双锥面锁环式同步器设计与应用

双锥面锁环式同步器设计与应用 薛桂凤 张鸿源 孟昭俊 （天津市天海汽车同步器厂） 摘要 本文介绍了为提高同步力矩、缩短同步时间、提高同步器的工作性能，有利于换档操作轻便的一种新型同步器结构 双锥面锁环式同步器的设计与应用 关键词 双锥面锁环式同步器 前言 现代机械式齿轮传动变速器换档过程中，同步器得到普遍的应用。由于在各档位齿轮之间设置了同步器，可保证换档时齿轮的 啮合不受冲击，清除了换档噪声，延长了齿轮的寿命。使得换档过程轻便、迅速，从而有利于提高汽车的动力性和燃料经济性。 图 1 现代变速器所采用的同步器大都是属于惯性锁止式同步器。它们的结构形式虽各有不同，但工作原理都是一样的，即把要啮合的转动件的转速，在同步之前，利用其相对角加 （或减）速度所产生的惯性力矩，来阻止它们的不同步啮合。同时，还需确保要结合的转动件的转速在达到同步后方能啮合。图 1所示是目前最广泛采用的一种惯性锁止式同步器，被称为锁环式同步器。 它利用制作在啮合套 16及同步环 11 和 17啮合齿端的倒角（锁止角）斜面，在未达到同步之前，对啮合件施加惯性锁止作用，以防止不同步啮合。当两啮合件转速达到同步时，则摩擦 锥面的摩擦力降为零。此时，在换档力的继续作用下，达到同步啮合。 1 同步过程的理论分析 图 2所示为同步系统简图 图 2 Jc 变速器一轴和离合器从动片等零件的转动惯量 Jv 汽车惯量 Mc 离合器阻力矩 Mv 汽车行驶阻力矩 Ms 同步环摩擦力矩 e 输入角速度 v 输出角速度 其中： Mc 离合器阻力矩是由 于离合器分离不彻底、空气摩擦阻力、 变速器输入端部件搅油阻力所造成的。其值越小越好，以减小同步器在同步过程中所做的功。但它的具体值不易测定，在理论分析时可假定此值在同步换档过程中是不变的。 Mv 汽车行驶阻力矩是由于汽车行驶时受到的滚动阻力、坡道阻力、风阻及传动轴、驱动桥等部件机械损失造成的。 Mv 的变化对于换档影响不大 ，所以在同步换档过程中其值也可认为是不变的。 Ms 同步环摩擦力矩，由于摩擦锥面副的摩擦系数 的大小是随着滑磨速度高、低而变化，但变化不大， 可以忽略不计，故也可以认为 Ms值在同步换档过程中也 是不变的。 同步换档过程的理论分析，主要是研究同步力矩和同步时间的关系。根据牛顿第二定律： JM 式中 M 力矩 Nm J 转动惯量 kgm2 角加速度 rad/s2 所以，对同步系统 系统输入端：cscc MMJ （ 1） 系统输出端：vscv MMJ （ 2） 式中负号适用于低档换高档，正号适用于高档换低档。因为前述已假定，在换档过程中， Ms、Mc、 Mv都不随时间而变化。因此以上二式对时间（ t）的积分式为： 系统输入端：ccscc CtMMJ )( （ 3） 系统输出端：vvscv CtMMJ )( （ 4） 式中的积分 常数cC、vC可以按换档时原档位的初始条件来计算确定，设： 度同步器输出端的初角速 度同步器输入端的初角速r r 称为“同步器传动比”。当从低档换高档时 r 1，高档换低档时 r 1。若取同步器的输出初角速度为 vo，则同步器输入初角速 度则为 r 。 由于初始换档时，时间 t=0。则积分常数为： rJCcc （ 5） vv JC （ 6） 将（ 5）、（ 6）两式代入（ 3）、（ 4）式得： rJtMMJccscc )( （ 7） vvscv JtMMJ )( （ 8） 在换档终了时：VECEEtt , 式中 Et 同步时间 CE 换档终了时的输入角速度 VE 换档终了时的输出角速度 则： rJtMMcEcsCE )( （ 9） VEcsVE J tMM )( （ 10） 由（ 9）、（ 10）式得： EvcsEcCs tJ MMtrJ MM )( （ 11） 整理后： cv vccvEcv cvS JJ JMJMtJJ rJJM )1( （ 12） 为便于研究SM与 Et 之间的关系，（ 12） 式可改写为： ccvvEcvcvs JMJMtrJJ JJM 1 （ 13） 或 vccvcvscvE JMJMJJM rJJt )( )1( （ 14） 根据统计资料cv JJ /的比值一般大于 100，所以可取 1)/( cvv JJJ，则将（ 13）、（ 14）时可简化为： cv cvEcs MJJMtrJM )1( （ 15） cvcvscE MJJMM rJt / )1( （ 16） 由于Cv MM /值一般均大于 10，即vcv JJM /约为CM的 1/10 以内，所以在（ 15）、（ 16）式中如把vcv JJM /一项忽略不计，即取vcv JJM / cMcM，这就相当于在CM之中有不大于 10%的误差，此时（ 15）、（ 16）式可进一步简化为： cEcs MtrJM )1( （ 17） cscE MM rJt )1( （ 18） 按照（ 17）、（ 18）式中所 表述的各个参量之间的关系，经分析研究，可得出如下结论： （ 1）离合器阻力矩CM，在换档期间有降低离合器从动部分转速的作用，因而有助于从低档换高档，而不利高档换低档。 （ 2）同步器输出端初角速度 与同步环摩擦力矩SM及同步时间 Et 成正比，而 的大小则决定于同步器位置的设置，所以在变速器结构设计时最好把同步器设置在变速器转速最低的轴上。 （ 3）离合器从动片和变速器 一轴等部件的转动惯量cJ也与SM及 Et 成正比，所以要把同步器设置得距离合 器越近越好。 （ 4）同步器传动比 r的大小，也影响SM、 Et 所以 r不应过大，根据资料统计 r一般应不大于1.8。 （ 5）SM与 Et 之间 的关系是换档时间越短，则所需的SM就要成比例地增大，所以如果能从同步器结构上增大SM，就有助于缩短同步时间 Et 。 2 双锥面锁环式同步器的设计应用 2.1 概述 通过理论分析得出的同步环摩擦力矩SM与同步时间 Et 的数学模型。可以探讨改进同步器性能的方案。如果从同步器结构设计上设法加大同步环 摩擦力矩SM就可以达到缩短同步时间 Et 及换档轻便的目的。 图 3所示为锁环式同步器同步锥面受力分析，同步锥面之间接摩擦力矩为： adPaRPMs s in2s in 锥锥 （ 19） 式中 P 作用在啮合套或摩擦锥面上的轴向力 锥面间的摩擦系数 锥d 摩擦锥面的平均直径 a 摩擦锥面的锥面角 由（ 19）式可以得出，要想加大同步摩擦力矩SM， 必须要从以下几方面着手： （ 1）加大 P 作用在同步器摩擦锥面的轴向力 P 是由换档时作用在变速手柄上的力sP， 经换档机构传递过来的，即 ssiPP （ 20） 式中 si 从变速杆手柄至啮合套的传动比 换档传动机构效率 为减轻驾驶员疲劳，换档力sP设计值不能过大，而传动比si加大将导致换档行程加大受到整车总布置制约，因而加大 P 受到一定的限制。 （ 2）加大 通过选用不同的摩擦材料可适当地提高 ，如目前采用湿式纸基摩擦材料其静摩擦系数可以不小于 0.12，比压力在 2.0aP时动摩擦系数可达到 0.081.5。 （ 3）减小 a 角锥面角 a 的减小可适当地增大sM，但它的极限取决于锥面角避免自锁的条件。 stga （ 21） 式中 s 锥面向静摩擦系数 （ 4）加大锥d对普通的单锥面锁环式同步器，由于受到变速器结构及中心距限制，锥d增大的空间亦受到限制。 从以上分析中可以看出，改变式（ 19）中几个参量，可以适当地增大sM，但增大的幅度有限。为此在锁环式同步器结构设计中，提出了多锥面锁环式同步器设计方案，如图 4所示，为一双锥面锁环式同步器结构设计。 A花键参数 齿数 28 模数 2 压力角 20 图 4 多锥面锁环式同步器在工作原理和结构设计上与普通锁环式同步器基本上是类似的，所不同的只是它采用两副摩擦锥面，这样就可以产生更大的sM。 图 5所示为双锥面锁环式同步器受力分析，同步锥面之间的摩擦力矩sM为： 2121 s in2 锥锥 ddaPMMMsss 图 5 2.2双锥面锁环式同步器的设计和应用 锁环式同步器由于其结构紧凑、性能良好、使用可靠、成本低，目前得到广泛的应用。其不足之处是同步摩擦力矩 偏小。多锥面锁环式同步器即是在工作原理和结构布置上与锁环式同步器基本类似的基础上，开发设计的一种新型同步器装置，它既继承了锁环式同步器的优点，又在提高同步摩擦力矩上弥补了其不足。 图 6所示为结构尺寸相近情 况下，单锥面锁环式同步器、锁销式同步器及双锥面锁环式同步器三种结构同步器，其锥面平均直径与单位轴向力产生的锥面摩擦力矩的关系曲线。 图 6 从曲线图上可以看出，双锥面锁环式同步器在提高同步摩擦力矩sM是十分有效的。 目前国外在重型载货车及大功率跑车的机械变速箱中，锁环式双锥面同步器正日益得到普遍应用。实践证明这种同步器结构对减轻换档操作及缩短同步时间 Et 加快换档是十分可靠而有效的。 至今双锥面锁环式 同步器在国内开发应用尚属空白，为此天海汽车同步器厂于 1999 年下半年决定开发研制为 9T载货车为变速器二、三档配套的双锥面锁环式同步器，如图 7所示： 图 7 在图中 档同步器，档为单锥面，档为双锥面，其同步器齿套齿毂、滑块、弹簧等零件为共用，主要区别在于档同步器有 2个锥形零件 (1、 2)，而档同步器锥形零件有 3个 (1、 2、3)，同步器接合外锥 1制有 6个单键与同步器内锥 3制有的 6个键槽连接在一起，所以外锥 1与内锥 3是同变速箱二轴一起转动的，而同步锥体 2制有 6个凸块与结合圈 4上制有的 6个孔接合，所以锥体 2是与三档齿轮一起转动的。结果是当变速箱由档升到档或由减到档时，三档齿轮与二轴之间产生相对角速度差，此时在档的同步器锥体结构中就有两对滑动摩擦锥面开始工作，所以在总体尺寸一样的情况下，加在同步器齿套上的轴向推力在摩擦锥面上所产生的同步摩擦力矩就等于作用在两对锥面之间接摩擦力矩的总和，即换档时产生的同步摩擦力矩，约为换档时的同步摩擦力矩的 2倍。 图 8 在换档力及摩擦副材质一致的条件下，经理论计算，新开发研制的双锥面同步器档的同步摩擦力矩比原单锥面同步摩擦力矩提 高了 97，而档时的同步摩擦力矩比原单锥面锁销式同步结构 的同步摩擦力矩提高了 44，图 8为双锥面锁环式同步器的实物照 该种结构型式的双锥面锁环式同步器，已由“天海厂”试制出样品，目前正在安排台架性能试验及道路可靠性试验，近期可望投放市场配套。 结束语 双锥面锁环式同步器由于在工