摘要：详细介绍摩擦系数的试验方法，利用试验台对某款变速箱的一二档同步器总成进行了试验，并对同步环的摩擦系数进行分析，验证摩擦系数变化与同步环材料磨损之间的对应关系。通过对某变速箱一二档同步器5万次试验数据进行分析，为同步器单体试验提供试验方法和案例，也为不同摩擦材料的性能试验提供分析依据。

关键词：同步器;汽车试验;摩擦系数;台架系统

1 同步器单体试验台结构

1.1 同步器等效模型

由于齒轮比和安装位置的不同，同步器与每个齿轮的惯性和转速差异存在差异。 下面分析同步器的数学模型。

同步器主动部分运动方程为：

…………………………….（1.1）

令k=sign（i_y-i_x），则升档时k=-1，降档时k=1。

其中：

ω₁：同步器主动部分转速（一轴转速）;

T_s：同步扭矩;

T_c：转换至离合器主动部分的离合器阻力矩;

T_T：转换至离合器主动部分的变速箱阻力矩;

J：同步器主动部分的总转动惯量，J= J_T + J_C;

J_T：变速箱主动部分转换至同步器上的转动惯量;

Jc：离合器转换至同步器上的转动惯量;

J_V：转换至离合器被动部分的总转动惯量;

ix：换挡动作完成前的传动比;

iy：换挡动作完成后的传动比;

从以上分析可以看出：

（1）、升档时，同步器一轴在T_s作用下转速下降，降档时，同步器一轴在T_s作用下转速上升;

（2）、T_c与T_s的方向始终相反，对同步力矩起到削弱作用，不利于同步过程;

（3）、升档时T_T与T_s方向相同，有利于同步过程;降档时T_T与T_s方向相反，不利于同步过程;

（4）、升档时T_v不利于同步过程，降档时有利于同步过程。

1.2 摩擦系数

摩擦系数是同步器的固有参数，在同步器工作过程中不会发生大的变化，只要确定摩擦副材料、同步器环的中值直径和同步器的锥角，摩擦系数就是恒定的。但是，在实际过程中，由于摩擦面状态（局部不规则，毛刺等）、润滑油流量、系统误差、接触面积、润滑油温度等同步环摩擦面有关参数的影响，实际测量的摩擦系数有可能将偏离理论值^[1]。经试验磨合之后，得到的摩擦系数将会接近理论值，所以摩擦系数可以作为同步环磨合效果的评价指标，计算公式如下。

…………….（1.2）

其中：

T为同步扭矩;

F为轴向力;

r₁、r₂、r₃为三个摩擦锥面的中位半径，没有则为零;

sinθ₁、sinθ₂、sinθ₃为三个摩擦锥面的锥角正弦，没有则为零;

μ为摩擦系数。

以上推导可得，K为常量，由同步环锥面数（单锥面、双锥面、三锥面）、锥面中位半径、锥角等机械结构共同决定，对于结构上有差异的同步器总成，K值通常也不同，通过对摩擦力矩T和换挡轴向力F的测量可以得到摩擦系数μ。

1.3 试验台架设计

在台架系统设计过程中，除了考虑各个参数的精确测量，还应充分保证同步器的工作状态与整车姿态保持一致，比如：同步器的一轴惯量应做成可调节式，可根据不同的离合器摩擦盘进行惯量调节^[2];二轴惯量应确保车速的稳定，输出端转速不受换挡冲击造成较大的波动;液压换挡机构要兼具力量控制和位置控制的双闭环控制能力;润滑油系统能够根据不同的同步器进行流量调节和温度控制。

2 摩擦系数试验分析

2.1被试件参数

为了研究同步环摩擦系数的试验方法，本文对某款DCT变速箱的一二档同步环进行五万次以上的耐久性试验，试验参数如下：

试验样品包含一套同步环和一套齿轮配件，同步环包括一二挡外环、中间环、内环各一个，齿轮配件包括一档齿轮、二档齿轮、花键齿毂、滑套各一个和三个预同步定位销。其中，一档齿轮安装在静止端，二档齿轮安装在滑动端。

在以下试验条件下进行不少于50000次的循环耐久试验：

2.2 单次同步过程的摩擦系数

以下是单次同步环接合过程曲线，数据曲线能够匹配同步器接合的三个过程，即预同步阶段、同步阶段和啮合齿啮合阶段^[3]。在预同步阶段，同步环处于排油的过程中，随着油膜逐渐变薄，一轴转速开始缓慢变化，摩擦系数μ快速上升;在同步阶段，同步环处于干磨状态，一轴转速在摩擦力矩的作用下开始快速变化，摩擦系数保持在最大值附近;在啮合齿啮合阶段，齿毂转速与档位齿转速非常接近，转速差趋于零，摩擦系数μ急剧降低。

2.3 摩擦系数变化趋势

随着摩擦次数的增加，同步环厚度逐渐变薄，摩擦系数整体呈降低趋势，转速信号选取各次同步过程的最大转速差，其他信号选取各次同步过程的平均值。

在50000次试验过程中，摩擦系数和摩擦力矩的变化关系如下，在整个疲劳试验过程中同步时间不超过0.21s;摩擦系数在1000个循环之前偏高且变化较大，在1000-50000次循环中有少许下降且趋于稳定;减速档的摩擦系数稍微高于增速档，这是因为试验台的摩擦效应，试验台系统的摩擦损失（轴承、油的拖滞等）在减速时是支持减速过程的，而在加速时是阻碍加速过程。

试验后经拆解同步器总成发现，同步环各锥面均出现一定程度的磨损，但不影响同步器换挡功能。

在运行50050次循环以后，齿套和接合齿没有明显磨损痕迹，一档和二档的锥面磨损量分别为0.190mm和0.405mm，外环端面离内环端面的距离仍然大于零，分别余下0.410mm和0.392mm，为安全距离。试验结果显示试验成功。

降档时随着同步时间增加，同步冲量会增大，升档时随着同步时间增加，同步冲量会减小，这与实际经验完全一致，即换高档时动作要慢，而换低档时动作要快。

3 全文总结

本章给出了同步器单体试验流程和方法，详细分析了同步环在摩擦试验过程中摩擦系数的变化趋势，同时和同步环锥面磨损形成对比。希望对于推广摩擦材料的试验方法能够起到抛砖引玉的作用。

参考文献

[1] 梁礼明，王祖麟，张振利. 新型变速箱试验台的研制与电气分析.机床与液压，2005.No.10，80～82

[2] 牛连丁. 变频器的工作原理和控制方式.科技咨询导报，2007，第20期

[3] 何莉，张为公等.基于Vx Works 的汽车同步器试验台测试系统.测控技术，2009，28（11）：40-44.

作者简介：徐宗卿 男，1987.3，同济大学 汽车学院（201807），江苏东海人，中级工程师，本科。

（作者单位：同济大学汽车院）