浅析机械式汽车变速器同步器试验系统研制

浅析机械式汽车变速器同步器试验系统研制

董金龙马荣津姚腱

唐山通力齿轮有限公司河北唐山063020

摘要：机械式汽车变速器是汽车制造和汽车性能非常重要的一部分。针对变速器同步器及总成换挡性能的试验要求，简述该试验台架的总体方案设计，包括机械部分、测控系统和软件系统等。其次通过选取某型号变速器进行试验设计，得到变速器选换挡力、位移和时间的关系曲线，对试验台架的测试效果进行评判。结果表明，试验系统可以满足试验性能要求，为变速器技术开发研究奠定了试验基础。

关键词：变速器；同步器；换挡性能

同步器作为汽车变速器的关键部件，其性能直接影响车辆操控性，对整车驾驶性能有着很大影响，因此其性能和寿命的量化测试有着重要意义。本文介绍汽车变速器同步器性能试验台架的设计及软件的研制，其测试方法和软件已在汽车变速器总成试验中应用。

1试验要求

根据国家汽车行业标准QC/T568－1999《汽车机械变速器台架试验方法》的规定，汽车变速器总成同步器性能及寿命试验时需要测量并记录的参数有：换挡力、同步扭矩、同步转速、同步时间、滑套轴向位移以及同步器换挡次数等。对于制造厂商来说，其中最关心的参数是同步的时间、同步的轴向位移、同步时的换挡力变化等。故本文主要从这几项参数对试验系统进行评定。

2系统总体方案

2.1试验台构成

本试验台架具有同步器性能试验与变速器总成换挡性能试验两种功能，可通过配置不同的试验设备模块实现。

（1）通用试验设备模块包括试验平台基础、驱动电机、大惯性飞轮与选换挡机械手，用于同步换挡控制和模拟整车速度及惯量。其中驱动电机功率75kW，最高转速3000r/min，额定转速1500r/min，额定扭矩477N?m；惯性飞轮要保证换挡同步过程中转速波动小于3%，动平衡精度等级G2.5级，80kg?m2；选换挡机械手可实现换挡杆上的两自由度选换挡操作，选换挡力300N，选换挡位移200mm，最大行程操作频率10次/min。

（2）同步器总成性能试验模块包括同步器安装机构，工作润滑仓，伺服电机与惯量盘等，可模拟同步器挡位齿轮的转速和同步惯量。采用选换挡机械手实现同步过程的控制与参数测试。其中伺服电机用于建立同步器同步惯量的初始转速，在同步器换挡同步过程中，该电机处于关闭状态。电机功率11kW，最高转速3000r/min，额定转速1500r/min，额定扭矩70N?m；惯性飞轮值为12kg?m2，动平衡精度等级为G2.5级。

（3）变速器总成换挡性能试验模块包括变速器总成安装支架，同步转速测量传感器等。选换挡机械手通过操作手柄，拉索操作变速器选换挡机构端，实现变速器总成的选换挡试验，同时，通过选换挡机械手实现对试验参数的测试。

2.2测试系统

试验台架测控系统由传感器信号调理和变换、高速并行数据采集卡、变频器转速控制、机械手驱动与控制、变速器油温控制系统和主控计算机等组成。变速器同步器各特征量传感器经信号调理电路变换成模拟量送主控计算机采集，由于换挡同步时间短，一般仅为0.3～1.2s，选用高速并行数据采集卡，该卡有16路模拟输入通道；采样速率200kS/s；8路DI、8路DO、2路AO和1路32位计数器，满足系统采集和控制要求。主控计算机是整个测控系统的核心，负责试验数据的管理及电机速度控制算法、机械手换挡力、位置、速度综合算法的实现，并保证变速器的油温控制在设定范围之内。循环工况速度命令表和变速器挡位参数表在换挡前保存在计算机内存中，便于试验过程快速查询。

2.3软件系统

软件系统采用先进的网络和数采技术。在过程监控和管理层，采用以太网把工控机联系起来，通过网页的形式实现数据远程共享显示。系统可实现试验台的自动化控制和试验数据的存储与分析。通过软件界面可设定试验程序，包括滑套换挡力、循环时间、转速差、润滑油温度和循环次数。系统可实现每次换挡实时显示并自动记录轴向力、摩擦力矩、换挡行程、差速度、润滑油温，换挡数据保存为一个文件，并生成换挡曲线图。换挡完成可自动分析初始摩擦系数、平均摩擦系数、末端摩擦系数，并将每次试验数据保存为一文件，并生成曲线图。

3试验及结果分析

3.1试验设计

本试验选择某型号变速器进行试验。该型号变速器为三轴定轴传动，具有5个前进挡和1个倒挡，其中1挡和倒挡采用结合套换挡，其余挡位采用锁环式同步器换挡，因此本次试验仅对2、3、4、5挡进行换挡性能测试。

3.2结果分析

由分析结果可看出，动态条件下换挡力和位移的变化，且2挡换挡力和位移的特征较为明显。故现对换2挡过程中的力和位移曲线分析，大写字母为换挡位移曲线上的点，小写字母为换挡力曲线上的点，横线为运动节点。

1和4之间表示变速器从3挡换挡进入2挡的整个过程。1－2阶段为3挡的脱挡，正向位移减小至零，此时处于空挡的位置，换挡力的变化为o－a－o'，a点是换挡力的峰值，当处于空挡时近似下降为零。2－3阶段为变速器摇臂由空挡位向2挡位置拨动，直到滑套与同步环接触，故换挡力变化较小。3－4阶段为同步阶段结束到换挡完成。换挡力d－e的速降表示同步环的换挡拨转过程，同步环和滑套达到一致同步后，在换挡力的继续作用下，位于同步环和锥毂上的两圆锥面此时共速，之间存在的摩擦作用力矩瞬间变小可忽略不计。此时，在换挡力矩作用下，同步环与滑套之间会产生一定的后退角度，进而滑套和同步环实现花键啮合。故这一阶段，换挡作用力大幅减小。当滑套与同步环啮合后，滑套和锥毂花键齿的斜面相接触并相抵产生阻力，会产生冲击，就出现了换挡作用力的增大，即为f点，如图中e－f段的二次冲击过程。因产生震动引起换挡作用力减小，如g点。同时，斜面上相抵产生的作用力的切向分力使锥毂与滑套之间会产生一定的后退角度，故g点处换挡力减小，花键齿和锥毂实现啮合，换挡位移也随之达到最大，换挡结束。

4结语

综上，变速器同步器及总成换挡性能试验系统已在我司变速器试验测量中应用，试验结果表明该系统功能完备、技术先进、使用方便可靠、重复精度高，可满足变速器同步器性能和寿命测试的要求。

参考文献

[1]中国标准出版社.汽车标准汇编(2012)[M].中国质检出版社,2013.

[2]苑伟,王宁毅,刘江辉.汽车同步器性能测控系统的设计与应用[J].拖拉机与农用运输车,2016(6):30-33.