和b ( 见图2 4 ) 把以合到以上，让以迫使吐加速 或减速，直到它和皑，相等，然后再实现同步啮合。同步器换档的示意图如图2 4 所示( 啮合部分未示出) 。 r 弋 y | m o 乡磐， 输 11 一一一一一户一一j ) 【一一一 一 一一一一1 一一一- 一一 么c 么。 。 - - j 。 3 。 图2 - 4同步器换档示意图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 由于同步器的实际工作过程是一个比较复杂的动力变换过程，要做到精确模 拟计算是比较困难的，因为实际中存在许多不可控量，所以在同步器的设计研制 过程中，应该在满足必要的设计精度情况下简化同步过程模型，这样可以来保证 计算公式的实用和简洁。根据这个原则，对同步器的工作过程进行如下简化【2 1 1 ： 1 在同步器的实际使工作过程中，由于同步环和结合锥面间的相对速度是变 化的，由相对静止状态达到另一个相对静止状态，所以摩擦系数不是一个固定的 值，先后会经过静摩擦和动摩擦阶段，因此同步器的同步力矩m 。也是变化的。 但是这种因素对于我们在理论计算时的影响不是很大而且有比较难以确定，在这 里可以将其忽略不计。于是在同步器理论计算中可以假定在整个同步过程中m 保持不变。 2 在换挡过程中的汽车阻力矩m ，这些阻力矩包括了车轮的滚动阻力、道 路的坡度阻力、风阻和汽车自身的机械阻力等等，但是同步过程往往是非常短的 在不到1 秒的时间内我们往往认为汽车速度是不变的，在理论计算时可忽略旭 的影响。 3 因为同步时间往往是比较短的，在同步瞬间的速度可以看作是不变的。即 变速器输出端速度恒定，仅输入端速度产生变化。 4 变速器输入端阻力矩必忽略不计。输入端的阻力矩主要是转动阻力产生 的，而这个转动阻力跟润滑油的性能有直接关系，油温的高低、油面的完整程度 都会产生影响，而这种影响很难通过理论获得，而且作用时间很短的情况下润滑 油的性能不足以产生很大的差距，因此在实际的计算中忽略必的影响。 按照上述方法来建立的同步过程模型，如图2 5 图2 - 5 同步器工作简化示意图【2 1 】 假设哆不变，摩擦力矩心克服输入端零件的惯性力矩等而改变哆，直 到角速度q 和同步。 这一关系，可以根据动量矩定理列出下列方程【2 0 】： 武汉理工大学硕士学位论文 以詈一m s = 0 式中以一同步器输入端零件的转动惯量 q 一同步器输入端的角速度 t 一同步时间 - m s 一同步器工作面上的摩擦力矩 此动力学方