张勇，赵学科，李飞
（重庆机电装备技术研究院有限公司，重庆401123）
摘要：变速器同步性能直接影响车辆操控性，其量化测试十分重要。针对变速器同步器及总成换挡性能的试验要求，简述了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箱进行试验设计，得到变速箱选换挡力、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的影响，因此其性能和寿命的量化测试有着重要的意义。采用变速箱同步器试验台可以实时准确测得换挡过程中同步器的各项参数，以实现对其性能的测试和评价。
本文介绍了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。本试验台功能 上对现有变速器同步器与总成换挡试验的相关法规能有效覆盖，同时兼顾了新产品研发的试验需求；试验台可模拟同步器在变速器内部的实际工况，同时可满足变速器总成产品的换挡性能试验。
根据国家汽车行业标准QC/T 568－1999《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：换档力、同步扭矩、同步转速、同步时间、滑套轴向位移以及同步器换档次数等。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、同步时的换档力变化等。故本文主要从这几项参数对试验系统进行评定。
2.1 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75 kW，最高转速3000 r/min，额定转速1500 r/min，额定扭矩477 N·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，80 kg·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300 N，选换挡位移200 mm，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，可模拟同步器档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11 kW，最高转速3000 r/min，额定转速1500 r/min，额定扭矩70 N·m；惯性飞轮值为12 kg·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。通过配置不同的试验设备模块，试验台架机构如图1、图2所示。
图1 同步器性能试验配置
图2 总成换挡性能试验配置
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、变速箱油温控制系统和主控计算机等组成，如图3所示。
图3 测控系统结构图
变速箱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0.3～1.2 s，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200 kS/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，并保证变速箱的油温控制在设定范围之内。循环工况速度命令表和变速箱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
如图4所示，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，包括滑套换档力、循环时间、转速差、润滑油温度和循环次数。
图4 软件系统框架图
系统可实现每次换档实时显示并自动记录轴向力、摩擦力矩、换档行程、差速度、润滑油温，换档数据保存为一个文件，并生成换档曲线图。换档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。
3.1 试验设计
本试验选择某型号变速箱进行试验。该型号变速箱为三轴定轴传动，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。
工况设定如表1所示。
表1 工况设定参数
工况输出轴转速/（r·min-1）换挡频率/（次·min-1）循环次数 2－3679101000 3－41120101000 4－51745101000
3.2 结果分析
如图5所示，以2－3挡换挡性能试验的结果，对该综合试验台架的性能进行评定。评判依据主要是换挡力和位移与时间的关系曲线，其中：平滑曲线表示换挡位移，锯齿形曲线表示换挡力，且纵坐标的正方向为3挡方向，负方向为2挡方向。
图5 2－3挡往复换挡性能试验
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，竖线为运动节点。图6虚线1和4之间表示变速箱从3挡换挡进入2挡的整个过程。
1－2阶段为3挡的脱档，正向位移减小至零，此时处于空挡的位置，换挡力的变化为图示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之间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－I－II过程为2挡的同步。从B点滑套与同步环接触并使其开始移动，位于同步锥毂和同步环上的两圆锥面实现接触压紧，此时同步环与滑套上的内、外花键相接触，换挡力也出现迅速增加，即为b－c过程。由于同步环的锁止作用，滑套不能产生轴向移动，故该阶段换挡位移基本稳定，保持不变，为C－D段所示。换挡力也从c点稍下降后基本保持不变，即c－d段。
图6 3－2换挡全过程
II－4之间为同步阶段结束到换档完成。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脱离，之间存在的摩擦作用力矩也快速消失。此时，在换挡力矩作用下，同步环与结合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结合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。
通常可用同步阶段的换挡冲量来评定换挡性能。此试验结果中，根据图6中竖线I、II之间的换挡力曲线可计算出换挡冲量。具体实施中，可通过设置电动缸输出换档力的大小来调整过程中换挡速度的快慢，也会影响到同步时间和力的大小，直到达到较合适的换挡冲量。
通过结果分析，试验过程中2挡的测试结果准确清晰，换挡力和位移与时间的关系曲线上的特征点也比较明显、对照性能较好，也说明了此试验台架的设计基本满足测试要求。
本文所述变速箱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]龚宗洋. 机械式汽车变速箱同步器试验系统研制[J]. 工业仪表与自动化装置，2005（5）：60-62.
[2]谢宗余. 汽车变速器同步器试验台研制[J]. 装备制造技术，2015（3）：58-60.
[3]田韶鹏. 汽车机械式变速器同步器性能测试系统的研究[J]. 机械传动，2014（11）：111-115.
[4]孙涛. 汽车变速箱同步性能试验台的研制[J]. 组合机床与自动化加工技术，2007（10）：92-94.
[5]李丰硕. 商用车变速箱换挡性能试验台架开发[D]. 重庆：重庆大学，2016：78-80.
ZHANG Yong，ZHAO Xueke，LI Fei
( Chongqing Machinery & Electronic Equipment Technology Research Academy, Chongqing 401123, China )
Abstract：Transmission synchronization performance directly affects the vehicle handling, and its quantitative testing is very important. According to the demand of transmission synchronizer and assembly shift performance test, the overall design of the test bench is described, including the mechanical part, the measurement and control system and the software system. Secondly, the design of the gearbox is selected by selecting a certain gearbox. The relationship between the displacement, displacement and time of the gearbox is obtained, and the test results of the test bench are evaluated. The results show that the test system can meet the test performance requirements and provide the experimental basis for the development of transmission technology.
Key words：transmission；synchronizer；shift performance
中图分类号：U463.212
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2017.05.018
文章编号：1006－0316 (2017) 05－0057－04
收稿日期：2016－11－03
作者简介：张勇（1980－），男，重庆人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为汽车传动系统。
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