變速器換擋二次沖擊強度頻次分析張志剛;李尚;蘇洪;宋錦【摘要】為研究汽車變速器換擋的二次沖擊強度分布規(guī)律，在自行研制的換擋性能試驗臺上，對某款變速器各擋位以不同換擋速度分別進行了各50次換擋試驗，實時測得換擋力、換擋位移、同步轉矩、變速器輸入/輸出轉速，得到了各擋位換擋特性曲線;并對不同換擋速度下各擋位二次沖擊強度進行了頻次分析.結果表明，隨著換擋速度增加，同一擋位的二次沖擊強度呈現減弱趨勢;同時該變速器只有I擋未出現二次沖擊,H~VI擋均存在二次沖擊現象;并且H擋的二次沖擊強度最大,VI擋僅在低換擋速度時存在二次沖擊.【期刊名稱】《科學技術與工程》【年(卷)，期】2016(016)020【總頁數】6頁(P280-285)【關鍵詞】變速器;換擋;試驗;二次沖擊;強度瀕次分析【作者】張志剛;李尚;蘇洪;宋錦【作者單位】重慶理工大學車輛工程學院，重慶400054;重慶理工大學車輛工程學院重慶400054;重慶理工大學車輛工程學院，重慶400054;重慶理工大學車輛工程學院，重慶400054【正文語種】中文【中圖分類】U463.2交通運輸手動機械式變速器作為車輛傳動系關鍵部件之一，具有改變傳動比、實現倒車、切斷動力等功能，其操縱性能直接影響整車的駕駛舒適性。車輛換擋操縱評價是整車駕評的主要內容之一。車輛換擋操縱性能的評價指標主要包括選/換擋力、二次沖擊力、同步沖量、同步功等參量［1，2］；其中二次沖擊力是決定換擋過程操縱舒適性的關鍵指標。汽車行業(yè)標準QC/T568.1—2010［3］明確規(guī)定變速器換擋過程中二次沖擊力峰值不能高于同步力的70%，否則視為換擋性能不合格；從而二次沖擊力不僅決定變速器換擋操縱性能的優(yōu)劣；而且對車輛換擋操縱品質評價具有決定性影響。根據整車換擋過程中二次沖擊的產生機理可知［4,5］，具有良好換擋操縱性能的手動變速器的換擋二次沖擊發(fā)生頻次低且強度??；具有不良換擋操縱性能的手動變速器的換擋過程二次沖擊頻次高且強度大。因此，通過試驗方法評價手動變速器換擋操縱性能時進行不同擋位的二次沖擊強度的頻次分析，對評價變速器換擋操縱性能具有重要意義。目前，國內夕卜學者主要采用主觀評價方法和客觀評價方法對車輛換擋品質進行評價。何源等［6］基于力學特征的汽車操縱舒適性評價是從異點數目、力一行程剛度和力變率三個方面建立客觀評價指標。王健等［7］基于支持向量機結合主觀評價與客觀評價指標構建了換擋品質評價系統(tǒng)。吉孚動力技術(蘇州)有限公司開發(fā)的換擋分析系統(tǒng)(GSA)，主要測試輸入/輸出軸轉速、選/換擋行程、選/換擋力、離合器行程、車輛速度等，得到相應的選/換擋力和位移曲線，對換擋品質進行評價。Volvo汽車公司的SteffSchnetzler［8］基于神經網絡開發(fā)的“Gequan”系統(tǒng)通過建立車輛換擋舒適性與主觀評價之間的聯系，對車輛的換擋舒適性進行評價。英國里卡多公司［9］開發(fā)的可實車安裝的換擋品質評價系統(tǒng)，通過駕駛員操縱換擋桿，在車輛行駛過程中，動態(tài)采集選擋力及相應的選擋行程、換擋力及相應的換擋行程等數據，將結果輸入相應的GSQA評價系統(tǒng)中，對車輛的換擋品質進行評價。然而，這些研究中雖均涉及對二次沖擊力的介紹，但均未有系統(tǒng)地分析各擋位二次沖擊強度的分布規(guī)律。本文在自行開發(fā)的試驗臺上對某款變速器進行換擋性能試驗，實時測得換擋力、換擋位移、同步轉矩、變速器輸入/輸出轉速，得到了各擋位換擋特性曲線，并對不同換擋速度下各擋位二次沖擊強度進行了頻次分析，為研究變速器換擋性能及車輛換擋操縱品質評價提供了試驗依據。同步器的工作過程分為八個階段[10，11]:第一次自由滑動階段：在換擋力的作用下，換擋撥叉撥動接合套，接合套滑動。此階段接合套所受阻力小且位移變化快。同步起始階段：接合套鎖止齒面與同步環(huán)齒面接觸。此階段同步環(huán)錐面由流體動壓摩擦經過混合摩擦變?yōu)楦赡Σ?。⑶同步階段：同步環(huán)與齒圈迅速同步。此階段同步環(huán)齒阻止接合套軸向運動。⑷同步環(huán)撥環(huán)階段：同步環(huán)鎖止面所受正壓力的切向分力產生的撥環(huán)力矩促使同步環(huán)相對接合套轉動一個齒厚。⑸第二次自由滑動階段：接合套越過同步環(huán)繼續(xù)滑動。二次沖擊階段：接合套鎖止齒面與接合齒圈接觸，產生二次沖擊。接合齒圈撥環(huán)階段：接合齒圈所受撥環(huán)力矩促使其轉動一個角度。最后自由滑動階段：接合套與接合齒圈嚙合，換擋完成。在二次沖擊階段，如圖1所示，接合套鎖止齒與接合齒圈接觸時，由于每次接觸面面積大小不同，產生的二次沖擊力大小也就不同。當接合套鎖止齒齒端正好與接合齒圈齒端相觸時，產生的沖擊最大；當接合套鎖止齒齒端正好嚙入接合齒圈兩齒間間隙時，產生的沖擊為零。因此，二次沖擊力的大小在兩值之間，具有隨機性。2.1試驗目的通過臺架試驗實時測得換擋力、換擋位移、同步轉矩、變速器輸入/輸出轉速，得到各擋位的換擋特性曲線，直觀地判斷各擋位在不同換擋速度下的二次沖擊力，進行二次沖擊強度頻次分析，從而為評價變速器換擋操縱性能提供依據。2.2試驗原理變速器換擋性能試驗臺主要由驅動系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、換擋機器人、測控系統(tǒng)等五部分組成。驅動系統(tǒng)由驅動電機和變頻控制器組成，用于模擬變速器輸出端轉速；傳感系統(tǒng)主要有轉矩轉速傳感器、位移傳感器、力傳感器等構成，用于測量變速器輸入/輸出轉速、換擋位移、換擋力、變速器輸出端轉矩；機械系統(tǒng)主要由鐵平板、基座及支架構成，為被試變速器、傳感器等提供基礎支撐和安裝基座；換擋機器人系統(tǒng)由換擋執(zhí)行器、控制器構成，用于模擬駕駛員選擋和換擋的動作，并且換擋機器人的換擋速度或換擋力可以精確控制；測控系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計算機、數據采集器、信號調理器、通訊板卡及測控分析軟件等組成。汽車換擋性能試驗臺基本構成如圖2所示，試驗臺測控系統(tǒng)硬件架構簡圖如圖3所示。試驗時將變速器換擋操縱機構按照實車安裝方式布置，在換擋機械手處安裝位移傳感器，在換擋手柄處安裝換擋力傳感器。在被試變速器的輸入端安裝轉速傳感器，在被試變速器輸出端安裝轉矩轉速傳感器。利用A/D采集卡采集各傳感器數據得到換擋力、選擋力、換擋位移、選擋位移，變速器輸入轉速、變速器輸出轉速、變速器輸出轉矩。為了真實模擬汽車變速器換擋過程，在被試變速器輸入軸上固定離合器從動盤，被試變速器輸出軸一端鎖止，利用驅動電機拖動另一端用于模擬整車半軸轉速及等效慣量。結合試驗目的和原理，試驗選取NtI、NtII、NtIII、NtIV、NtV、N—VI六種試驗工況對各擋位進行換擋性能試驗，并且每個擋位分別在不同換擋速度的工況條件下各進行了50次試驗，具體工況條件及試驗參數如表1、表2所示。試驗分別測得了各擋位在不同工況下的換擋力、換擋位移、同步力矩、變速器輸入/輸出轉速，得到換擋力、換擋位移、變速器輸入轉速與時間的關系曲線，如圖4,直觀地判斷各擋位在不同換擋速度下的二次沖擊力，進而進行各擋位換擋二次沖擊強度的頻次分析。其中：二次沖擊強度=（二次沖擊力/最大換擋同步力）x100%。1擋二次沖擊頻次分析為研究I擋的二次沖擊，試驗在三種不同工況條件下，換擋速度由低至高逐級測試N-I擋，分別進行了50次試驗。通過試驗結果分析發(fā)現，三種工況條件下該變速器的I擋均未發(fā)生二次沖擊現象。11擋二次沖擊頻次分析如圖5是由N-II在不同的工況條件下得到的II擋二次沖擊強度的分布柱形圖。工況一時，II擋二次沖擊強度分布主要集中在0~10%之間，二次沖擊強度超過70%的部分主要集中在70%-80%之間，所占比例為7.32%；工況二時，II擋二次沖擊強度分布在0~50%之間，其中0~10%所占比例最大；工況三時，II擋二次沖擊強度分布在0~20%之間，其中0~10%所占比例遠大于10%~20%。III擋二次沖擊強度頻次分析如圖6是由N-III在不同的工況條件下得到的III擋二次沖擊強度的分布柱形圖。工況一時，III擋二次沖擊強度分布在40%-70%之間，其中50%~60%所占比例較大；工況二時，III擋二次沖擊強度分布在0~50%和60%~70%之間，其中20%~30%及30%~40%所占比例較大；工況三時，III擋二次沖擊強度集中在0~20%之間，其中0~10%所占比例較大。IV擋二次沖擊強度頻次分析如圖7是由N-IV在不同的工況條件下得到的IV擋二次沖擊強度的分布柱形圖。工況一時，IV擋二次沖擊強度分布在0~10%及30%~70%之間，其中0~10%與40%~50%所占比例較大；工況二時，IV擋二次沖擊強度分布在0~60%之間，其中10%~20%所占比例較大；工況三時，IV擋二次沖擊強度集中分布在0~20%之間，其中0~10%所占比例遠大于10%~20%。▽擋二次沖擊強度頻次分析如圖8是由N-V在不同的工況條件下得到的V擋二次沖擊強度的分布柱形圖。工況一時，V擋二次沖擊強度分布在0~10%、40%~50%及50%~60%之間，各部分所占比例基本相近；工況二時，V擋二次沖擊強度分布在0~10%及20%~40%之間，其中主要集中在0~10%之間；工況三時，V擋二次沖擊強度分布在0~10%及20%~30%之間，其中0~10%所占比例遠大于20%~30%。VI擋二次沖擊強度頻次分析如圖9是由N-VI在工況一條件下得到的VI擋二次沖擊強度的分布柱形圖。工況一時，VI擋二次沖擊強度分布在0~10%及40%~70%之間，其中0~10%所占比例較大；工況二、工況三時，均未發(fā)現二次沖擊現象。分析了二次沖擊的產生過程及機理，依托自行研制的換擋性能試驗臺，設計了換擋性能試驗方案，對不同擋位的二次沖擊強度進行頻次分析，為評價變速器換擋操縱性能提供了試驗依據。根據各擋位二次沖擊強度的頻次分析可知，該變速器I擋未出現二次沖擊，II~VI擋均存在二次沖擊現象，且II擋的二次沖擊強度最大，II擋二次沖擊強度在工況一時有超過70%的部分。⑶同一擋位在工況一即換擋速度較小時，二次沖擊強度頻次高且強度大，均有超過50%的部分；工況二時，二次沖擊強度基本上在50%以下；工況三時，二次沖擊強度均在30%以下。結果表明，隨著換擋速度增加，同一擋位的二次沖擊強度呈現減弱趨勢?！鞠嚓P文獻】SantoshR,ChekuriV.Developmentofanobjectivemethodologyforassessmentofcommercialvehiclegearshiftquality.SAETechnicalPaper，2014-01-0182MoirGB.Aninvestigationintoobjectivemeasuresofgear-shiftquality.ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers，1995;JournalofAutomobileEngineering，1995:209(4):273—279QC/T568.1—2010.汽車機械式變速器總成臺架試驗方法.QC/T568.1—2010.RigtestingmethodforautomanualtransmissionassemblyShigeoM，YasuoM.Synchronizerandshiftsystemoptimizationforimprovedmanualtransmissionshiftability.SAETechnicalPaper，1989-01-7191CristinaA.CorreaL.Basicstudyofshiftsystemformanualtransmission.SAETechnicalPaper，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