【摘要】通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真的方法研究同步器同步過(guò)程，對(duì)同步器摩擦錐面的在不同初始結(jié)合狀態(tài)下的工作過(guò)程進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)同步過(guò)程理論模型計(jì)算同步時(shí)間。根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，搭建了同步器摩擦錐面同步過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真模型，并通過(guò)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明仿真模型能夠更準(zhǔn)確地反映同步過(guò)程的真實(shí)情況。

1  引言

同步器是手動(dòng)變速器和機(jī)械自動(dòng)變速器中的一個(gè)重要部件，其內(nèi)部包含一對(duì)摩擦面，在換檔過(guò)程中，摩擦面的摩擦使兩嚙合部分的轉(zhuǎn)速趨于相同，避免在不同轉(zhuǎn)速時(shí)完成嚙合而產(chǎn)生的沖擊，提高了換檔舒適性，同時(shí)延長(zhǎng)了變速器的壽命。

通常情況下，在保證換檔可靠及較長(zhǎng)壽命的前提下，對(duì)同步器設(shè)計(jì)分析。根據(jù)同步原理的數(shù)學(xué)模型和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將兩摩擦錐面間的摩擦因數(shù)視作常數(shù)，摩擦因數(shù)的大小直接決定了同步時(shí)間的長(zhǎng)短。

本文遵循同步器摩擦錐面原理，建立多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)同步過(guò)程進(jìn)行模擬，供同步器同步過(guò)程的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)參考。

2  摩擦錐面多體動(dòng)力學(xué)模型

同步原理簡(jiǎn)介

目前常用的同步器是慣性同步器，它主要由接合套、同步環(huán)等組成，其特點(diǎn)是依靠摩擦作用實(shí)現(xiàn)同步。由于本文僅關(guān)注雙錐面同步器同步環(huán)摩擦錐面的同步性能，因此對(duì)同步器進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅將外摩擦換、中間環(huán)、內(nèi)摩擦環(huán)和結(jié)合齒圈作為研究對(duì)象。

當(dāng)摩擦錐面之間存在轉(zhuǎn)速差時(shí)，由于軸向力的作用，摩擦錐面上產(chǎn)生摩擦力矩，在其作用下結(jié)合齒圈轉(zhuǎn)速迅速降低( 或升高) 到與同步環(huán)轉(zhuǎn)速相等；同時(shí)由摩擦錐面上產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的慣性力矩，參見(jiàn)圖1。

圖1 同步器摩擦錐面

基于Simpack的摩擦錐面建模

Simpack軟件是專(zhuān)家級(jí)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能仿真分析軟件，可以描述并預(yù)測(cè)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)性能。其求解器采用完全遞歸算法，分析虛擬機(jī)械系統(tǒng)的受力狀況以及零部件的運(yùn)動(dòng)位移、速度、加速度等。

通過(guò)上述同步器摩擦錐面的原理分析，影響同步時(shí)間的關(guān)鍵在于摩擦面摩擦力矩的計(jì)算是否準(zhǔn)確，結(jié)合軟件特點(diǎn)，需導(dǎo)入摩擦面詳細(xì)面網(wǎng)格進(jìn)行接觸力的計(jì)算。摩擦錐面仿真模型如圖2 所示。

圖2 摩擦錐面仿真模型

模型中接觸面接觸力計(jì)算使用Simpack 中PCM 接觸力元，PCM 接觸（多邊形接觸）是單點(diǎn)接觸和有限元方法之間的一種折中，既考慮了復(fù)雜的模型，又極大提高了計(jì)算速度。根據(jù)摩擦錐面材料和尺寸選取接觸定義時(shí)相應(yīng)的參數(shù)值，同時(shí)設(shè)置好求解器參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

表1 零件連接關(guān)系

3  同步過(guò)程仿真分析

摩擦錐面同步過(guò)程仿真

在摩擦錐面同步過(guò)程試驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理，輸出端即外摩擦換端轉(zhuǎn)速為零，輸入端為結(jié)合齒圈，試驗(yàn)中給定結(jié)合齒圈的轉(zhuǎn)速和慣量，外摩擦環(huán)在軸向力的作用下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)摩擦面結(jié)合后產(chǎn)生摩擦力矩，結(jié)合齒圈速度逐漸降為零。試驗(yàn)臺(tái)基本原理如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)基本原理

因此確定以下工況進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，如表2 所示。

表2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)時(shí)能夠測(cè)得外摩擦環(huán)位移、軸向作用力、同步力矩、摩擦錐面理論摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)速變化等曲線，仿真計(jì)算時(shí)將軸向作用力曲線作為輸入，摩擦錐面的摩擦系數(shù)設(shè)為實(shí)驗(yàn)測(cè)得同步過(guò)程摩擦系數(shù)的平均值，然后計(jì)算同步過(guò)程的轉(zhuǎn)速變化曲線和同步力矩曲線，與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，得到6 個(gè)試驗(yàn)工況的對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。其中虛線為仿真值，實(shí)線為實(shí)驗(yàn)值。

圖5 不同工況下仿真和試驗(yàn)對(duì)比

可以看到，在摩擦錐面同步階段，不同工況下轉(zhuǎn)速變化與同步力矩變化的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，基本能夠完全反應(yīng)實(shí)際情況。同時(shí)根據(jù)同步過(guò)程的理論數(shù)學(xué)模型可以計(jì)算同步時(shí)間，對(duì)比不同工況下同步時(shí)間實(shí)驗(yàn)值、理論值和仿真值得差別，如表3 所示。

表3 同步時(shí)間對(duì)比

由表3 可見(jiàn)，理論數(shù)學(xué)模型計(jì)算的同步時(shí)間均比實(shí)驗(yàn)測(cè)試的小，且部分工況誤差較大，達(dá)到26.84%，動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)同步時(shí)間更加接近。這是由于實(shí)際試驗(yàn)中軸向力以及摩擦力矩的增大是一個(gè)逐漸變化的過(guò)程，理論模型中一般按照最大換檔力計(jì)算。總的來(lái)說(shuō)同步時(shí)間的仿真值與實(shí)驗(yàn)值相差比較小，說(shuō)明仿真模型能有效地模擬同步器摩擦錐面的同步過(guò)程。

摩擦力模型轉(zhuǎn)換速度對(duì)同步力矩的影響

仿真模型中摩擦錐面摩擦力矩的計(jì)算使用庫(kù)倫干摩擦力模型，摩擦力的大小依賴(lài)于兩接觸面的正壓力和相對(duì)速度，基于相對(duì)速度的摩擦力摩擦因數(shù)模型如圖5 所示。

圖5 摩擦力模型參數(shù)

其中Vesp 為靜摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦的轉(zhuǎn)換速度，μ=const 為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，VT 為相對(duì)速度。

當(dāng)Vesp 不同時(shí)會(huì)對(duì)摩擦力的計(jì)算有較大影響，最終影響同步力矩的計(jì)算，因此針對(duì)工況一的條件，改變不同的Vesp 數(shù)值，比較同步過(guò)程摩擦力矩的變化趨勢(shì)，如圖6 所示。

圖6 Vesp不同對(duì)摩擦力矩的影響

可以看出在摩擦錐面同步階段，Vesp 的變化對(duì)摩擦力矩從峰值下降為零的階段影響較大，對(duì)其他階段無(wú)影響。當(dāng)Vesp 逐漸增大時(shí)摩擦力矩從峰值下降的拐點(diǎn)越早，變化更加平穩(wěn)，與實(shí)際變化過(guò)程更加接近。

4  結(jié)論

針對(duì)同步器摩擦錐面結(jié)合過(guò)程的基本原理，運(yùn)用Simpack 建立了摩擦錐面的多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，模擬了摩擦錐面的工作過(guò)程。在所建模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了同步過(guò)程的仿真分析和理論模型、實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型能有效地模擬同步器的同步過(guò)程，為設(shè)計(jì)、控制和優(yōu)化摩擦錐面參數(shù)，提供了一種途徑。

來(lái)源：MBD之家

作者：劉卓