拖拉机变速器同步器接合特性及控制研究

孙长飞

拖拉机变速器同步器接合特性及控制研究

孙长飞

江苏海事职业技术学院轮机工程学院,江苏南京211170

针对拖拉机变速器同步器接合过程中振动、冲击及控制延迟等问题，以某拖拉机变速器同步器为研究对象，建立变速器同步器动态接合及其控制模型，并进行仿真分析。研究结果表明，在同步锁环未锁定时，锥形离合器产生负载力矩作用在高速旋转的接合套和齿轮上，使其转速不断降低，当同步锁环与待接合齿轮的锁止角相互接触时，由于在两接触面会产生摩擦阻力矩，使得两者的转速不断降低，逐渐达到同步转速；干式离合器同步器接合持续时间及波动比湿式离合器大，且闭环控制同步器接合持续时间及波动也大于开环控制。

拖拉机变速器;同步器;接合特性;控制

1 引言

拖拉机作为农业机械中的一个重要组成部分，对农业实现自动化提供不可替代的作用。变速器作为拖拉机传动系统中的重要组成部分，其性能的好坏对传动系统性能有直接的影响。同步器作为变速器关键零部件之一，其结合特性的优劣，直接关系到变速器在换挡过程中轮齿或花键齿间的冲击特性及换挡迅速准确性。在换挡过程中，同步器可以避免变速器在不同转速条件下进行啮合而产生较大的冲击和振动，从而提高车辆换挡舒适性及变速器的使用寿命。同步器的同步性能有高耐磨性、大同步力矩、稳定的摩擦性能和抗超载能力。正因为同步器对传动系统的传动特性影响较大，因此，有必要对传动系统中同步器的结合特性及其控制进行研究。

国内外众多学者同步器及其特性进行了研究。其中，赵剡水等[1]阐述了国内外农业拖拉机技术发展过程及其整机和零部件技术发展状况；徐立友等[2]对拖拉机变速箱进行了论述；温辉等[3]对拖拉机传动系统中的离合器、变速器及换挡特性进行了研究；赵庆帅等[4]以防止同步环自锁和同步器锁止性能为基本条件，研究了同步环锥面参数对同步器性能等方面的影响；Y.Liu等[5]对手动变速箱同步器结合特性进行仿真和分析；L.Lovas等[6]对同步器改进机制的力学行为进行仿真分析；P.D.Walker等[7]建立双离合器变速器同步器模型，并对其特定应用进行了分析。

虽然国内外众多学者对变速器同步器的各种特性进行了研究，但是对拖拉机变速器的同步器结合特性及其控制的研究相对较少。基于此，本文通过建立拖拉机变速器同步器动态接合及其控制模型，对不同工况下的同步器结合特性及其控制进行了分析，为提高拖拉机变速器换挡效率及变速器的使用寿命提供一定的依据。

1 拖拉机同步器结构及作用

图1为同步器结构。由图1可知，同步器主要由接合套、同步锁环、锥形离合器及待接合齿轮等组成，且待接合齿轮、接合套和同步锁环的齿圈上均有一定的倒角即为锁止角，通过锁止角可以使齿套与齿圈锁止，防止在同步前齿轮进行啮合。同步器是通过摩擦作用实现同步。同步锁环的内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触产生摩擦。

同步器通过同步锁环内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触，从而在两接触面会产生摩擦力矩，在摩擦阻力矩的作用下使得齿轮转速迅速降低（或升高）达到与同步锁环转速相等，从而实现两者同步旋转。当同步锁环与齿轮同步旋转时，两者之间的相对于转速为零，在这样的情况下，同步锁环与齿轮的惯性力矩消失，在同步器推块作用力的推动下，接合套不断移动与同步锁环齿圈接合，并与待接合齿轮的齿圈进一步接合从而完成变速器的换档过程。

图1 同步器结构Fig.1 The structure of synchronizer

拖拉机变速器在换挡时，由于其同步器的同步结合过程极短即接合时间极短，为了实现自动化操作及高同步性能，因此其结构设计和工作原理与电控机械式自动变速器中的换档机构同步器基本相同即均由图1中所示的接合套、同步锁环、锥形离合器及待接合齿轮等组成。但是其控制机构，因为要实现无极变速，一般采用增加多个换档油缸或电机来实现。正因为其接合时间极短，再加之采用同步器预先接合的方式。因此，国内外对拖拉机变速器的同步器主要从其接合、同步容量校核、同步力及力矩等方面进行了研究。

2 拖拉机同步器接合动态及控制模型

2.1同步器接合动态模型

同步器同步性能的优劣与接合套力矩及位移有很大关系，因此对力矩及位移的精确控制，是保证同步器平稳特性的保证之一。其中4种重要的力矩对同步器同步过程影响较大，其分别为锥形离合器力矩、锁止力矩、驱动力矩、阻力矩。

锥形离合器力矩是分段的，当离合器处于分离时，力矩来源于粘滞接触力矩，当离合器接合时，会产生动摩擦力矩，而当同步器同步完成产生静摩擦力矩。因此，可得锥形离合器的力矩为：

式中：μ为流体粘滞系数；Dμ、C,Sμ分别为动态、静态摩擦系数；AF为轴向力；CR为锥形离合器平均半径；b为锥形离合器半接触母线；DT为阻力矩；α为锥度角；sθ&锥形离合器滑动速度；Sx为锥形离合器位移；0X为锥套最小位移；PWI为主轴转动惯量；PWθ为主轴转角。

同步锁环的锁止力矩由加载力矩与摩擦阻力矩之差，其值为：

式中：β为锁止角；Iμ为同步锁环摩擦系数；IR为同步锁环节圆半径。

在考虑同步锁环与待接合齿轮的接合间隙及器相对运动的情况下，步锁环的锁止力矩为：

式中：λ为同步锁环接触间隙；x&为接合套速度；e为常数；v为同步锁环速度。

在同步器整个同步过程中，必须满足力矩平衡，且各力矩之间存在特定的相互关系。当锥形离合器未锁定时，各力矩之间的关系为：

当锥形离合器锁定时，各力矩之间为关系为：

为了保持两同步齿轮的位移要求，各力矩之间为关系为：

阻力矩主要由轴承、齿轮及主轴的安装偏差及摩擦等产生的力矩组成。对于湿式离合器而言，阻力矩与齿轮、主轴、轴承的速度及离合器粘滞损失有关。由此，可得在不同速度下的瞬态阻力矩为：

式中：Gω、CLωV分别为齿轮速度、离合器滑动速度；WT、FT分别为齿轮偏差、摩擦力矩；BT、TSH、TCL分别为轴承、主轴、离合器阻力矩。

对于干式离合器，离合器粘滞损失较小，离合器阻力矩对系统的影响。由此可得在不同速度下的瞬态阻力矩为：

采用集中质量法，拖拉机变速器进行简化，简化系统为激励系统同步器及平衡飞轮。并对简化系统进行动力学建模，可得简化系统的动力学模型为：

式中：cI、PI、FI分比为激励系统、同步器、平衡飞轮转动惯量；cθ、Pθ分别为激励系统、同步器转角；γ为传动比；cK为激励系统刚度；ST为同步器力矩。

式中：0cI为激励系统初始转动惯量；IV激励系统转动惯量的变化量；SX为接合套位移；cX为接合套最小位移。

2.2液压控制模型

同步器控制系统比较简单，只要对接合套位移进行控制，但由于同步器接合时间较短大约100 ms左右，因此可以采用高流量开/关螺线管进行控制。图2为同步器液压控制系统简图，根据图2可知，通过高流量开/关螺线管对液压缸两个压力腔室进行控制，从而实现对同步器接合套位移的控制。为了简化控制系统，假设进油口开和关时不会产生压力波动。

图2 同步器液压控制系统Fig.2 The control system of hydraulic sychronizer

根据同步器液压控制系统，可得开/关螺线管执行机构的压力为：

式中：INP、EXP分别为进口、出口压力；τ为延迟时间；t为时间。

根据图2及可压缩流体和液压理论，可以得到液压缸流量为：

式中：V为腔室体积；κ为体积弹性模量；P为压力。

则控制系统目标压力为：

当接合套运动时，液压缸的体积将会发生变化，因此腔室体积不为常数，则目标压力为：

式中：0V为腔室的初始体积。

假设体积弹性模量κ为常数，可以液压控制系统流量为：

式中：Qorifice为进油口流量；Qvolume为腔室体积流量；Qleak为泄露流量。

基于孔口和环形孔流体方程，可得体积变化流量为：

式中：DC为流量系数；RSC为径向间隙；SD为液压缸直径；1CVP为控制腔室1压力；1CVD为进油口直径；SA为液压缸截面积。

根据上述分析，可得控制液压腔室1的压力为：

同理可得，控制液压腔室2的压力为：

液压系统的开环控制是指通过液压系统直接对执行机构进行控制，其控制回路简单、精度较低；而液压系统的闭环控制是指通过液压系统对执行机构的输出进行检测、反馈，并与输入信号进行比较，从而形成闭环控制，其控制精度高、结构复杂、成本高。

3 仿真与分析

根据上述建立的模型，以某型拖拉机变速器传动系统为研究对象，其主要参数如表1所示。根据表1的主要相关参数，对变速器由3档变换到4档过程中，同步器的接合特性及其控制进行仿真。

表1 主要参数值Table 1 Main parameter value

图3接合套与待接合齿轮不同相对旋转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

图3 为接合套与待接合齿轮之间不同相对旋转角下接合套位移。由图3可知，当相对旋转角小于或者大于二分之一最大旋转角时，同步器存在两个相互作用的过程，首先，在同步锁环未锁定时，锥形离合器产生负载力矩作用在高速旋转的接合套和齿轮上，使其转速不断降低，逐渐达到同步。其次，当同步锁环与待接合齿轮的锁止角相互接触时，由于在两接触面会产生摩擦阻力矩，使得两者的转速不断降低，逐渐达到同步转速。当接合套与待接合齿轮存在相对旋转角时，接合套位移会产生一定的波动即同步器接合时产生一定的延迟。

图4为不同离合器及控制方式下同步器接合套位移，其中图4(a)、4(b)、4(c)分别为接合套与待接合齿轮之间相对旋转角小于、等于及大于二分之一最大旋转角时，湿式、干式离合器及开环和闭环控制下，同步器接合套的位移。由图4(a)可知，在对旋转角小于二分之一最大旋转角时，湿式离合器同步器接合持续时间和延迟时间都大于干式离合器，闭环控制同步器位移波动比开环控制大，且湿式离合器闭环控制同步器接合持续时间最大其值为101.5 ms。由图4(b)可知，在对旋转角等于二分之一最大旋转角时，湿式离合器同步器开环和闭环控制基本一致，而干式离合器同步器闭环控制波动大于开环控制，且干式离合器同步器波动比湿式离合器大，干式离合器同步器闭环控制接合持续时间最大其值为86.8 ms。由图4(c)可知，在对旋转角大于二分之一最大旋转角时，湿式离合器同步器开环和闭环控制基本一致，而干式离合器同步器闭环控制波动大于开环控制，且干式离合器同步器波动及接合持续时间都比湿式离合器大，干式离合器同步器闭环控制接合持续时间最大其值为92.4 ms。综合图4(a)、4(b)、4(c)可得，干式离合器同步器接合持续时间及波动比湿式离合器大，且闭环控制同步器接合持续时间及波动也大于开环控制。

图4 不同离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 结论

本文通过建立拖拉机变速器同步器动态接合及其控制模型，对不同离合器及工况下的同步器结合特性及其控制特性进行了分析。研究结果表明：

（1）在同步锁环未锁定时，锥形离合器产生负载力矩作用在高速旋转的接合套和齿轮上，使其转速不断降低，当同步锁环与待接合齿轮的锁止角相互接触时，由于在两接触面会产生摩擦阻力矩，使得两者的转速不断降低，逐渐达到同步转速；

（2）干式离合器自动变速器同步器接合持续时间及波动比湿式离合器大，且闭环控制同步器接合持续时间及波动也大于开环控制。

[1]赵剡水,杨为民.农业拖拉机技术发展观察[J].农业机械学报,2010,41(6):42-48

[2]徐立友,曹青梅,周志立,等.拖拉机变速箱发展综述[J].农机化研究,2009,12:189-193

[3]温辉,李传良,倪建义.TN1504拖拉机传动系的设计特点[J].拖拉机与农用运输车,2012,39(6):53-56

[4]赵庆帅,褚超美,汤海川,等.同步环锥面参数对同步器性能影响研究[J].机械传动,2014,38(1):107-111

[5]Liu Y,Tseng C.Simulation and analysis of synchronisation and engagement on manual transmission gearbox[J].Int.J. Vehicle Design,2007,43:200–220

[6]Lovas L,Play D,Marialigeti J,et al.Mechanical behaviour simulation for synchromesh mechanism improvements[J]. Proc.Inst.Mech.Eng.Part D:JAutomob Eng,2006,220:919–945

[7]Walker P D,Zhang N,Tamba R,et al.Synchroniser modelling with application specific to the dual clutch transmission[C].in:Proceedings of the 13thAsia Pacific Vibration Conference,088,2009

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

孙长飞(1979-),男,汉族,江苏徐州人,硕士,讲师,研究方向:轮机工程.