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a m t 换档执行机构装配质量控制及评价 摘要 随着重型车辆的发展，机械式自动变速器( a m t ) 由于其制造成本低、结 构简单而逐渐受到各变速器及汽车厂家的重视。变速器作为车辆传动系的主要 部件，需要借助于换档执行机构来完成换档。换档执行机构的类型包括滑动齿 轮、啮合套、同步器、换档离合器和自由轮，其中同步器是汽车变速器中广泛 使用的执行元件。本文在借鉴国内外同步器性能试验台的应用成果和参考国内 外专业书籍文献的基础上，对同步器的结构和工作原理进行了较为详细的分析， 建立了换档接合过程数学模型，提出了同步器装配质量的评价指标，并在同步 器性能试验台上进行了验证。 为了建立通用的换档接合过程数学模型，采用现代设计方法学的方法，通 过分析同步器的功能元件来分析同步器的结构，找出了关键的结构参数和重要 的装配尺寸。建立的数学模型包含了同步力矩和时间、换档力和时间的关系， 还给出了同步条件和防抱死条件，并解释了产生“同步中断 现象的原因。 全面给出了同步器装配质量的评价指标。理想的同步过程为既省力而又迅 速的，即换档力和换档时间的乘积越小越好，因此利用换档冲量来评价同步器 是合理的。本文还对换档冲量的计算方法进行了探讨，并编写了部分计算程序。 最终的试验结果表明，该评价系统的结果和主观评价结果一致性较好，可以对 a m t 换档执行机构的装配质量进行较为准确的评价。 关键词：a m t ；同步器；换档力；装配质量；评价系统；换档品质 c o n t r o la n de v a l u a t i o no na s s e m b l yq u a l i t yo f a m ts h i f ta e t u a t o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh e a v y d u t yv e h i c l e s ，a l lt r a n s m i s s i o na n da u t o m o t i v e m a n u f a c t u r e r sp a ya t t e n t i o nt oa u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( a m t ) ，b e c a u s e o fi t sl o wm a n u f a c t u r i n gc o s t ，s i m p l es t r u c t u r e b u ta st h em a i nv e h i c l ep o w e r t r a i n c o m p o n e n t ，t h et r a n s m i s s i o nn e e d st h eh e l po fs h i f ta c t u a t o rt oc o m p l e t et h eg e a r s h i f t s h i f ta c t u a t o rh a sf i v ed i f i e r e n tt y p e s ，s u c ha ss l i d i n gg e a r s ，g e a rs e t s ， s y n c h r o n i z e r ，g e a rc l u t c ha n df r e ew h e e l a n dt h es y n c h r o n i z e ri sw i d e l yu s e di n a u t o m o t i v et r a n s m i s s i o n b a s e do nt h er e f e r e n c e o ft h e a p p l i c a t i o n r e s u l t so f s y n c h r o n i z e rp e r f o r m a n c et e s t b e d sa n db o o k sa n dl i t e r a t u r e a th o m ea n da b r o a d ， t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e da n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e s y n c h r o n i z e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep r o c e s s o fs h i f t i n ge n g a g e m e n t ， s e v e r a le v a l u a t i o ni n d e xo fs y n c h r o n i z e ra s s e m b l yq u a l i t yw h i c hi sv a l i d a t e do nt h e s y n c h r o n i z e rp e r f o r m a n c et e s t - b e d i no r d e rt oe s t a b l i s hac o m m o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep r o c e s so fs h i f t i n g e n g a g e m e n t ，w i t hm o d e r nd e s i g nm e t h o d o l o g yp o i n to f v i e w ，t h ep a p e ra n a l y z e st h e s v n c h r o n i z e rs t r u c t u r ea c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o n ，f i n d st h ek e ys t r u c t u r a l p a r a m e t e r s a n d i m p o r t a n ta s s e m b l y d i m e n s i o n s t h em o d e li n c l u d e st h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h es y n c h r o n o u st o r q u ea n dt i m e ，t h es h i f tf o r c ea n d t i m e t h em o d e la l s og i v e st h es y n c h r o n i z a t i o nc o n d i t i o na n da n t i - l o c kc o n d i t i o n ，a n d e x p l a i n st h e “s y n c h r o n i z ei n t e r r u p t ” t h ep a p e rg i v e sc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r so ft h ea s s e m b l yq u a l i t y o fs y n c h r o n i z e r t h ei d e a ls h i f t i n gp r o c e s si sl a b o r s a v i n ga n dq u i c k ，t h a ti s ，t h e s m a l l e ro ft h ep r o d u c to ft h es h i f tt i m ea n dt h e s h i f tf o r c e ，t h eb e t t e r s o ，i t s r e a s o n a b l et oe v a l u a t ew i t hs h i f ti m p u l s e t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h ec a l c u l a t i o n m e t h o do fs h i f ti m p u l s ea n dp r o g r a m ss o m eo ft h ec o m p u t e rc o d e t h ef i n a lt e s t s h o w st h a tt h er e s u l t so ft h ee v a l u a t i o ns y s t e ma r ec o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t so ft h e s u b je c t i v ee v a l u a t i o n a n dt h ee v a l u a t i o ns y s t e mc a n h a v ea na c c u r a t ee v a l u a t eo n t h ea s s e m b l yq u a l i t yo fa m ts h i f ta c t u a t o r k e y w o r d s ：a m t ；s y n c h r o n i z e r ；s h i f tf o r c e ；a s s e m b l yq u a l i t y ；e v a l u a t i o ns y s t e m ； s h i f tq u a l i t y i i 插图清单 图1 1r i c a r d o 公司的操纵性评估软件d a r t 5 图1 2a v l 公司的平顺性评价软件a v l d r i v e 5 图1 3 国内某公司的同步器性能检测软件6 图2 1 变速器类型9 图2 2 变速器结构组成( 按功能分) 1 0 图2 3 换档执行机构的类型和发展1 0 图2 4 同步器换档开始阶段1 2 图2 5 同步器换档同步阶段1 2 图2 6 同步器换档脱锁阶段1 3 图2 7 同步器换档接合阶段1 3 图2 8 同步器传力路线图1 5 图2 9 锥形同步器结构简图1 5 图2 1 0 锁销式同步器结构简图1 6 图2 1 1 自动增力锁止1 6 图2 1 2 同步器装配尺寸1 8 图3 1 换档过程同步器系统简图1 9 图3 2 圆锥摩擦力矩作用图2 3 图3 3 换位力矩作用图2 3 图3 4 接合套同步环分离受力图2 5 图4 1 典型换档力示意图2 7 图4 2 接合套进入啮合齿引起的阻力2 8 图4 3 碰撞系数k 和碰撞主观感觉间关系曲线3 1 图4 4 修改碰撞系数k 后的换档力对比曲线图3 2 图4 5 碰撞系数墨和换档杆柔性间关系曲线3 2 图4 6 换档力和换档行程关系曲线3 2 图4 7 啮合齿进入阻力特性3 3 图4 8 换档杆柔性和二次尖峰负荷间关系曲线3 3 图4 9 换档冲量示意图3 6 图4 10 估算法示意图3 7 图4 1 1 梯形法示意图3 8 图4 1 2 抛物线法计算图3 8 图5 1 同步器装配质量评价通用程序流程图4 2 图5 2 同步器性能试验台架结构组成4 4 图5 3 同步器性能试验台架测控系统4 4 v l 图5 4 某一个变速器换档力曲线截图4 5 图5 5 不同变速器的n 一3 换档力曲线4 7 v i i 表格清单 表1 1 换档机构装配质量主观评价打分标准2 表1 2a m t 与其他变速器的各项性能指标对比7 表5 1 变速器主要零件参数4 3 表5 2 同步器计算参数4 3 表5 3 部分试验数据计算结果列表4 6 表5 4 三个产品的换档数据统计分析4 8 表5 5 主观评价和客观评价对比4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 金 月曼王些太堂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 示谢意。 学位论文作者签名： 称肇 j 签字日期：2 口o 年牛月t 歹目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些态堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权金g 墨工业太堂可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：张哮 签字日期：2 一p 年月2 弓日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师林巨广研究员的悉心指导下完成的。本文从论文选题到试验 研究，一直到论文的撰写过程，都得到了导师的精心指导和全力帮助。林老师 渊博的学识、严谨的态度和忘我工作的精神，使我深受教益，铭记在心。在此， 对林老师在学业上的指导表示崇高的敬意，对林老师在工作及生活上的关心和 帮助表示衷心的感谢! 本文的研究工作得以完成离不开谢峰教授和任永强副教授的悉心指导。在 论文的每个环节上都凝铸着两位老师的心血，他们高标准严要求的治学思想以 及对学生的深切关怀和爱护使我终生难忘，他们在专业领域上刻苦钻研和务实 求真的科学作风和科研品质，将时刻鞭策着我今后的工作学习。 感谢刘波工程师、俞琦工程师多年来对我在工作和生活上提供的帮助，论 文的开展也得到了他们精心的指导；感谢合肥工业大学汽车装备工程技术研究 所的王淑旺老师、陈筵欣老师、丁苏赤老师、何元祥老师以及巨一自动化装备 有限公司的代明工程师、周玉柱工程师、李海波工程师，他们在专业上给了我 巨大的帮助，他们那一丝不苟的工作精神、任劳任怨的工作态度和脚踏实地的 工作作风都是我今后学习的榜样。 感谢研究所的蔡高坡、连传庆、黄振辉等师兄给予了亲情般的关爱；感谢 苏晓峰、王桂周、汤东华、孙绘琴、郑大维、沈磊跃、陈清红、施成攀等同学 兄弟姐妹般的情意；感谢舍友赵拂晓、葛敬，伴我度过了3 年的研究生生活。 我要特别感谢我的父母，正是他们的支持和鼓励我才能顺利完成学业。 最后，感谢评阅论文和出席硕士论文答辩委员会的诸位专家、教授在百忙 中给予的悉心指导! 同时也对曾给予我帮助和关心我的老师、同学和朋友们表 示衷心的感谢! 作者：徐峰 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 近年来，随着重型车辆的快速发展以及车辆的高速化、大型化的发展趋势， 变速器换档力大、司机疲劳强度高已越来越受到各变速器厂商的高度重视。除 了大力开发新型变速器结构，普遍应用同步器进行换档外，各厂商和研究机构 也开发了各种质量评价指标和测试台架系统，希望能对变速器的装配质量进行 有效控制，从而提升产品质量。 与其他形式变速器相比，机械式自动变速器( a m t ) 的制造成本要低很多， 且结构简单，性能强大，方便大规模生产。但是，作为a m t 系统中的重要组成 部分，换档执行机构目前存在以下问题：换档动作不准确，机构可靠性差等， 在换档时存在冲击、打齿现象，甚至发生掉档。 1 1 论文研究的背景 1 1 1 概念的延拓 传统的换档执行机构装配质量定义为换档过程中车辆的换档平顺性。随着 国内外汽车工业的发展和汽车性能的提高，有关换档的研究内容越来越多，同 时人们对换档机构的要求越来越精细。这就使得单一的整车换档平顺性概念已 经无法满足换档执行机构研究的要求。全面提高换档质量，全面研究换档执行 机构装配质量评价问题，换档质量的内容就需要重新进行定义。 综合各方面的研究，现代意义的换档质量可以被定义为换档过程对车辆及 零部件性能影响程度的标准，包括换档执行机构级、变速器总成级和整车级。 因此，如何有效控制换档执行机构的装配质量成为切实提高换档质量的主要问 题。本文研究的主要内容包括：由于传动比改变引起的换档冲击指标；换档力 指标；同步时间指标，以及根据若干相应指标评价机构的装配质量，从而有效 控制产品质量。 1 1 2 传统评价方法 在一条多产品柔性变速器装配线上，通常会在下线工位前设立产品检测工 位，用于检测变速器的装配质量，借助于简单的设备和以往的经验，检测人员 可以对变速器做出评价。 传统的换档质量评价方法主要通过检测人员的主观感受对变速器进行打 分，再采用统计分析的方法得到换档机构的评价，即是采用主观评价的方法。 表1 1 就是通常换档质量评价锁采用的打分标准。评价人员根据换档的感受填 写装配质量和修改意见，其中，9 级以上为品质级，性能优良；7 8 级为商品 级，说明可以被消费者接受；6 级以下为次品级，通常会被返修。 表1 1 换档机构装配质量主观评价打分标准 等级 l234567891 0 主观 极差很差差 个口j 不满可接 满意好很好 优秀 评价接受 意 受 质量 次品级商品级品质级 等级 不具仅具主要部分 存在 部分装配设计行业 备任备少元件元件严重 意见 干扰 人员人员专家完美 何功量功都有有问干扰 能能问题题 现象 现象接受接受接受 主观的方法提供了换档质量评价的一种重要途径。但是，主观评价由于受 到装配人员的个人习惯，心理因素甚至身体因素等诸多方面的影响，往往存在 着较大的随机性。因此，传统的评价方法选用三个与整车换档平顺性相关的客 观指标对换档质量进行评价，包括冲击度，换档时间和滑摩功【l 】【2 1 。 冲击度( j ) ：冲击度为车辆纵向加速度的变化率。通过冲击度这一指标， 可以把道路条件弹跳和颠簸引起的加速度影响排除在外，从而可以真实地反映 换档冲击对乘员感受的影响。定义如下： ，：娑：一r , 一d 2 c o ；o r ：上垡亟 盟 ( 1 - 1 ) d l | kd l zk l w d l 式中：f 0 ，一一驱动桥主传动比和车轮滚动半径o 0 9 0 r ，t o r 一一变速器输出轴角速度与转矩。 乃一一车轮上的牵引转矩； l一一与变速器输出轴相联的惯量。 换档时间( 如) ：换档时间是车辆换档质量的重要经济指标，在换档时间 内引起的功率中断造成了车辆的速度下降，从而直接影响车辆的动力性。同时， 在换档时间内引发的加速度变化会影响车辆的舒适性。一般来说： 屯= f l + ，2 + f 3 + ( 1 - 2 ) 式中：，l 一一换档开始时，离合器分离及发动机减少供油时间； 厶一一换置空档时间： 一一挂新档时间； 乙一一结合离合器与增加发动机供油时间。 比滑磨功( ) ：比滑磨功是指滑磨功0 与摩擦面积足之比， 表示： o l 一，之 毛= 如疋= 【i t c ( t ) t o c ( t ) d t + l 乏( f ) ( 吃( f ) 一c o , ( t ) ) d t f c 6| ：i 式中：乏( ，)一一结合时摩擦力矩变化曲线； c o , ( t ) ，眈( f ) 一一变速器第一轴角速度和发动机的角速度。 一般比滑磨功是用来评价同步器的使用寿命，比滑摩功越小， 2 可以用下式 ( 1 3 ) 摩擦造成的 温升越小，则寿命越长。但是，过低的比滑磨功会引起冲击度的升高。对于a m t 来说，二者的矛盾可采用综合控制的方法来协调解决。 目前为止，关于换档的主观评价和客观评价是分别进行的，并且评价的结 果分别提供给用户，作为参考。通常主观的评价结果集中于主观感受考察，而 客观评价结果集中于考察车辆的换档平顺性。这就使得换档质量的研究局限于 车辆整体换档平顺性的范围，无法在变速器装配前期就进行准确的评价。而毋 庸置疑的是换档执行机构装配质量的好坏，对变速器的换档有决定性的作用。 因此，换档执行机构装配质量评价研究的一个重要任务是：利用现有的研究成 果，研究变速器装配阶段的换档平顺性，并建立评价指标，从而有效控制变速 器装配质量。 另一方面，传统评价的研究方法也为进一步研究提供具体的研究思路：即 首先制定控制目标，以目标最优为原则，通过控制指标影响因素分析，提取控 制参数和控制变量、研究它们之间的控制关系，制定控制策略，对控制结果进 行评价，然后再重新修正控制策略使之达到最佳p j 。 1 1 3 现代评价方法 针对换档质量涵盖的内容，如何研究确定既能够真实反映各指标优劣又容 易测得的工况参量，并明确其各自的物理意义，是评价体系研究面临的首要问 题。鉴于各指标间相互关系的复杂性，分析各自影响因素和相互间的关系，是 建立综合评价体系的基础。另外由于换档是个动态过程，在不同工况下对各指 标要求不尽相同，研究不同工况下对各指标的要求，确定不同工况下各指标的权 值分配方案，建立能够全面、真实反映换档品质的动态综合评价系统是换档品 质评价体系研究的目标。 1 2 论文研究的意义 从新产品的发展角度来说，性能试验是试验一个产品或零部件能不能达到 设计要求的工作性能，也就是说能不能按照既定的工作参数指标来进行工作。 变速器作为汽车传动系中的一个关键总成，对其产品结构和零部件的性能、寿 命等进行测试和分析，为产品设计与质量评价提供可靠的科学依据，缩短产品 的开发周期和提高产品质量，具有十分重要的意义。 2 0 0 6 年4 月，美国福特汽车公司的部分车型变速器出现问题，导致七家组 装厂停单。2 0 1 0 年2 月，日本丰田汽车公司的部分车型由于油门踏板的踏板臂 和摩擦杆的滑动面在低温暖风条件下会发生结露，造成踏板卡滞，引发了全球 范围的汽车召回事件，直接损失达数十亿美元。因此，在工厂的生产过程中， 能对变速器做负荷、换档等各种性能试验，可及时发现产品的缺陷，对保证零 部件厂、整车厂的经济效益与声誉至关重要。 3 完善的换档执行机构评价体系是换档综合控制的理论依据，是有效提高换 档品质的有效保证。另外，换档品质作为变速器综合性能评判的关键指标，这 方面的研究成果也将是制定产品检验标准和试验方法的理论依据，并且对于系 统总体设计具有指导意义。因此，研究意义主要表现在： ( 1 ) 技术发展的需要。长期以来，对换档机构的评价主要是通过传统的主 观评价方法进行评价。随着现代控制理论，先进的电子和网络技术的飞速发展， 为建立一套完整的换档执行机构评价体系提供了技术上的支持。 ( 2 ) 市场的需要。到目前为止，各个汽车厂家和相关企业均有各自不同的 评价方法且公布的很少，因此没有一个统一的客观合理的换档机构评价标准。 然而，换档品质量化评价指标很多，这些指标与人的主观评价标准之间的 关系相当复杂，同时其影响因素也难以确定，它们相互间的一致性、独立性和 矛盾性关系决定了进行换档品质评价并不是一件容易的事。本文以a m t 为研 究对象，着力分析其换档执行机构部分，建立接合过程的数学模型，找出可以 评价换档装配质量的指标，搭建起与评价等级标准之间的联系，并对可能影响 各种指标的结构参数进行分析。 1 3 国内外发展状况 1 3 1 评价方法方面 a m t 换档品质的评价因素众多而繁杂，并与个人的主观感觉有关，迄今为 止尚没有统一的评价标准和方法。长期以来，随着汽车工业的分工明确，许多 整车厂已经不生产变速器，改为从专业的变速器生产产家购买，这也造成了技 术上的垄断，而且由于国内外汽车工业发展水平的落差大，导致了国内产家在 变速器装配质量检测上的认识不足。 国外由于对同步器研究较早，目前主要致力于新型变速器的研制开发，同 步器方面则主要着眼于开发新型同步器结构、摩擦材料和结构工艺。在换档平 顺性和操纵性的评价方面开发了各自的评价系统，取得了一定的研究成果。例 如r i c a r d o 公司的评估软件d a r t ，a v l 公司的d r i v e t m ，v o l v o 公司的专家 系统等。 r i c a r d o 公司所提供的软件d a r t ( d r i v e a b i l i t ya n a l y s i sa n dr a t i n gt 0 0 1 ) 功 能主要的针对操纵性，利用s c x i 和p c i 硬件与l a b v i e w 软件采集得到变速器 的实时数据( 如起步响应、起动平顺性、怠速稳定性、怠速时的振动与噪声、换 档、空档时的响应等) ，对变速器的换档性能和操纵性给予评价，在最新的软件 功能扩展中还考虑了排放的影响【4 】。该系统主要根据获取的加速度曲线给出怠 速，加速，减速时的评价等级，如图1 1 ： 4 圈i 一1r i e a r d o 公刊的搛纵性评估软什d a r t a v l - d r i v e 用于整车换档平顺性测试，该系统采用神经网络的评价方法， 采用二百多个评价指标，利用采集的一百多个数据，作为神经网络的输入向量： 神经网络的输出向量为平顺性评价等级：采用高通滤波和快速傅立叶变换分析 加速度信号。其中典型的指标有：纵向加速度、冲击度、换档时间、发动机转 速、变速器输入轴转速、车速、踏板位置、节气门丌度、温度、档位等。a v l d r i v e 工具功能强大，不仅可以评估汽车行驶的平顺性，还可以评估燃油经济性、排 放。经过验证客观评价与主观评价误差在5 以内”i 。如图1 2 ： f 旺i 三 至e 蛭 附1 2a v l 公司的平顺性评价软件a v l d r i v e 而国内各汽车及变速器生产厂家，很多还处在仿制仿造阶段，缺乏独立设 计自主开发能力，即使引进了先进的装配线，技术也没有消化完全。在装配质 量检测方面，采取的是主观评价的方法，准确性差。当然，现在国内一些汽车 装各公司也和汽车厂合作开发专用的性能检测台架，图1 - 3 为苏州某公司开发 器曷器器罟蛊器器墨露鐾露譬瑟盛譬虽耋型 露露匿露雪露霉譬 的同步器测试系统川： 劐i il - 型“。$ r 幽。) 型 匿l - 3 国内某公司的同步器性能检测软件 通过对比分析，第一个系统主要是对变速器总成的换档平顺性和可操作性 进行评价，第二个系统是对整车换档平顺性评价，第三个系统是对同步器进行 性能检测，评价部分则没有。可见，国内目前对如何有效评价变速器换档执行 机构的装配质量的研究进展缓慢，而国外已经有成熟的产品。另外换档品质 评价不应只针对换档平顺性进行评价，换档时间、换档时引起的噪声、换档对 传动系部件使用寿命的影响等因素都应给以全面考虑，因此设计和开发一个换 档品质客观的动态综合评价系统是必要的。 132 评价指标方而 在评价指标方面，主要集中于整车平顺性领域的研究。但作为变速器性能 的体现，对变速器总成换档平顺性也具有一定的参考价值。目前国内外专家、 学者做了大量的研究工作，一致认为换梢过程车辆纵向加速度变化率( 冲击度) 是整车换档平顺性的晟客观的评价指标。为解决评价指标量化要求清华大学 王会义博士等基于人体生理学对反映换档平顺性的冲击度进行了理论分析和实 验研究。文中定义了持续加速度和瞬时加速度，并采用评价等级( 1 - - 4 ) 来评 价，给出了这两类加速度和评价等级之间的联系。给出了经验公式： a , v = o0 0 4 h p j 2 + r m s j ，其中a j v 为可以接受的加速度，h p j 为峰值加速度，r m s j 为加速度均方根，00 0 4 经验指数这样的a j v 与主观评价等级一致性较好【”。 由于不同评价指标之间可能存在矛盾，如对于a m t 来说。如果过分追求 换档平顺就要以牺牲离合器的磨损为代价反之亦然。为解决这一矛盾吉林 大学葛安林教授提出了换档品质模糊综台评判方法，即根据换档动力性、经济 性需要，应用模糊理论建立两指标间的权值分配原则，对换档品质进行综合评 价【8 】【9 】。这些成果为深化换档品质评价体系的研究奠定了基础，同时也探索出 一种可行的研究方法。 国外对换档时出现的s h u n t 和s h u f f l e 也有相关研究。s h u n t 是由于节气门 迅速开大引起短暂冲击的现象，此时加速度会有一个较大的峰值。随后加速度 产生的低频振荡称为s h u f f l e ，这一现象在低档位时容易出现。针对这两个现象 运用v d v 方法来评价。v i b r a t i o nd o s ev a l u e 由mjg r i f f i n g 提出。 厂一 v d v = 2 a 4 ( t ) d t ，其中a ( t ) 为通过带宽1 1 5 h z 滤波处理过的加速度信号。结 yq i 果表明，v d v 的值能够在某种程度上来描述人的主观感觉，v d v 的值越小表 明主观评价等级越高。缺点是公式中出现了加速度的四次方，会影响评价等级 的准确性【i o 】。 目前，国内外关于换档品质各指标的客观评定等级标准没有权威提议的标 准。 1 4 论文的主要内容 表1 2a m t 与其他变速器的各项性能指标对比 类别6 速a m t 6 速d c t6 速a t c v t 燃油经济性 + + o 成本 + + o 价格 + + + 供应商投资( 亚洲和美洲) 0 04-+0 供应商投资( 欧洲) 4 - +0 重量尺寸 + + + + 起步性能 - + + + + 传递扭矩能力 + + + + 换档品质一 + + 热容能力 一十+ 反应速度 +4-0 0 安全性 + 技术难度 + + + + 电控机械式自动变速器( a u t o m a t e dm a n u a lt r a n s m i s s i o n ) 是在传统手动机 械变速器和干式摩擦离合器的基础上，加上电子控制执行机构，来实现自动换 档操作和离合器的分离接合操作。a m t 自动变速器在换档时，会产生换档冲击、 动力中断等现象，与其它形式的变速器相比，换档品质较差，如表1 2 所示1 1 】。 7 本文将以a m t 为研究对象，具体研究换档执行机构部分，论文的主要目 标是找出其装配质量影响因素及可实现的评价方法。具体内容按章节介绍如下： ( 1 ) 第一章介绍换档执行机构装配质量研究开展的背景是由于换档质量 的内涵发生变化，导致了评价体系的变化；介绍了论文进行的意义以及在评价 方法和评价指标方面国内外发展状况，对比分析了国内的落差，为论文主体内 容的开展奠定基础； ( 2 ) 第二章先介绍了换档执行机构的功能定位和类型，再将研究对象具体 化，主要针对同步器这种最典型的换档执行机构；接着介绍同步器工作原理， 并从功能需求的角度出发对同步器进行结构分析，最后整理出主要的结构参数 和装配尺寸； ( 3 ) 第三章对同步器换档接合过程进行分析，建立换档过程的同步器通用 数学模型，将同步器系统各参数转换至变速器输入输出端，用此模型推导出的 公式能明确地反映出换档执行机构的装配质量，可以确定相应的评价指标； ( 4 ) 第四章以前文介绍的内容为基础分析评价方法；对国内外文献加以分 析和总结，给出了同步器评价体系，并将其分成3 个层次：同步器单体层，变 速器总成层和整车层；接着介绍指标的具体计算和实现方法，为后续研究的开 展奠定基础； ( 5 ) 第五章介绍了试验的过程，包括试验的流程、试验设备及对象和试验 内容，对采集的换档力数据进行分析计算，最后和主观评价体系进行对比； ( 6 ) 第六章全文总结并提出工作展望。 本课题的研究属于性能检测和质量控制方面，论文不仅系统介绍了换档执 行机构，而且提出了其评价方法。该方法符合国内汽车厂家和变速器厂家的需 求，并且具有很强的应用性。对推动我国民族汽车装备行业的发展有重要的意 义。 8 第二章a m t 换档执行机构同步器分析 为了提高评价体系的可靠度，量化评价指标，对换档执行机构的核心元件 进行结构分析是很有必要的。在换档技术的发展过程中，出现了多种结构不同 的换档执行机构类型。同步器作为最主要的换档执行机构也有多种不同结构， 但是从功能组件的角度来分析，它们的结构组成是相似的，数学模型也是一样 的。因此为了建立通用的数学模型，需要获取关键的结构设计参数。 2 1a m t 换档执行机构的发展 2 1 1a m t 简介 a m t 全称为a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，即电控机械式自动变速 器，是在干式离合器和齿轮变速器基础上加装微机控制的自动变速系统。它能 根据车速、油门、驾驶员命令等参数，自动确定档位，控制原来由驾驶员人工 完成的离合器分离与接合、换档手柄的摘档与挂档以及发动机的油门开度的同 步调节等操作，最终实现换档过程的操纵自动化f l2 1 。 与常用的a t 相比，a m t 具有成本低、易于制造、传动效率高、结构紧凑、 工作可靠及操纵方便等优点。受限于a m t 结构形式，在各类汽车上，与a t 相 比，a m t 的劣势也比较明显。a m t 为切断动力换档，在起步和换档过程中不 能很好地缓和冲击与振动，换档冲击较大。同时，a m t 在换档速度上劣于a t ， 平顺性一般，不利于起步和换档品质的提高，在一定程度上影响了驾驶舒适性。 因此，作为a m t 厂家，努力提高a m t 换档执行机构装配质量，从而有效改善 换档品质，对a m t 在中国汽车业的发展具有至关重要的作用。 2 1 2 换档执行机构类型 伴随着汽车的发展，作为车辆传动系 主要部件的变速器同样经历了一个多世 纪的发展历程，历史上出现过各种不同的 变速器。根据分类原则的不同变速器类型 很多 t l ，如图2 1 所示。虽然各种类型变 速器的结构都不尽相同，也比较复杂，但 根据其功能可分成两大部分，如图2 2 所 示。其中，对于特定的某种变速器( 如 a m t ) 而言，换档执行机构特指同步器 或啮合套。当然也有将变速又、变速叉轴 厂按机械传动分 荐签蓍萎萎速器 if 手动控制 l 按控制方式分 电液控制 变速器 【液压控制 分类、1 按变速类型分 妻曩妻差 j 按变速类型分1 呈磊盒等 lf 人工换挡 按操纵方式分 动力换挡 咱动换挡 图2 1 变速器类型 等划分为换档执行机构，而将同步器等并入变速器传动机构的，本文建模时为 使零件装配方便就采用了这样的分法。 9 图2 2 变速器结构组成( 按功能分) 换档执行机构的主要作用就是实现变速器复杂的操纵控制，或者说是换档 操作控制，它是影响变速器换档品质的最主要因素n l 。在定轴变速器中常见的 换档执行机构为滑动齿轮、啮合套和同步器【1 4 】： ( a )( b )( c )( d ) ( e ) 图2 3 换档执行机构的类型和发展 a )滑动齿轮，如图2 3 ( a ) 所示。通过滑动齿轮轴向移动相互啮合实现 换档。滑动齿轮一般采用直齿轮，结构复杂笨重，齿轮既作为传动件 又作为啮合件，换档行程长，换档力大，换档功率大。啮合时主被动 元件转速不同存在冲击，啮合困难，碰撞发出声响，因经常冲击对齿 轮强度要求很高，且会影响寿命和负载传递。现在车辆变速器已基本 不用滑动齿轮，仅用于一些农用汽车变速器中的一档和倒档上：该结 构形式使得变速器的操纵机构变得复杂。 b )啮合套，如图2 3 ( b ) 所示。变速器采用常啮合斜齿轮，通过啮合套 将轴和空套在轴上的齿轮分离或结合来实现换档。啮合套用键槽连于 轴上，啮合套锁定空转齿轮即将齿轮与旋转的轴相连，从而改变传动 比。啮合套换档把传动齿轮和啮合齿套分开，啮合齿距离短，结构更 合理，但啮合时尽管齿轮和接合套上的花键均有圆角便于换档，同样 也存在进入啮合的齿轮上的花键齿和啮合套齿线速度不同所造成的 冲击和碰撞，甚至损坏齿轮；因此要求驾驶员有较熟练地操作技术。 c )同步器，如图2 3 ( c ) 所示。变速器也采用常啮合齿轮，为避免变速 l o 器换档时的冲击，采用了同步器。同步器结构复杂、制造精度要求高、 轴向尺寸大。但同步器多了一个重要元件一一同步环，此元件保证主 被动元件转速相同后才啮合，保证换档迅速、无冲击、无噪声，且与 驾驶员的操作技术的熟练程度无关，从而有效提高了汽车的加速性、 燃油经济型和行驶安全性。 d )换档离合器( 制动器) ，如图2 3 ( d ) 所示，换档离合器广泛应用于 工程机械定轴变速器以及行星变速器中，其中制动器仅用于行星变速 器中。离合器通过摩擦元件的滑磨结合来实现换档，定轴变速器离合 器起到摩擦同步作用，行星变速器中的离合器和制动器用来连接行 星排中的两个构件。在各类离合器中，片式离合器应用广泛。 e )自由轮( 单向离合器) ，如图2 3 ( e ) 所示，行星变速器中可使用自 由轮。自由轮是一种特殊的执行机构，它的结合和分离是自动进行的， 无需控制，适当地采用自由轮换档可简化电子控制系统。故不少汽车 公司生产的a t 都采用自由轮，如通用、丰田等。也有些汽车公司生 产的a t 不采用自由轮，如克莱斯勒、三菱等。 为提高效率，改善燃油经济性，换档执行机构也在随着a m t 技术的发展而 不断发展。现在，同步器已经是轿车m t 的标准元件，在a m t 变速器中也占有 很高的比例，并有增加的趋势。与不同步换档机构相比，同步换档机构有如下 优点：操作容易，换档轻便省力；可迅速安全地换档，解放了驾驶员，使其完 全集中精力于交通上。因此，着重分析同步器对推动a m t 的应用和研究具有重 大的意义。本文讲述的换档执行机构特指同步器。 2 2 同步器工作原理【1 5 1 1 1 6 】 通过上一节的分析我们了解到同步器是目前换档执行机构中的最有应用前 景的，而且随着重型卡车的发展，同步器在重卡变速器的使用率会越来越高， 为此我们有必要对同步器这种最典型的换档执行机构从工作原理上进行分析。 安装同步器的目的是为了进行迅速而有效的换档。为了详细了解同步器的 动作原理，我们以使用最广泛的滑块式同步器为例对换档过程进行分析说明。 同步器的换档过程可以分为五个阶段，由低速档换入高速档的过程如下： ( 1 ) 开始阶段 若要挂入高速档，通过换档拨叉拨动接合套，并通过定位销带动滑块一起 向左移动。当滑块左端面与锁环的缺口端面接触时，便推动锁环移向接合齿罔， 具有转速差的两锥面一经接触便会产生摩擦作用。齿圈通过摩擦作用带动锁环 相对于接合套超前转过一个角度，直到锁环的凸起部与花键毂通槽的另一侧面 接触时，锁环便与接合套同步转动。此时，接合套的齿与锁环的齿，较锁环的 凸起位于花键毂的通槽中央时错开了半个齿厚( 花键毂通槽宽度为锁环凸起部 的宽度加上接合套的一个齿厚) ，从而使接合套的齿端倒角正好互相抵触而不能 进入啮合，如图2 - 4 所示： 接合齿圈锁环接合套 定位销滑块 图2 - 4 同步器换档开始阶段 ( 2 ) 同步阶段 在锁环与接合套齿端倒角相互抵触的情况下，若要接合套齿圈与锁环的齿 圈接合上，必须使锁环相对于接合套后退一个角度。由于驾驶员始终对接合套 施加一个轴向力，使接合套齿端倒角压紧锁环齿端倒角，于是在锁环的锁止角 斜面上就作用有法向压力e 。力e 可分解为轴向力e 和切向力最，切向力历所 形成的力矩试图使锁环相对于接合套向后退转，称拨环力矩。轴向力互则使锁 环