变速器拖曳扭矩的测试、计算及应用

文/耿骏伟 姜正军 韦文胜 李 璇 许瑞涵（安徽星瑞齿轮传动有限公司）

手动变速器的换档品质直接被客户感知，其品质的好坏影响客户的体验，影响车辆的上市表现。因此，这是主机厂对手动变速器的关键指标要求，也是变速器设计的重点。每一款变速器都存在拖曳扭矩，为了设计计算更贴近实际，在换档性能计算时就必须加以考虑，因此，变速器拖曳扭矩的测试及拖曳扭矩在同步器性能计算中如何应用非常重要。

一、拖曳扭矩

拖曳扭矩是变速器内所有能够使转动的零件转速下降的阻力矩的合力矩，包括搅油阻力矩、轴承旋转阻力矩、空气阻力矩、油封摩擦阻力矩等。由于无法单独测量各个阻力矩，将变速器输入轴角速度变化率与总的转动惯量的乘积等效为拖曳扭矩。总惯量是变速器内各零件转换到输入轴上的惯量与离合器从动盘惯量的和。拖曳扭矩Tt用公式（1）表达。

二、拖曳扭矩测试和计算

1.拖曳扭矩测试方法

本文探讨应用同步器试验台架和GSA测试设备测量拖曳扭矩的方法。根据公式（1），在台架上只需要测量输入轴转速变化△n和时间变化△t。离合器从动盘惯量已知，变速器内各零件转化到输入轴上的总惯量由变速器设计参数计算所得。将变速器固定在试验台架上，输入轴安装上与之匹配的离合器从动盘。变速器挂上某一档位后，电机从输出端驱动变速器旋转，使变速器输入轴转速上升到3000r/min以上，在某一转速点保持一段时间，然后将档位迅速摘到空档，待转速下降到1500r/min以下后，停止试验。在此过程中，GSA测试设备记录输入轴转速随时间变化的曲线（见图1），从测试曲线上截取一段计算△n和△t。

图1 输入轴转速随时间变化曲线

2.拖曳扭矩计算方法

这款变速器Jc=0.00934kg·㎡；Jz=0.00421kg·㎡。从图 1中选取△n=2700-1600=1100r/min，△t=1.7-0.6=1.1s，代入公式（1）计算得出Tt=1.42Nm。

三、拖曳扭矩的作用

同步器工作过程可以分为预同步、同步、自由滑行、对齿、啮合五个阶段。同步阶段，拖曳扭矩能够降低齿轮转速，影响被同步端转速变化率。在升档过程中，被同步端需要降速，此时拖曳扭矩起有利作用。在降档过程中，被同步端需要升速，此时拖曳扭矩起不利作用。

同步结束后，在自由滑行阶段，理论上被同步端与同步端转速差为零，由于拖曳扭矩的存在，被同步端的转速会继续下降，使得被同步端与同步端再次产生转速差，导致在对齿阶段产生冲击，也就是二次冲击，因此拖曳扭矩越小对降低二次冲击概率越有利。

四、拖曳扭矩应用

1.拖曳扭矩应用公式

本文主要探讨拖曳扭矩在同步阶段的应用。换档简化模型见图2。定义连接整车的同步端转速是ω2，由于连接的是整车，J2具有相当大的转动惯量，可以认为在换档时ω2是不变的。被同步端转速是ω1，为了实现无冲击换档，需要依靠同步器摩擦副作用来实现ω1=ω2，所需的力矩为Tc。另一方面，同步器摩擦锥面上产生摩擦力矩T2′，同步时间为t，为了实现同步，所需的同步力矩与同步器能够产生的摩擦力矩应该相等，即Tc=T2′。实际上，由于拖曳扭矩的存在，升档时，被同步端需要降速，拖曳扭矩起有利作用，用公式（2）表达；降档时，被同步端需要升速，拖曳扭矩起不利作用，用公式（3）表达，式中的Tt表示变速器特定档位的拖曳扭矩，是该档位的速比。

2.拖曳扭矩计算

图2 换档简化模型

表1 计算结果与整车测试结果对比

应用公式（2）计算一款变速器的同步器换档力Fa，再根据整车拉丝杠杆比和拉丝效率计算操纵手柄换档力，最后计算变速器在整车上的换档冲量，计算结果与整车测试结果对比见表1，表中输入转速为2000r/min，换档时间为0.25s。

在同步器性能计算时，应用公式（2），考虑拖曳扭矩的影响，缩小了计算结果与实测结果的偏差，也说明本文探讨的拖曳扭矩的测试方法、拖曳扭矩的计算方法、拖曳扭矩的应用公式具有可参考性。

五、小结

本文探讨了手动变速器拖曳扭矩的测试方法、拖曳扭矩的计算方法和拖曳扭矩在同步器性能计算中的应用，对同步器设计和校核具有参考作用。

本文的研究中，未考虑温度的影响。众所周知，温度对润滑油的粘度影响较大，影响搅油阻力矩，从而影响拖曳扭矩的大小，这也是计算结果与整车实测结果存在偏差的影响因素之一。后续研究者可以利用环境仓实现不同温度的拖曳扭矩测试，这样能提高计算校核的准确性，也更贴近实际。