乘用車生動變速器動態(tài)換擋性能評價方法及改進(jìn)策略

乘用車生動變速器動態(tài)換擋性能評價方法及改進(jìn)策略

隨著國內(nèi)汽車產(chǎn)量的持續(xù)快速增長，道路上消耗的石油資源占全國石油消耗總額的比例日益增加。提供給用戶低油耗并具備良好動力性能的汽車產(chǎn)品成為目前汽車企業(yè)追求的主要目標(biāo)之一,也是目前消費(fèi)者最為關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)。提高汽車動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵是發(fā)動機(jī)的工作特性以及傳動系的匹配,變速器的設(shè)計匹配是其中重要一環(huán)。但是變速器在設(shè)計匹配的過程中受到很多因素制約,換擋性能是其中一個重要的方面。部分跨國公司經(jīng)過多年積累,基于試驗(yàn)手段,已經(jīng)建立了一套變速器換擋性能的評價方法。但是國內(nèi)乘用車企業(yè)在該方面的積累相對較少,在換擋性能的評價及改善方面還存在一些不足,因此有必要對其進(jìn)行系統(tǒng)深入的分析。本文結(jié)合某乘用車研發(fā)的工程實(shí)踐需求,對乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能評價方法及改善措施等進(jìn)行了探討,相關(guān)方法和結(jié)論有助于進(jìn)一步改善變速器的設(shè)計匹配。1器動態(tài)換擋性能評價根據(jù)乘用車產(chǎn)品消費(fèi)者的需求,乘用車手動變速器的換擋性能需要重點(diǎn)關(guān)注其操縱舒適性及換擋過程的噪聲問題。盡管換擋性能總體上來講是依賴于駕駛員主觀體驗(yàn)的一種主觀評價指標(biāo),但是為了便于評價和改善其性能,最方便的途徑是找到能夠反映這些評價換擋性能的客觀指標(biāo)。通過這些指標(biāo),對變速器的換擋性能做出一個客觀正確的評價,并以這些指標(biāo)為依據(jù),對換擋機(jī)構(gòu)和換擋性能進(jìn)行分析評價及改進(jìn)。從動態(tài)換擋性能評價的角度出發(fā),乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能評價主要考慮以下3個指標(biāo):二次沖擊、換擋沖量以及倒擋掛入率。二次沖擊是評價汽車換擋舒適性的重要指標(biāo)。二次沖擊主要是由于接合套與齒圈之間存在嚙合間隙,從而導(dǎo)致兩齒間的連續(xù)沖擊,駕駛員在換擋桿上會感受到二次沖擊作用。二次沖擊縮短了同步器和齒圈的壽命,導(dǎo)致?lián)Q擋過程的沖擊較大,操縱舒適性和噪聲指標(biāo)受到較大影響。二次沖擊是隨機(jī)的且難以避免,但是當(dāng)二次沖擊力小于最大換擋力的30%時,駕駛員一般無法察覺,可認(rèn)為此時的二次沖擊是可以接受的。換擋沖量是在整個換擋過程中或者某個換擋階段的換擋力對于換擋時間的積分,是評價動態(tài)換擋品質(zhì)和同步性能的重要指標(biāo)。換擋沖量越小說明換擋所需要的力越小,同步的時間越少,換擋過程就越順利,操縱舒適性及噪聲指標(biāo)越好。換擋過程中摩擦力矩作用如圖1所示,可以得到產(chǎn)生的摩擦力矩為式中:Fs為作用在接合套上的力(換擋力);μc為工作錐面間的摩擦系數(shù);Rc為錐面的有效半徑;φ為錐面的角度。根據(jù)動量定理,可以得到式中:w為同步器輸入端的角速度;t為同步時間;J為同步器輸入端零件的轉(zhuǎn)動慣量。因此可以得到換擋力為倒擋掛入率也是評價變速器換擋性能的一個方面。倒擋由于要使汽車反向行駛,掛倒擋所需要的力和時間相對于其它擋位要高。倒擋掛入率z是指在100次掛倒擋的過程中掛入次數(shù)n占全部掛倒擋次數(shù)的百分比。如果倒擋掛入率較低,就會影響變速器的倒擋性能。為了實(shí)現(xiàn)變速器良好的倒擋性能,我們通常規(guī)定z≥92%,n≤8。2手動換能器的動態(tài)性能對策分析2.1考慮同步空行程的非對稱接合齒設(shè)計二次沖擊主要是由于同步后,齒套和齒輪嚙合時存在空隙,從而導(dǎo)致兩者之間有沖擊。為了減少二次沖擊對換擋性能的影響,將同步器中的結(jié)合套齒和齒輪設(shè)計成不對稱接合齒,可以減少沖擊。圖2為對稱接合齒嚙合過程示意圖,圖中Sk為同步后的空行程?？招谐淘酱?同步錐環(huán)同步后齒套和擋位齒輪之間的轉(zhuǎn)速差越大,轉(zhuǎn)速差是導(dǎo)致?lián)Q擋沖擊的根本原因。因此,設(shè)法減小空行程將是改進(jìn)二次換擋性能的一個有效措施。圖3為某車型同步器接合齒尺寸關(guān)系示意圖,其中,δ1=0.8mm,δ21.2mm。因此可以計算得到該同步器的空行程為為了盡量避免轉(zhuǎn)速差的產(chǎn)生,采用如圖4所示的非對稱接合齒設(shè)計方案,增加同步過程中齒套在同步錐環(huán)鎖止面上的滑行距離,可以減少齒套和擋位齒輪之間的空行程,從而減少轉(zhuǎn)速差的發(fā)生。圖5為同步器采用非對稱接合齒的尺寸關(guān)系示意圖,其中,h1=0.933mm,h2=0.816mm,h3=0.469mm。因此可以計算得到改進(jìn)后同步器的空行程為改進(jìn)后空行程減少了1.16mm,是對稱接合齒設(shè)計時的45%。2.2雙面同步器同步容量的確定換擋過程中變速器所受到的換擋沖量可以用同步器的同步容量來改善。同步器的同步容量越大,同步時間越短,所需的換擋力也變小,從而減小換擋沖量。同步器的同步容量為式中:Ms為同步力矩;μ為摩擦錐面摩擦系數(shù);r為摩擦錐面平均工作半徑;α為摩擦錐面的錐角;P為作用在齒套上的軸向力。從式(6)可以看出,增加摩擦錐面數(shù)量和提高摩擦系數(shù)是提高同步容量的一個有效措施。因此,考慮采用雙摩擦錐面同步器,并通過改變摩擦錐面的材料來提高其摩擦系數(shù)。根據(jù)該車型變速器3擋同步器的數(shù)據(jù)進(jìn)行核算。摩擦系數(shù)約為0.1,平均半徑為30.48,錐角為6°37′,計算得到同步容量為Ms=26.5mm。改用雙摩擦錐面并采用碳復(fù)合材料,同步容量增加為Ms=63.6mm,同步容量顯著提高。2.3同步器齒環(huán)杠桿同步機(jī)構(gòu)設(shè)計目前絕大部分手動變速器前進(jìn)擋均設(shè)計有同步機(jī)構(gòu),但倒擋一般未采用同步機(jī)構(gòu)。因此,在踩下離合器踏板,切斷發(fā)動機(jī)動力傳遞后,由于變速器自身的慣性,變速器輸入軸等零部件仍要旋轉(zhuǎn),而此時換入倒擋,旋轉(zhuǎn)的輸入軸倒擋齒輪與靜止的倒擋惰輪尚未達(dá)到同步,導(dǎo)致?lián)Q擋困難?；谏鲜隹紤],采用圖6所示的杠桿同步機(jī)構(gòu)加以改善。換倒擋時,當(dāng)5擋齒輪撥叉推動5擋同步器齒套移動,同步器齒環(huán)杠桿以同步器轂為支點(diǎn)推動同步器齒環(huán),導(dǎo)致同步器齒環(huán)與5擋齒輪錐面相接觸,從而制動輸入軸的轉(zhuǎn)動,導(dǎo)致輸入軸轉(zhuǎn)速降低。從而使倒擋齒輪和輸入軸的倒擋齒輪能夠輕松咬合,實(shí)現(xiàn)平順換擋。3試驗(yàn)試驗(yàn)分析為了驗(yàn)證上述分析結(jié)論的有效性,對某乘用車變速器換擋性能進(jìn)行測試分析。3.1同步器二次沖擊試驗(yàn)結(jié)果圖7、圖8分別是從2擋換入3擋過程中采用原型車同步器及考慮采用非對稱齒改進(jìn)設(shè)計后同步器的二次沖擊測試結(jié)果。改進(jìn)前最大換擋力Fa為103N,二次沖擊的力Fr為60N,達(dá)到了最大換擋力的58.2%,不符合我們的設(shè)計要求;而改進(jìn)后最大換擋力Fa為101N,二次沖擊的力Fr為30N,符合設(shè)計要求。3.2換擋沖量過圖9是測試換擋沖量的示意圖,其中,名義值為我們實(shí)際測得的換擋沖量值,而最大值和最小值為計算出的換擋沖量區(qū)間。名義值在此區(qū)間范圍內(nèi)一半的下方,說明換擋沖量較小,反之則說明換擋沖量較大。增加摩擦錐面同時,對3擋變速器摩擦錐面進(jìn)行噴碳處理,使摩擦錐面的摩擦系數(shù)升高至0.12。圖10和圖11分別給出了改進(jìn)前后由2擋換入3擋的換擋沖量測試結(jié)果。換擋沖量由原設(shè)計方案的3.3下降為2.3。3.3掛倒擋操作率測定結(jié)果圖12和圖13分別為改進(jìn)前后變速器在20次掛倒擋過程中的倒擋掛入率測試結(jié)果,試驗(yàn)時共進(jìn)行了20次掛倒擋操作。從圖中可以看出,原設(shè)計方案有4次掛倒擋失敗,倒擋掛入率只有80%,而改進(jìn)后方案只有1次掛倒擋失敗,倒擋掛入率達(dá)到95%,滿足了相關(guān)要求。4實(shí)車測試結(jié)果分析通過對乘用車使用性能要求的評估分析,明確了手動變