孫長飛

拖拉機變速器同步器接合特性及控制研究

孫長飛

江蘇海事職業(yè)技術(shù)學院輪機工程學院,江蘇南京211170

針對拖拉機變速器同步器接合過程中振動、沖擊及控制延遲等問題，以某拖拉機變速器同步器為研究對象，建立變速器同步器動態(tài)接合及其控制模型，并進行仿真分析。研究結(jié)果表明，在同步鎖環(huán)未鎖定時，錐形離合器產(chǎn)生負載力矩作用在高速旋轉(zhuǎn)的接合套和齒輪上，使其轉(zhuǎn)速不斷降低，當同步鎖環(huán)與待接合齒輪的鎖止角相互接觸時，由于在兩接觸面會產(chǎn)生摩擦阻力矩，使得兩者的轉(zhuǎn)速不斷降低，逐漸達到同步轉(zhuǎn)速；干式離合器同步器接合持續(xù)時間及波動比濕式離合器大，且閉環(huán)控制同步器接合持續(xù)時間及波動也大于開環(huán)控制。

拖拉機變速器;同步器;接合特性;控制

1 引言

拖拉機作為農(nóng)業(yè)機械中的一個重要組成部分，對農(nóng)業(yè)實現(xiàn)自動化提供不可替代的作用。變速器作為拖拉機傳動系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能的好壞對傳動系統(tǒng)性能有直接的影響。同步器作為變速器關(guān)鍵零部件之一，其結(jié)合特性的優(yōu)劣，直接關(guān)系到變速器在換擋過程中輪齒或花鍵齒間的沖擊特性及換擋迅速準確性。在換擋過程中，同步器可以避免變速器在不同轉(zhuǎn)速條件下進行嚙合而產(chǎn)生較大的沖擊和振動，從而提高車輛換擋舒適性及變速器的使用壽命。同步器的同步性能有高耐磨性、大同步力矩、穩(wěn)定的摩擦性能和抗超載能力。正因為同步器對傳動系統(tǒng)的傳動特性影響較大，因此，有必要對傳動系統(tǒng)中同步器的結(jié)合特性及其控制進行研究。

國內(nèi)外眾多學者同步器及其特性進行了研究。其中，趙剡水等[1]闡述了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)拖拉機技術(shù)發(fā)展過程及其整機和零部件技術(shù)發(fā)展狀況；徐立友等[2]對拖拉機變速箱進行了論述；溫輝等[3]對拖拉機傳動系統(tǒng)中的離合器、變速器及換擋特性進行了研究；趙慶帥等[4]以防止同步環(huán)自鎖和同步器鎖止性能為基本條件，研究了同步環(huán)錐面參數(shù)對同步器性能等方面的影響；Y.Liu等[5]對手動變速箱同步器結(jié)合特性進行仿真和分析；L.Lovas等[6]對同步器改進機制的力學行為進行仿真分析；P.D.Walker等[7]建立雙離合器變速器同步器模型，并對其特定應用進行了分析。

雖然國內(nèi)外眾多學者對變速器同步器的各種特性進行了研究，但是對拖拉機變速器的同步器結(jié)合特性及其控制的研究相對較少。基于此，本文通過建立拖拉機變速器同步器動態(tài)接合及其控制模型，對不同工況下的同步器結(jié)合特性及其控制進行了分析，為提高拖拉機變速器換擋效率及變速器的使用壽命提供一定的依據(jù)。

1 拖拉機同步器結(jié)構(gòu)及作用

圖1為同步器結(jié)構(gòu)。由圖1可知，同步器主要由接合套、同步鎖環(huán)、錐形離合器及待接合齒輪等組成，且待接合齒輪、接合套和同步鎖環(huán)的齒圈上均有一定的倒角即為鎖止角，通過鎖止角可以使齒套與齒圈鎖止，防止在同步前齒輪進行嚙合。同步器是通過摩擦作用實現(xiàn)同步。同步鎖環(huán)的內(nèi)錐面與待接合齒輪齒圈外錐面接觸產(chǎn)生摩擦。

同步器通過同步鎖環(huán)內(nèi)錐面與待接合齒輪齒圈外錐面接觸，從而在兩接觸面會產(chǎn)生摩擦力矩，在摩擦阻力矩的作用下使得齒輪轉(zhuǎn)速迅速降低（或升高）達到與同步鎖環(huán)轉(zhuǎn)速相等，從而實現(xiàn)兩者同步旋轉(zhuǎn)。當同步鎖環(huán)與齒輪同步旋轉(zhuǎn)時，兩者之間的相對于轉(zhuǎn)速為零，在這樣的情況下，同步鎖環(huán)與齒輪的慣性力矩消失，在同步器推塊作用力的推動下，接合套不斷移動與同步鎖環(huán)齒圈接合，并與待接合齒輪的齒圈進一步接合從而完成變速器的換檔過程。

圖1 同步器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of synchronizer

拖拉機變速器在換擋時，由于其同步器的同步結(jié)合過程極短即接合時間極短，為了實現(xiàn)自動化操作及高同步性能，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理與電控機械式自動變速器中的換檔機構(gòu)同步器基本相同即均由圖1中所示的接合套、同步鎖環(huán)、錐形離合器及待接合齒輪等組成。但是其控制機構(gòu)，因為要實現(xiàn)無極變速，一般采用增加多個換檔油缸或電機來實現(xiàn)。正因為其接合時間極短，再加之采用同步器預先接合的方式。因此，國內(nèi)外對拖拉機變速器的同步器主要從其接合、同步容量校核、同步力及力矩等方面進行了研究。

2 拖拉機同步器接合動態(tài)及控制模型

2.1同步器接合動態(tài)模型

同步器同步性能的優(yōu)劣與接合套力矩及位移有很大關(guān)系，因此對力矩及位移的精確控制，是保證同步器平穩(wěn)特性的保證之一。其中4種重要的力矩對同步器同步過程影響較大，其分別為錐形離合器力矩、鎖止力矩、驅(qū)動力矩、阻力矩。

錐形離合器力矩是分段的，當離合器處于分離時，力矩來源于粘滯接觸力矩，當離合器接合時，會產(chǎn)生動摩擦力矩，而當同步器同步完成產(chǎn)生靜摩擦力矩。因此，可得錐形離合器的力矩為：

式中：μ為流體粘滯系數(shù)；Dμ、C,Sμ分別為動態(tài)、靜態(tài)摩擦系數(shù)；AF為軸向力；CR為錐形離合器平均半徑；b為錐形離合器半接觸母線；DT為阻力矩；α為錐度角；sθ&錐形離合器滑動速度；Sx為錐形離合器位移；0X為錐套最小位移；PWI為主軸轉(zhuǎn)動慣量；PWθ為主軸轉(zhuǎn)角。

同步鎖環(huán)的鎖止力矩由加載力矩與摩擦阻力矩之差，其值為：

式中：β為鎖止角；Iμ為同步鎖環(huán)摩擦系數(shù)；IR為同步鎖環(huán)節(jié)圓半徑。

在考慮同步鎖環(huán)與待接合齒輪的接合間隙及器相對運動的情況下，步鎖環(huán)的鎖止力矩為：

式中：λ為同步鎖環(huán)接觸間隙；x&為接合套速度；e為常數(shù)；v為同步鎖環(huán)速度。

在同步器整個同步過程中，必須滿足力矩平衡，且各力矩之間存在特定的相互關(guān)系。當錐形離合器未鎖定時，各力矩之間的關(guān)系為：

當錐形離合器鎖定時，各力矩之間為關(guān)系為：

為了保持兩同步齒輪的位移要求，各力矩之間為關(guān)系為：

阻力矩主要由軸承、齒輪及主軸的安裝偏差及摩擦等產(chǎn)生的力矩組成。對于濕式離合器而言，阻力矩與齒輪、主軸、軸承的速度及離合器粘滯損失有關(guān)。由此，可得在不同速度下的瞬態(tài)阻力矩為：

式中：Gω、CLωV分別為齒輪速度、離合器滑動速度；WT、FT分別為齒輪偏差、摩擦力矩；BT、TSH、TCL分別為軸承、主軸、離合器阻力矩。

對于干式離合器，離合器粘滯損失較小，離合器阻力矩對系統(tǒng)的影響。由此可得在不同速度下的瞬態(tài)阻力矩為：

采用集中質(zhì)量法，拖拉機變速器進行簡化，簡化系統(tǒng)為激勵系統(tǒng)同步器及平衡飛輪。并對簡化系統(tǒng)進行動力學建模，可得簡化系統(tǒng)的動力學模型為：

式中：cI、PI、FI分比為激勵系統(tǒng)、同步器、平衡飛輪轉(zhuǎn)動慣量；cθ、Pθ分別為激勵系統(tǒng)、同步器轉(zhuǎn)角；γ為傳動比；cK為激勵系統(tǒng)剛度；ST為同步器力矩。

式中：0cI為激勵系統(tǒng)初始轉(zhuǎn)動慣量；IV激勵系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的變化量；SX為接合套位移；cX為接合套最小位移。

2.2液壓控制模型

同步器控制系統(tǒng)比較簡單，只要對接合套位移進行控制，但由于同步器接合時間較短大約100 ms左右，因此可以采用高流量開/關(guān)螺線管進行控制。圖2為同步器液壓控制系統(tǒng)簡圖，根據(jù)圖2可知，通過高流量開/關(guān)螺線管對液壓缸兩個壓力腔室進行控制，從而實現(xiàn)對同步器接合套位移的控制。為了簡化控制系統(tǒng)，假設(shè)進油口開和關(guān)時不會產(chǎn)生壓力波動。

圖2 同步器液壓控制系統(tǒng)Fig.2 The control system of hydraulic sychronizer

根據(jù)同步器液壓控制系統(tǒng)，可得開/關(guān)螺線管執(zhí)行機構(gòu)的壓力為：

式中：INP、EXP分別為進口、出口壓力；τ為延遲時間；t為時間。

根據(jù)圖2及可壓縮流體和液壓理論，可以得到液壓缸流量為：

式中：V為腔室體積；κ為體積彈性模量；P為壓力。

則控制系統(tǒng)目標壓力為：

當接合套運動時，液壓缸的體積將會發(fā)生變化，因此腔室體積不為常數(shù)，則目標壓力為：

式中：0V為腔室的初始體積。

假設(shè)體積彈性模量κ為常數(shù)，可以液壓控制系統(tǒng)流量為：

式中：Qorifice為進油口流量；Qvolume為腔室體積流量；Qleak為泄露流量。

基于孔口和環(huán)形孔流體方程，可得體積變化流量為：

式中：DC為流量系數(shù)；RSC為徑向間隙；SD為液壓缸直徑；1CVP為控制腔室1壓力；1CVD為進油口直徑；SA為液壓缸截面積。

根據(jù)上述分析，可得控制液壓腔室1的壓力為：

同理可得，控制液壓腔室2的壓力為：

液壓系統(tǒng)的開環(huán)控制是指通過液壓系統(tǒng)直接對執(zhí)行機構(gòu)進行控制，其控制回路簡單、精度較低；而液壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制是指通過液壓系統(tǒng)對執(zhí)行機構(gòu)的輸出進行檢測、反饋，并與輸入信號進行比較，從而形成閉環(huán)控制，其控制精度高、結(jié)構(gòu)復雜、成本高。

3 仿真與分析

根據(jù)上述建立的模型，以某型拖拉機變速器傳動系統(tǒng)為研究對象，其主要參數(shù)如表1所示。根據(jù)表1的主要相關(guān)參數(shù)，對變速器由3檔變換到4檔過程中，同步器的接合特性及其控制進行仿真。

表1 主要參數(shù)值Table 1 Main parameter value

圖3接合套與待接合齒輪不同相對旋轉(zhuǎn)角下同步器接合套位移Fig.3 Synchronizer joint displacement of joint set and engaging gear under difference relative rotation

圖3 為接合套與待接合齒輪之間不同相對旋轉(zhuǎn)角下接合套位移。由圖3可知，當相對旋轉(zhuǎn)角小于或者大于二分之一最大旋轉(zhuǎn)角時，同步器存在兩個相互作用的過程，首先，在同步鎖環(huán)未鎖定時，錐形離合器產(chǎn)生負載力矩作用在高速旋轉(zhuǎn)的接合套和齒輪上，使其轉(zhuǎn)速不斷降低，逐漸達到同步。其次，當同步鎖環(huán)與待接合齒輪的鎖止角相互接觸時，由于在兩接觸面會產(chǎn)生摩擦阻力矩，使得兩者的轉(zhuǎn)速不斷降低，逐漸達到同步轉(zhuǎn)速。當接合套與待接合齒輪存在相對旋轉(zhuǎn)角時，接合套位移會產(chǎn)生一定的波動即同步器接合時產(chǎn)生一定的延遲。

圖4為不同離合器及控制方式下同步器接合套位移，其中圖4(a)、4(b)、4(c)分別為接合套與待接合齒輪之間相對旋轉(zhuǎn)角小于、等于及大于二分之一最大旋轉(zhuǎn)角時，濕式、干式離合器及開環(huán)和閉環(huán)控制下，同步器接合套的位移。由圖4(a)可知，在對旋轉(zhuǎn)角小于二分之一最大旋轉(zhuǎn)角時，濕式離合器同步器接合持續(xù)時間和延遲時間都大于干式離合器，閉環(huán)控制同步器位移波動比開環(huán)控制大，且濕式離合器閉環(huán)控制同步器接合持續(xù)時間最大其值為101.5 ms。由圖4(b)可知，在對旋轉(zhuǎn)角等于二分之一最大旋轉(zhuǎn)角時，濕式離合器同步器開環(huán)和閉環(huán)控制基本一致，而干式離合器同步器閉環(huán)控制波動大于開環(huán)控制，且干式離合器同步器波動比濕式離合器大，干式離合器同步器閉環(huán)控制接合持續(xù)時間最大其值為86.8 ms。由圖4(c)可知，在對旋轉(zhuǎn)角大于二分之一最大旋轉(zhuǎn)角時，濕式離合器同步器開環(huán)和閉環(huán)控制基本一致，而干式離合器同步器閉環(huán)控制波動大于開環(huán)控制，且干式離合器同步器波動及接合持續(xù)時間都比濕式離合器大，干式離合器同步器閉環(huán)控制接合持續(xù)時間最大其值為92.4 ms。綜合圖4(a)、4(b)、4(c)可得，干式離合器同步器接合持續(xù)時間及波動比濕式離合器大，且閉環(huán)控制同步器接合持續(xù)時間及波動也大于開環(huán)控制。

圖4 不同離合器及控制方式下同步器接合套位移Fig.4 Synchronizer joint displacement under different clutches and control modes

4 結(jié)論

本文通過建立拖拉機變速器同步器動態(tài)接合及其控制模型，對不同離合器及工況下的同步器結(jié)合特性及其控制特性進行了分析。研究結(jié)果表明：

（1）在同步鎖環(huán)未鎖定時，錐形離合器產(chǎn)生負載力矩作用在高速旋轉(zhuǎn)的接合套和齒輪上，使其轉(zhuǎn)速不斷降低，當同步鎖環(huán)與待接合齒輪的鎖止角相互接觸時，由于在兩接觸面會產(chǎn)生摩擦阻力矩，使得兩者的轉(zhuǎn)速不斷降低，逐漸達到同步轉(zhuǎn)速；

（2）干式離合器自動變速器同步器接合持續(xù)時間及波動比濕式離合器大，且閉環(huán)控制同步器接合持續(xù)時間及波動也大于開環(huán)控制。

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Study on the Synchronizer Engage Characteristic and Control of Tractor Transmission

SUN Chang-fei
Jiangsu Maritime Institute Department of Marine Engineering,Nanjing211170,China

To the problems of vibration,shock,and control delay in the process of synchronizer engagement of tractor transmission,a tractor transmission of synchronizer was studied,the synchronizer dynamic engagement and control model of double clutch transmission were established,and the simulation analysis was carried on.The results showed that the synchronization lock ring unlocked,load torque was released from the cone clutch,as a result of high speed rotating sleeve and gear,made its speed decrease,when the locking angle of synchronous lock ring and gear stay contacted,as the two contact surfaces could produce friction resistance moment,progressively reduce both speeds and gradually achieve synchronous speed;the dry clutch synchronizer duration and fluctuations were also greater than the wet clutch,and the closed loop control of synchronizer engagement duration and volatility were also greater than the open loop control.

Tractor transmission;synchroniser;engagement characteristic;control

TG156

A

1000-2324(2014)05-0711-06

2013-04-12

2013-04-25

孫長飛(1979-),男,漢族,江蘇徐州人,碩士,講師,研究方向:輪機工程.