乘用车生动变速器动态换挡性能评价方法及改进策略

乘用车生动变速器动态换挡性能评价方法及改进策略

随着国内汽车产量的持续快速增长，道路上消耗的石油资源占全国石油消耗总额的比例日益增加。提供给用户低油耗并具备良好动力性能的汽车产品成为目前汽车企业追求的主要目标之一,也是目前消费者最为关心的技术指标。提高汽车动力性和燃料经济性的关键是发动机的工作特性以及传动系的匹配,变速器的设计匹配是其中重要一环。但是变速器在设计匹配的过程中受到很多因素制约,换挡性能是其中一个重要的方面。部分跨国公司经过多年积累,基于试验手段,已经建立了一套变速器换挡性能的评价方法。但是国内乘用车企业在该方面的积累相对较少,在换挡性能的评价及改善方面还存在一些不足,因此有必要对其进行系统深入的分析。本文结合某乘用车研发的工程实践需求,对乘用车手动变速器动态换挡性能评价方法及改善措施等进行了探讨,相关方法和结论有助于进一步改善变速器的设计匹配。1器动态换挡性能评价根据乘用车产品消费者的需求,乘用车手动变速器的换挡性能需要重点关注其操纵舒适性及换挡过程的噪声问题。尽管换挡性能总体上来讲是依赖于驾驶员主观体验的一种主观评价指标,但是为了便于评价和改善其性能,最方便的途径是找到能够反映这些评价换挡性能的客观指标。通过这些指标,对变速器的换挡性能做出一个客观正确的评价,并以这些指标为依据,对换挡机构和换挡性能进行分析评价及改进。从动态换挡性能评价的角度出发,乘用车手动变速器动态换挡性能评价主要考虑以下3个指标:二次冲击、换挡冲量以及倒挡挂入率。二次冲击是评价汽车换挡舒适性的重要指标。二次冲击主要是由于接合套与齿圈之间存在啮合间隙,从而导致两齿间的连续冲击,驾驶员在换挡杆上会感受到二次冲击作用。二次冲击缩短了同步器和齿圈的寿命,导致换挡过程的冲击较大,操纵舒适性和噪声指标受到较大影响。二次冲击是随机的且难以避免,但是当二次冲击力小于最大换挡力的30%时,驾驶员一般无法察觉,可认为此时的二次冲击是可以接受的。换挡冲量是在整个换挡过程中或者某个换挡阶段的换挡力对于换挡时间的积分,是评价动态换挡品质和同步性能的重要指标。换挡冲量越小说明换挡所需要的力越小,同步的时间越少,换挡过程就越顺利,操纵舒适性及噪声指标越好。换挡过程中摩擦力矩作用如图1所示,可以得到产生的摩擦力矩为式中:Fs为作用在接合套上的力(换挡力);μc为工作锥面间的摩擦系数;Rc为锥面的有效半径;φ为锥面的角度。根据动量定理,可以得到式中:w为同步器输入端的角速度;t为同步时间;J为同步器输入端零件的转动惯量。因此可以得到换挡力为倒挡挂入率也是评价变速器换挡性能的一个方面。倒挡由于要使汽车反向行驶,挂倒挡所需要的力和时间相对于其它挡位要高。倒挡挂入率z是指在100次挂倒挡的过程中挂入次数n占全部挂倒挡次数的百分比。如果倒挡挂入率较低,就会影响变速器的倒挡性能。为了实现变速器良好的倒挡性能,我们通常规定z≥92%,n≤8。2手动换能器的动态性能对策分析2.1考虑同步空行程的非对称接合齿设计二次冲击主要是由于同步后,齿套和齿轮啮合时存在空隙,从而导致两者之间有冲击。为了减少二次冲击对换挡性能的影响,将同步器中的结合套齿和齿轮设计成不对称接合齿,可以减少冲击。图2为对称接合齿啮合过程示意图,图中Sk为同步后的空行程。空行程越大,同步锥环同步后齿套和挡位齿轮之间的转速差越大,转速差是导致换挡冲击的根本原因。因此,设法减小空行程将是改进二次换挡性能的一个有效措施。图3为某车型同步器接合齿尺寸关系示意图,其中,δ1=0.8mm,δ21.2mm。因此可以计算得到该同步器的空行程为为了尽量避免转速差的产生,采用如图4所示的非对称接合齿设计方案,增加同步过程中齿套在同步锥环锁止面上的滑行距离,可以减少齿套和挡位齿轮之间的空行程,从而减少转速差的发生。图5为同步器采用非对称接合齿的尺寸关系示意图,其中,h1=0.933mm,h2=0.816mm,h3=0.469mm。因此可以计算得到改进后同步器的空行程为改进后空行程减少了1.16mm,是对称接合齿设计时的45%。2.2双面同步器同步容量的确定换挡过程中变速器所受到的换挡冲量可以用同步器的同步容量来改善。同步器的同步容量越大,同步时间越短,所需的换挡力也变小,从而减小换挡冲量。同步器的同步容量为式中:Ms为同步力矩;μ为摩擦锥面摩擦系数;r为摩擦锥面平均工作半径;α为摩擦锥面的锥角;P为作用在齿套上的轴向力。从式(6)可以看出,增加摩擦锥面数量和提高摩擦系数是提高同步容量的一个有效措施。因此,考虑采用双摩擦锥面同步器,并通过改变摩擦锥面的材料来提高其摩擦系数。根据该车型变速器3挡同步器的数据进行核算。摩擦系数约为0.1,平均半径为30.48,锥角为6°37′,计算得到同步容量为Ms=26.5mm。改用双摩擦锥面并采用碳复合材料,同步容量增加为Ms=63.6mm,同步容量显著提高。2.3同步器齿环杠杆同步机构设计目前绝大部分手动变速器前进挡均设计有同步机构,但倒挡一般未采用同步机构。因此,在踩下离合器踏板,切断发动机动力传递后,由于变速器自身的惯性,变速器输入轴等零部件仍要旋转,而此时换入倒挡,旋转的输入轴倒挡齿轮与静止的倒挡惰轮尚未达到同步,导致换挡困难。基于上述考虑,采用图6所示的杠杆同步机构加以改善。换倒挡时,当5挡齿轮拨叉推动5挡同步器齿套移动,同步器齿环杠杆以同步器毂为支点推动同步器齿环,导致同步器齿环与5挡齿轮锥面相接触,从而制动输入轴的转动,导致输入轴转速降低。从而使倒挡齿轮和输入轴的倒挡齿轮能够轻松咬合,实现平顺换挡。3试验试验分析为了验证上述分析结论的有效性,对某乘用车变速器换挡性能进行测试分析。3.1同步器二次冲击试验结果图7、图8分别是从2挡换入3挡过程中采用原型车同步器及考虑采用非对称齿改进设计后同步器的二次冲击测试结果。改进前最大换挡力Fa为103N,二次冲击的力Fr为60N,达到了最大换挡力的58.2%,不符合我们的设计要求;而改进后最大换挡力Fa为101N,二次冲击的力Fr为30N,符合设计要求。3.2换挡冲量过图9是测试换挡冲量的示意图,其中,名义值为我们实际测得的换挡冲量值,而最大值和最小值为计算出的换挡冲量区间。名义值在此区间范围内一半的下方,说明换挡冲量较小,反之则说明换挡冲量较大。增加摩擦锥面同时,对3挡变速器摩擦锥面进行喷碳处理,使摩擦锥面的摩擦系数升高至0.12。图10和图11分别给出了改进前后由2挡换入3挡的换挡冲量测试结果。换挡冲量由原设计方案的3.3下降为2.3。3.3挂倒挡操作率测定结果图12和图13分别为改进前后变速器在20次挂倒挡过程中的倒挡挂入率测试结果,试验时共进行了20次挂倒挡操作。从图中可以看出,原设计方案有4次挂倒挡失败,倒挡挂入率只有80%,而改进后方案只有1次挂倒挡失败,倒挡挂入率达到95%,满足了相关要求。4实车测试结果分析通过对乘用车使用性能要求的评估分析,明确了手动变