吳明達，郝寶蘭

（山東公路技師學院汽車工程系，山東 濟南 250100）

引言

重型車輛在換擋過程中容易出現(xiàn)同步打齒造成換擋沖擊現(xiàn)象，這是換擋操縱控制不當造成的，致使當前擋位齒輪與目標擋位齒輪未達到同步強行嚙合產(chǎn)生“非同步?jīng)_擊”的現(xiàn)象。它不但影響了汽車乘坐的舒適性，同時還會降低變速器的使用時間。所以，對車輛換擋過程的研究可以有效降低同步打齒，延長變速器使用壽命[1]。目前，國內(nèi)對換擋過程研究大都采用虛擬樣機技術(shù)，例如使用UG或Catia等軟件構(gòu)建準確的模型幾何體，再使用Adams進行換擋過程動力學仿真。由于Adams具有“黑箱性”，所以這種方法不適合對換擋過程進行深入研究。本文利用分階段機理分析的數(shù)學建模與仿真的方法，將換擋過程分階段分析，建立數(shù)學模型并進行仿真研究。通過試驗證明該方法可以相對完整的仿真整個換擋過程，尤其適合動態(tài)特性的研究。

1 換擋同步過程理論分析

以降擋為例。首先，接合套在換擋力的作用下從低擋摘至空擋，此時接合套在慣性力的作用下會繼續(xù)保持原來的運動狀態(tài)。空擋時，鎖環(huán)與目標擋齒圈錐面并沒有接觸，它們之間有微小的間隙，并且鎖環(huán)在軸向可以自由移動。在換擋力的作用下，同步過程開始：

第一階段：接合套在換擋力的推動下繼續(xù)向高擋靠近，滑塊也通過定位銷移向高擋，這時鎖環(huán)的缺口端面會與滑塊的端面接觸，鎖環(huán)與目標擋齒圈錐面的間隙消除。

第二階段：換擋力繼續(xù)作用接合套，由于鎖環(huán)與目標擋齒圈的轉(zhuǎn)速不一樣，所以兩者接觸時便產(chǎn)生滑摩。鎖環(huán)受到摩擦力的作用，相對接合套轉(zhuǎn)過一個角度，當鎖環(huán)的凸起與花鍵轂的開槽相互接觸后，鎖環(huán)便與接合套一起旋轉(zhuǎn)。這時，鎖環(huán)的齒端倒角會與接合套的齒端倒角抵觸，它們兩者不能嚙合，這即是鎖止狀態(tài)。

第三階段：換擋力作用下的接合套齒端倒角會對鎖環(huán)產(chǎn)生一個撥環(huán)力矩，而鎖環(huán)與目標擋齒圈之間產(chǎn)生摩擦力矩。鎖止的時候，摩擦力矩大于撥環(huán)力矩，使鎖環(huán)與接合套之間不能嚙合。由于接合套與整車連接，轉(zhuǎn)動慣量大，目標擋部分只與離合器從動部分連接，轉(zhuǎn)動慣量遠小于接合套部分，因此接合套部分的轉(zhuǎn)速變化很小。當鎖環(huán)與接合齒圈錐面滑摩時，目標擋的轉(zhuǎn)速會迅速下降，摩擦力矩也會越來越小，兩者轉(zhuǎn)速幾乎相等時，此時撥環(huán)力矩會大于摩擦力矩。鎖環(huán)通過撥環(huán)力矩會相對接合套轉(zhuǎn)動半個齒的距離，鎖環(huán)花鍵齒與接合套花鍵齒嚙合，同步鎖止過程結(jié)束。

第四階段：接合套會繼續(xù)軸向移動，直到接合套花鍵齒與目標擋接合齒圈花鍵齒抵觸，此時接合套通過換擋力再次對接合齒圈產(chǎn)生撥環(huán)力矩使齒圈相對鎖環(huán)轉(zhuǎn)動一個角度，完成它與接合套的嚙合，到此換擋過程結(jié)束[2～3]。

2 換擋同步過程建模分析

2.1 同步過程建模假設

車輛在行駛過程中會受到諸多因素的影響，針對不同的仿真目的建立模型考慮的因素也不盡相同。本文主要是根據(jù)變速器的換擋規(guī)律研究車輛的換擋過程，因此在建立模型和動態(tài)仿真時進行了必要的簡化以求達到理想的效果，使仿真既具有車輛一般的動態(tài)特性還有簡單便捷的特點。針對本文研究車輛模型作如下規(guī)定[4～5]：

（1）車輛中各個零件質(zhì)量視為集中質(zhì)量；（2）傳動軸和半軸的轉(zhuǎn)動慣量忽略不計；

（3）傳動系部件的阻尼，行駛中的扭振、擺振不予考慮；（4）車輛的行駛路徑始終是直線。

2.2 同步過程建模

通過對換擋過程分析和假設，得到影響同步時間的因素。但我們假設同步轉(zhuǎn)矩為同步過程中的最大值，不隨時間變化。其實，在實際的同步過程中，同步轉(zhuǎn)矩時刻都是發(fā)生變化的，它與液壓缸壓力、換擋力成正比。所以，我們在本節(jié)建立的模型中，同步轉(zhuǎn)矩會隨著時間變化，同時還會考慮輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)動摩擦，它與轉(zhuǎn)速成正比。結(jié)合上述分析，同步階段數(shù)學模型如下[6～8]：

式中：Ji—輸入軸轉(zhuǎn)動慣量；Jo—輸出軸轉(zhuǎn)動慣量；ωs—輸入轉(zhuǎn)速；ωv—輸出轉(zhuǎn)速；bi—主動部分摩擦系數(shù)；bo—被動部分摩擦系數(shù)；Ts—同步轉(zhuǎn)矩；Tfv—行駛阻力矩；Tfc—離合器阻力矩。

同步轉(zhuǎn)矩可以表示為：

式中：F—施加在接合套上的換擋力；α—摩擦錐面半錐角；Rc—摩擦錐面平均半徑；μ—摩擦系數(shù)。

滑摩功表示鎖環(huán)與接合齒圈錐面滑動摩擦所做的功[3]?；υ礁?，就表示所做的功都轉(zhuǎn)化成熱量，鎖環(huán)的溫度也就越高。溫度過高，鎖環(huán)的熱負荷加重，它就會被燒蝕，影響同步器壽命和承載能力，進而影響變速器的工作性能?；Ρ磉_式如下[9～10]：

式中：Ts—同步轉(zhuǎn)矩；△ω—同步器接合時轉(zhuǎn)速差；Ts—同步開始時間；Te—同步結(jié)束時間。

由以上方程搭建仿真模型如圖 1，其中液壓缸油壓、離合器阻轉(zhuǎn)矩、行駛阻力矩為輸入，輸出參數(shù)有轉(zhuǎn)速差△ω、滑摩功Ls。

圖1 同步過程模型

3 換擋同步過程仿真分析

3.1 仿真結(jié)果分析

依據(jù)上述理論，對換擋同步過程建立模型，以三擋降二擋過程為例進行同步過程仿真，液壓缸油壓、離合器阻轉(zhuǎn)矩、行駛阻力矩為輸入信號，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 同步速差仿真曲線

圖3 同步轉(zhuǎn)矩仿真曲線

（1）以降擋過程為例，在0.04s時，同步轉(zhuǎn)矩迅速開始增加，此點是同步器鎖環(huán)錐面與

目標擋齒圈錐面剛接觸時刻，即 0～0.04s為摘擋過程。由于鎖環(huán)與齒圈接觸時會產(chǎn)生沖擊，所以在大約0.05s至0.07s時同步轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生波動，0.07s后沖擊逐漸消失同步轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定，同步過程開始。大約在0.6s時，同步轉(zhuǎn)矩迅速下降，同步過程完成，接合套花鍵齒與同步環(huán)花鍵齒完成嚙合。0.6s后，接合套繼續(xù)與齒圈嚙合，完成換擋過程。

（2）以降擋過程為例，在0～0.04s時，同步速差變化不大，0.04s之后，鎖環(huán)與齒圈接觸開始，由于輸出端轉(zhuǎn)動慣量遠大于輸入端，在這里假設輸出端轉(zhuǎn)速不變，目標擋轉(zhuǎn)速開始迅速升高，同步速差開始降低，同步過程開始。最終當鎖環(huán)與齒圈同步時，即同步速差為零時，同步過程結(jié)束。

4 結(jié)論

（1）分析了同步器的工作原理以及運動學關(guān)系，提出分階段建模方法，得出換擋同步過程動力學模型；

（2）對換擋同步過程進行仿真，得出同步轉(zhuǎn)矩與同步速差仿真曲線，仿真結(jié)果與車輛實際換擋過程基本符合；

（3）通過試驗證明模型能夠正確描述同步過程，可以有效地預測換擋過程，為換擋執(zhí)行機構(gòu)控制策略制定提供參考。