变速器用同步器同步时间计算研究

变速器用同步器同步时间计算研究 12 徐达伟 ，李靖 12 Xu Dawei,Li Jing (1.武汉理工大学，湖北武汉 430070;2.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北武汉43007 )0 文中主要对机械式变速器用同步器进行了研究，对同步器的同步过程建立了数学模型，列举了两种同步时摘 要: 间的建模方法，并进行了对比，分析了影响同步器同步时间的主要因素，为同步器的设计工作提供了理论依据。 关键词:变速器;同步器;同步时间 +中图分类号:U463.212.41 文献标识码:A 一轴离合器从动片中间轴以及相关的齿轮等、、。 北 0 引言 先计算出各零件的转动惯量,然后通过转换计算 京 出同步器输入端总的转动惯量J ,转动惯量转换 C同步器是机械式变速器的主要零部件之一, 公式为 能够避免变速器换挡时轮齿或花键齿间的冲击, 汽2J = J i ，1， R j 同时使换挡迅速准确。对减轻驾驶员的疲劳,提 2式中:J 为转换转动惯量,kgm;J 为零件转 ?R j 车高齿轮及传动系统的平均使用寿命,提高汽车行 2动惯量,kg?m;i 为齿轮速比。 驶安全性和乘坐舒适性以及改善汽车起步时的 [1]加速性和经济性起着极其重要的作用。同步时 间是体现同步器性能好坏的重要参数之一,通过 数学建模建立同步时间的计算公式,确定影响同 步器同步时间的因素,会为同步器的设计工作带 来很大的方便。 同步器参数计算1 图 1 同步器系统简图 对于一般结构的变速器,需要先将离合器从利用理论力学对同步器工作状态进行力学 动片及其余各挡齿轮等零件转动惯量转化为中 分析,同步器工作状态可简化为图1 。 间轴上的转动惯量,然后转化为相应挡位被同步 1 1 .转动惯量 零件的转动惯量,方能计算出各挡总转动惯量, 计算公式为 变速器各零件主要进行转动,因此需要计算 J ，2，直接挡:J = J + J + 蒡 转动惯量,换挡时同步器的输入端指的是依靠同 m RC i 从 其他挡:J = J + 蒡 J ，3，步器实现转速改变的零件总成,它包括变速器第 变速器用同步器同步时间计算研究?? 2 式中:J 为各挡位本身转动惯量k,gm;J?? θ i 从 1 ，9，M = J ? ? M S C C t 2为离合器从动盘转动惯量k,g?m;蒡 J 为其余各 m R 式中高挡换低挡用正号,低挡换高挡用负 2 挡零件转换转动惯量之和k,gm。? 号,联立式，7，，9，有输出端主要连接的是车辆,其涉及的物理量 ? θ F μ R a c C 1 J? ? M= ，10，主要有汽车惯量、汽车行驶阻力矩等。由于输出 CC ?s in φ t 端连接车辆,所以输出端J 比输入端的惯量 J 大V C 则此时同步时间 t 为 很多,可假设汽车换挡时行驶速度θ 不变,同步 V ? ? Jθ 1 C t =，11， E 器通过同步环摩擦力矩M 来提高或者降低输入 S ? M + M S C 端的转速 θ ,从而达到同步的目的。 C 或 ? s inθφ t = J ?，12， CF μ R 芎 M ? s in φa c C C 1 2 .同步时间计算 对同步器进行性能测试试验时,主要测量参 同步器同步时间是指同步器输入端和输出 数输入端转速及同步力矩可以直接测量得出,计 端因摩擦作用而使转速差逐渐减少并最终达到 [2]算时可用平均力矩来代替同步力矩不阻力矩之 转速差为零的这段时间。理想条件下,忽略摩擦 和,对式，11，进行转换,因此一般同步时间计算 力矩,根据牛顿第二定理,对输入端建立方程式 公式可为 为 ，θ -θ ，J ? C1C0C 北 dθ ，13，t = 1 ，4， J -M = 0 C S M S 平均 dt 京 式中:t 同步时间,s;θ 为同步前输入端初 始 转2C0 式中:J为同步器输入端总转动惯量k,g?m;θ 为 C 1 速,rad/s;θ 为同步后输入端转速,rad/s;J 为输C1 C 同步器输入端转速,rad/s;t 为同步时间,s;M 为 S 汽2入端总转动惯量,kg?m;M 为平均同步力矩, S 平均 同步器摩擦力矩，Nm，。? Nm。 ?换挡时间较短,设 ? 为θ同步前后速度之差, 车 除上述计算方式外,还可以用另外一种计算 对式，4，进行转换为 方式来计算同步时间,根据牛顿第二定理,图1 ? θ 1 ，5，M = J ? S Ct 中对输入端有 同步器摩擦力矩,又称同步力矩M 为 S 咬 ，14，J θ=芎 M - M C C S C F μ R a c C 2 咬 F μ R φ ，6，??M = S 式中:J 为 输入端总转动惯量,kgm ;θ 为输入?a c C C C sinφ 2 端角加速度,rad/s;M 为同步器摩擦力矩,Nm;?S 式中:F 为同步器结合套上的轴向力N,;μ 为同a c M 为 输入端阻力矩,N?m。C 步器锥面间的摩擦系数R; 为锥面的平均半径,C 式中高挡换低挡用正号,低挡换高挡用负 mm;φ 为锥面半角。 号。对系统输出端,由汽车行驶阻力带来的阻力 联立式，5，、，6，, 矩为 M , 则有V ? θ F μ R a c C 1 J? ,，7， Ct sinφ 咬 J θ= ? M-M ，15， V V S V 由式，7，,同步时间 t 为 2咬 θ式中:J 为输出端总转动惯量,kgm;为输出?V V ?s in φ t = J ?，8， C2F μ R 端角加速度,rad/s;M 为同步器摩擦力矩,N?m;a c C S 当考虑摩擦阻力等其他因素时,假设输入端M 为汽车行驶阻力矩,N?m。 V 阻力矩为 M , 则有由于换挡时间较短,输入端转动惯量、汽车C 北京汽车2011.No.2 《》 16 ?? 变速器用同步器同步时间计算研究?? 行驶阻力矩以及同步环摩擦力矩变化较小,可视角、输入输出端速度差以及转动惯量成正比,不 换挡力、摩擦系数及锥面半径成反比。同步器输 为常量,上述两式对时间t 积分则有 入端部件阻力矩 M 在换挡时 起到降低被同步 C 觶 θ ，16，J =，芎 M - M ，t + C C C S C 零件转速的作用,所以阻力矩 M 有 利 于 换 高 C 觶 J θ=，? M - M ，t + D ，17，V V S V 挡,不利于换低挡。同步器输入端的转动惯量 J C 开始同步 t =0 时,设 r 为输入端不输出端初 增大也会引起同步时间变长,因此设计时同步 始角速度之比,有器位置在允许情况下应尽量靠近离合器,以减 r = θ / θ ，18， C 0 V 0小 J 。 C 设 ω= θ 为输出端初始角速度,带入式，16，、 V 0 从安全性及舒适性角度考虑,对于汽车驾 ，17，求解则有 驶员而言所直接能感受到的主要是换挡力F 以 ，19，C = J r ω C 及换挡时同步时间 t , 同步器的设计目的应该是 E D = J ω ，20，V 使用最小的换挡力实现最短的同步时间。在同 t 为换挡结束时间,即同步换挡结束时,设 E 步器结构参数固定时,同步时间不同步力矩成 时间,输入输出端角速度相同,综合上述方程式可 反比关系,设计同步器结构时应尽量增大其同 得 步力矩。 M ω，r -1， M J J CV V C -+ ? M = ，21， S芎芎 t JJ J+ JE V C V C 北 结束语3 同步时间为 京 同步时间是体现同步器性能好坏的重要参 ω，r -1，J J V C ，22，t = E ? ，M J + ，J- M J + M J S V CV C C V数之一,通过利用数学建模来分析同步器的物理 汽由于同步器输出端连接车辆,所以J 比 J 小 C V 特性,得出了同步时间理论计算公式,进一步了 很多,根据统计资料 J /J 的比值一般约为 100, V C 解到影响同步时间的各因素及其对应关系,为同 车[3]M / M 的值一般约 为 10,对上式分子分母同除 V C 步器的设计工作及性能改进工作提供了有力的 以 J ,忽略式中值较小的部分,最后同步时间计算 V 理论依据。 公式为 ω，r -1，J C 参考文献，23，t ? E ? M + M SC,1,马超圣.汽车变速器同步器,，第一版，,M,.汽车杂志社, 对比两种同步时间的计算方法,同步前后 1990. ,2,张发勇,同步器常用概念及其在设计中的应用J,,.机械 输出端转速基本不变 ,将 式，18，中 的 r 以 及 ω 工程不自动化,2010,6，3，:203-204. 代入，23，得 ,3,高维山,张思浦.变速器,J,.北京:人民交通出版社1990., ，θ - θ ， J 1110c t = ，24， E ,4,陈家瑞.汽车构造,J,.机械工业出版社,2000. ? M + M SC ,5, 汽车技术联盟:johns_01,同步器设计,. 由此可看出,两种计算方式虽然有所不同, com.cn. 但两者所应用的物理定理以及假设条件相同,所 ,6,唐忠荣.同步器的相关设计参数影响浅析J,,.汽齿科技,以最终结果是一样的 。2008,，2，:45-51. 2 理论分析收稿日期:2010-10-22 由 式，12，中 可 以 看 出 ,同 步时间不锥面半 北京汽车2011.No.2 《》 17 ??