【文章內容簡介】 用于現代汽車機械式變速器領域 [12]。另外，同步器能使換擋快速準確、操縱輕便，極大地提高了換擋系統(tǒng)的使用壽命 [34]。 隨著貨車載荷的不斷提高，配置的發(fā)動機功率也在不斷增大。為適應發(fā)動機的運轉狀況，確保在經濟轉速下運轉，重載貨車逐漸配置 8 擋、 10 擋 等多擋位變速箱，實現了發(fā)動機轉速與傳動系統(tǒng)的匹配，達到了節(jié)能省油的目的 [5]。然而隨著車載能力的增加，同步器換擋時的傳遞的 轉矩 也相應增大，這也就意味著同步器等傳遞部件尺寸的增大，轉動慣量隨之增大，慣量越大越難同步。變速箱受空間布局的限制，體積變化不大，而變速箱內傳動部件的增大，導致變速箱的散熱性不 良，齒輪油溫度升高，影響同步器的換擋性能。 綜上所述 ，重載變速箱在換擋 平穩(wěn) 性方 面存在換擋困難、穩(wěn)定性差等一系列不足。針對變速箱在換擋過程中 的 這些 問題，因此，有必要提高變速箱同步器的換擋性能 。 影響同步器性能的主要因素有同步器結構和材料。在 這兩 方面已做了大量工作，同步器結構包括同步環(huán)名義 半徑 的大小、同步環(huán)工作面的寬窄 、摩擦錐面半錐角的大小 ， 以及多錐面同步器等 ，其原理都是增 加 摩擦錐面的面積，增大摩擦力矩，達到平穩(wěn)快速換擋的效果；現階段同步器所用的摩擦材料主要有紙基層、鉬基層和銅基層，從磨損率、抗超載能力、極限載荷和導熱性等方面選擇合適的材料。 除此之外齒輪油也是影響同步器性能的重要因素， 因為 同步器長期浸泡在盛油的變速箱中 。 潤滑油影響同步器性能主要從潤滑油的一些理化性能、潤滑狀態(tài) ， 以及潤滑油與材料的相適應性等方面 體現出來 。潤滑油理化性能指標的改變將會引起潤滑形式和潤滑效果的改變，如粘度降低，油膜變薄，摩擦副摩擦狀態(tài)可能從流體動壓潤滑到邊界潤滑甚至干摩擦；潤滑形式不一樣，摩擦特性也 將不一樣，如油浸潤滑和飛濺潤滑；對相同的摩擦材料使用不同的齒輪油進行潤滑，其摩擦特性將會有很大的不同 ， 為此研制了許多專用齒輪油。齒輪油是變速箱潤滑系統(tǒng)不可或缺的潤滑介質，它除了要滿足極壓抗磨性能等要求武漢理工大學碩士學位論文 2 外，還要具有穩(wěn)定的摩擦系數、較小的磨損量和較長的使用壽命，也就是齒輪油與變速箱同步器需要具有良好的適應性，這足以說明齒輪油對變速箱同步器性能的影響不可忽視。但現階段關于齒輪油摩擦特性的研究很少，主要側重于同步器的結構和材料，即便有相關研究也不符合我國重載變速箱實際工況，這些嚴重制約著重載變速箱的用油水平。因此， 有必要針對我國重載變速箱實際工況展開齒輪油摩擦特性綜合研究來填補這方面的不足。 為了更好地保障重載變速箱同步器的使用性能，必須使用承載能力強、使用壽命長 、 低耗維護 ，以 及運行平穩(wěn)等高性能的齒輪油 [6]。研制高性能齒輪油，重載變速箱同步器試驗臺是分析相應油品的關鍵 ， 在試驗臺上開展齒輪油摩擦特性研究，可驗證齒輪油與變速箱同步器的適應性，并可進一步指導潤滑油技術指標的設計，這對于提高重載變速箱用油水平和壽命，保障重載貨車的機動性和換擋舒適性，具有很好的經濟效益和社會效益。 同步器的工作原理及過程 同步器的工作原理 同步器是在結合套換擋機構基礎上發(fā)展起來的，其中除了結合套、花鍵轂和對應齒輪外， 還增設了同步環(huán)與錐體，使結合套與齒輪轉速達到一致前阻止嚙合以防止沖擊的裝置 [79]。雖然同步器的結構形式各有不同， 常用的有慣性鎖環(huán)式、增壓式等， 但工作原理一樣，都是利用摩擦來實現同步的 [1012]。以慣性鎖環(huán)式為例，分析同步器的工作原理 [1314]。 重載型貨車廣泛采用鎖環(huán)式慣性同步器，其結構如圖 11 所示。 花鍵轂 7 與第二軸用花鍵連接，在花鍵轂兩端與錐體 1 和 4 之間，各有一個銅合金制成的同步環(huán) 5 和 9。在兩個同步環(huán)端面上都有倒角，且與結合套 8 齒端的倒角相同，起鎖止作用。在花鍵轂的三個軸向槽 11 內分別嵌合著一個滑塊 2，在彈簧圈 6的彈力下，使滑塊中部的凸臺正好嵌在結合套中部的凹槽 10 中，起防止擋位脫擋的作用。在軸向力推動下，通過機械傳遞結合套推動滑塊 2 的兩端伸入同步環(huán)的三個缺口 12 中。只有當滑塊位于缺口中央時，結合套與同步環(huán)的齒方可接合。 武漢理工大學碩士學位論文 3 1－ 錐體 ； 2－ 滑塊； 3－ 撥叉 ； 4－ 錐體 ； 5－同步環(huán)； 6－ 彈簧圈； 7－花鍵轂 ； 8－ 結合套 ； 9－ 同步環(huán)； 10－ 結合套凹槽 ； 11－ 花鍵轂軸向槽 ； 12－同步環(huán) 缺口 圖 11 鎖環(huán)式同步器結構圖 同步器的工作過程 圖 12 為鎖環(huán)式慣性同步器工作過程示意圖 ，將 換擋過程分為以下四個階段 。 1） 開始階段 在換擋力作用下換擋撥叉撥動接合套 1，彈簧 2 壓緊定位銷 3 嵌合在結合套的凹槽中，使定位銷隨著結合套一起運動，定位銷又推動滑塊 4 一起向左移動。在滑塊的推動作用下同步環(huán) 5 移向錐體 6，同步環(huán)的轉速小于錐體的轉速 （ n5n6） ，在轉速差作用下摩擦錐面接觸便產生摩擦。摩擦力帶動同步環(huán)加速，結合套相對于同步環(huán)后退了一個角度，當同步環(huán)凸臺側面與花鍵轂 7 通槽的一側面相互抵觸時，在剛性傳遞 作用下同步環(huán)與結合套同轉速運轉。此時，同步環(huán)的齒端倒角與結合套的齒端倒角相互抵觸而不能進入嚙合。 2） 同步階段 駕駛員撥動擋桿，使同步環(huán)齒端斜面上有作用力 F，如圖 12 中 （ b） 所示。在軸向力 F2 推動下使同步環(huán) 5 的內錐面與錐體 6 的外錐面緊密接觸，產生摩擦力矩 M，使兩者轉速快速同步。摩擦力矩使錐體轉速減小，根據牛頓第一定律武漢理工大學碩士學位論文 4 產生慣性力矩 M1，阻止錐體減速。 M1 作用于同步環(huán)上，阻止同步環(huán)加速。若MM1，則二者不可能進入接合；如果 MM1，則同步環(huán) 4 向后退轉一個角度，使接合套齒圈與同步環(huán)齒圈進入接合。 （ a） 開始階段 （ b） 同步階段 （ c） 脫鎖階段 （ d） 接合階段 1－結合套； 2彈簧； 3－定位銷； 4－滑塊； 5－同步環(huán)； 6－錐體； 7－花鍵轂 圖 12 鎖環(huán)式慣性同步器工作過程示意圖 3） 脫鎖階段 駕駛員繼續(xù) 施加換擋力 ，使 錐體 6 與同步環(huán) 5 的轉速相同， 恒轉速運轉，于是 慣性力矩消失。 在 軸向力 F2 作用 下 ， 對偶 錐面還是緊密 接觸 ，此時 同步環(huán)連同錐體及與之相連的所有零件在切向力 F1 形成的撥環(huán)力矩 作用下，使同步環(huán)的凸臺部位退轉到花鍵轂 7 通槽的中央位置，倒角斜面相互錯開。結合套在換擋力推動下繼續(xù)左移，與 同步環(huán)的花鍵齒圈進入接合，同步環(huán)的鎖止 功能 即行消失。 4） 接合階段 當結合套 與同步環(huán)接合后， 如果同步環(huán)的花鍵齒錐體的花鍵齒在軸向完全武漢理工大學碩士學位論文 5 重合，結合套與錐體直接結合；如果花鍵齒不完全重合，結合套與錐體的倒角斜面相抵觸，此時，錐體倒角斜面上的切向分力撥動錐體轉過一個角度，兩者花鍵齒進入結合，完成換擋。 影響同步器性能的主要因素 同步性能和鎖止性能是同步器的兩大基本功能。其中，同步性能直接影響變速器換擋 的快速性和平順性。為了研究同步性能， 1968 年 等人建立了同步器工作模型， AbdelHailim 等人 [15]在此基礎上簡化模型如圖 13， 推導了同步器主要技術參數的計算公式 ： sinFRfM ?? （ 11） 式中： α——摩擦錐面半錐角， （ 176。） ； ?——摩擦錐面的摩擦系數； M——同步器同步力矩， Nm； R——同步環(huán)的名義 半徑 ， mm； F——作用在同步器齒套上的同步力， N。 I vn c n vMM c M vI c IC—為輸入端的 當量 轉動慣量； IV—為整車當量轉動慣量； nC—為 輸入軸 旋轉速度； nV—為 主軸 旋轉速度 ； MC、 Mv—為離合器與車輛行駛的阻力矩； M—為摩擦副間產生的摩擦力矩 圖 13 同步器系統(tǒng)簡化模型 影響同步器性能的主要因素： ① 潤滑油， 選用與摩擦材料兼容性好的潤滑油，使摩擦材料在有界面潤滑的情況下具有較高且穩(wěn)定的摩擦系數和較低的磨損量 [16]； ② 材料， 提高摩擦材料的性能，包括極低的磨損率和耐久性、較高的武漢理工大學碩士學位論文 6 能量負荷、以及良好的耐熱性和大的熱容量 [1718]； ③ 結構， 優(yōu)化設計同步器結構，包括增大同步器摩擦半徑、同步環(huán)的工作面寬度和減小同步器摩擦錐面半錐角，除此之外還有雙錐及多錐面同步器設計 [1921]。 潤滑油與材料的相適性 同步器長期浸泡在盛油的變速箱中，齒輪油對同步器摩擦磨損性能的影響，主要表現在以下兩個方面 [2224]：一方面變速箱中的齒輪油在使用過程中生成的化學反應層和有機分子組成的界面層將對偶錐面的摩擦副分開，降低了摩擦副的摩擦系數，使摩擦副形成的摩擦力矩不足以完成同步嚙合過程；另一方面由于潤滑油的衰變變質、粘度降低等，使齒輪 油的潤滑作用減弱，如齒輪油的流動性變差，摩擦副不能被及時冷卻， 在 再熱應力反復作用下表面層萌生裂紋，同時高溫產生的氧化雜質進入到摩擦對偶錐面，損傷摩擦副表面，加劇磨損，最終導致同步器的失效而出現打齒現象。 由此可見，齒輪油特性對同步器的使用性能也具有重要的影響。 等人 [2527]的 研究工作表明，不同品牌的齒輪油與摩擦材料的相適性不同，如齒輪油粘度、氧化生成物等的變化影響摩擦系數的變化，影響同步器的換擋性能。同時， Abraham 等人 [2830]的研究工作表明齒輪油的 粘 度級別和添加劑的種類及含量多少等影響同步器換擋性能。目前，齒輪油種類繁多，但在整個變速箱內針對不同的工作區(qū)域都有良好性能的齒輪油為數不多 [31]。齒輪油與摩擦材料的相適性各不相同，同步器用齒輪油在使用周期內要滿足大且穩(wěn)定的摩擦系數和較小磨損量的要求，即齒輪油與摩擦材料具有良好的相適性 [32]。 同步器的摩擦 材料 [33] 同步器的同步時間一般在 s 左右，同步環(huán)和錐體在同步時間內完成 加速或減速 ，使摩擦錐面的工況條件極其惡劣。因此，對同步器摩擦材料提出了更高的要求。同步器摩擦副材料需滿足如下性能要求： ① 較好的抗磨性 和耐久性，摩擦 錐面磨損 盡可能少 ； ② 在 邊界潤滑的 情況下具有高 而 穩(wěn)定的摩擦 系數 ； ③良好的 齒輪油相容性 ； ④ 能夠承受高載荷沖擊的力學性能； ⑤ 具有較好的能量吸收和功率吸收能力。因此，改進同步器摩擦材料一直是研究的重點。 目前同步器的摩擦材料主要有 紙基層、銅基層 和鉬基層三種。其中，紙基層抗超載能力差 [34]，銅基層抗磨性較差。因此，紙基層和銅基層一般都不應用武漢理工大學碩士學位論文 7 于重載型同步器中。 鉬基層采用鋼制同步環(huán)作為摩擦層基體，具有很大的抗沖擊強度 和較好的抗磨韌性，摩擦系數受摩擦面工作時間的影響很小，只是略微降低， 因此這種鋼基噴鉬的同步環(huán)在重型變速器中得到了廣泛的應用。 20 世紀80 年代中期，重載變速箱同步器生產中已應用鉬基層制造工藝，目前該技術在國內 已經成熟 [35]。由上述分析可知，現階段在重型變速器的同步器設計時應優(yōu)先采用鉬基摩擦層。 同步器結構的優(yōu)化設計 換擋操作更加平順是同步器結構優(yōu)化設計的目的，摩擦力矩越 大換擋越平順。 由式 （ 11） 可知， 摩擦力矩與同步環(huán)的名義半徑 R 成正比，名義半徑越大，換擋越平順，但受變速箱空間幾何的限制，名義半徑選擇要合適。同時分析同步環(huán)內錐面寬度 B，錐面 寬度 B 越大，摩擦面積就越大，同步力矩也就越大。 同步環(huán)的軸向尺寸受變速箱幾何空間的影響，不宜過大。但同步環(huán)摩擦錐面工作時摩擦生熱，瞬間會釋放大量的熱量，錐面寬度與散熱性成正比，錐面尺寸越大抗磨性越好。 因此，設計時選擇合適的同步環(huán) 錐面 寬度。 對于摩擦半錐角 α 而言，同步力矩 與 半錐角 成反比關系 ， 要使換擋平順好半錐角就越小， 但是過小的半錐角 導致 兩錐面在同步后極易出現 粘 著現象 ，使同步環(huán)無法被輕易撥正，影響換擋的平順性，半錐角受自鎖條件的限制不能太小。因此，在保證有足夠摩擦力矩的條件下，適當增大半錐角以避免自鎖現象的發(fā)生， 一般控制在 176。~9176。之間。 另外， 多錐面 結構 是同步器優(yōu)化設計的 另 一個 發(fā)展方向 [8]， 但 受 同步器錐面數過多 、 結構 復雜 、 成本增加 等因素影響，現處于研究改進階段，還未廣泛使用。 齒輪油摩擦特性國內外研究現狀 [36] 目前，關于變速箱同步器試驗臺齒輪油摩擦特性研究最具有代表性的有兩個：一是北美的手動變速箱油循環(huán)耐久性研究，相對應的評定方法是ASTMD5579，我國已將該試驗方法采標制定為 SH/T0756 手動變速箱油熱安定性評定法（循環(huán)耐久）；二是德國 ZF 公司的同步嚙合耐久性研究，相對應的評定方法是 CECL6699，該方法在歐洲使用較普遍，對于該方法我國目前相關單位正在消化吸收，還沒有建立 自己的標準評定方法。同時，國內一些科研院所根據自身的研究需要也 開展了一些關于齒輪油摩擦特性的工作。 武漢理工大學碩士學位論文 8 手動變速箱油循環(huán)耐 久性研究 圖 14 為 MACK 循環(huán)耐久性試驗臺的示意圖。該試驗臺所用的變速箱為Mack T2180，變速箱以電機為動力源，