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哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 新型双锥面式同步器的研制 摘要 同步器是汽车变速器中影响换档性能的最重要的零部件之一，现在j 、泛 应用的单锥面式同步器受空间布置等条件的限制已经无法满足重型变速器的 使用要求，在实际使用中经常出现换档困难和不同步啮合等问题，采用双锥 面式同步器并确定合理的结构和设计参数能有效地解决这一问题。 本文研究了同步器的两项主要性能同步性能和锁止性能，通过对同步 器的同步过程和锁止过程所进行的理论分析，并根据同步器的实际使用工 况，建立了简化的同步器工作过程模型。根据建立的工作过程模型，推导出 既能适用于分析计算又可以满足设计精度的计算公式，并研究了同步器零件 的主要参数在同步器实际工作过程中对其同步性能和锁止性能的影响，并提 出相应的设计原则。 本文根据理论研究、大批量生产和实际使用的要求比较了两种不同类型 的双锥面式同步器，确定采用非连接型双锥面式同步器作为最终结构方案， 同时通过理论计算确定了用于c a 7 9 5 变速器的同步器零件的主要设计参 数。通过台架试验对装配了所设计的双锥面式同步器的c a 7 9 5 变速器进行 r 性能和寿命测试，确定了本设计方案的可行性，进而完成了新型双锥面式 同步器的研制。此新型双锥面式同步器应用于重型变速器中并取得了极为可 观的经济效益。 关键词双锥面；同步器；同步；锁止；台架试验 哈尔滨理工大学工程碗士学位论文 t h ed e v e l o p m e n to fn e w t y p e o fd o u b l e c o n es y n c h r o n i z e r a b s t r a c t s y n c h r o n i z e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t sw h i c ha f f e c tt h es h i f t i n g p e r f o r m a n c ei nt h ea u t o m o b i l eg e a r b o x t h es i n g l e c o n es y n c h r o n i z e r , w h i c hi s u s e dw i d e l y , c a nn o tm e e tt h ed e m a n d so ft h eh e a v y d u t yg e a r b o xb e c a u s eo ft h e s p a c el i m i t ，s ot h eb a ds h i f t a b i l i t ya n dc l a s ha p p e a r e df r e q u e n t l y u s i n gt h e d o u b l e g o n es y n c h r o n i z e rw i t hr e a s o n a b l es t r u c t u r ea n dd e s i g np a r a m e t e r sc a n s o l v et h i sp r o b l e me f f e c t i v e l y i nt h ep r e s e n ts t u d y , t h es y n c h r o n i z i n ga n db l o c k i n g p e r f o r m a n c ew a s s t u d i e d ，t h es y n c h r o n i z i n ga n db l o c k i n gp r o c e s sw a sa n a l y z e d ，a n dt h es i m p l i f i e d m o d e lo fp r o c e s sw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l c o n d i t i o n s t h e m a t h e m a t i c a lf o r m u l a sw h i c hw e r es u i t a b l ef o rb o t ht h ec o m p u t a t i o na n dt h e p r e c i s i o nw e r ed e r i v e d ，t h em a i np a r a m e t e r so ft h es y n c h r o n i z e rw h i c ha f f e c tt h e s y n c h r o n i z i n ga n db l o c k i n gp e r f o r m a n c ew e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ed e s i g n p r i n c i p l e sw e r ep u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h es t u d yo ft h et h e o r ya n dt h ed e m a n d so ft h em a s s p r o d u c t i o na n dt h ea c t u a lc o n d i t i o n s ，t w ot y p e so f t h ed o u b l e c o n es y n c h r o n i z e r s w e r ec o m p a r e d a n dt h eu n c o n n e c t e dt y p eo fd o u b l e - c o n es y n c h r o n i z e r sw a s c h o s e na st h ef i n a ls t r u c t u r e t h e n ，t h em a i np a r a m e t e r so f t h es y n c h r o n i z e rw e r e d e s i g n e db yt h ew a yo fc o m p u t a t i o n t h eb e n c ht e s t sw o r ec a r r i e do u ti nt h e c a 7 9 5 g e a r b o xa s s e m b l e dw i t h t h ed o u b l e c o n e s y n c h r o n i z e r t ot e s tt h e p e r f o r m a n c ea n dl i f e ，w h i c hp r o v e dt h ed e s i g np r o p o s e di nt h eg u d yt ob e e x c e l l e n t ，s ot h ed e v e l o p m e n to fn e wt y p eo fd o u b l e c o n es y n c h r o n i z e rw a s f i n i s h e dt h ed e v e l o p m e n th a sb e e np u ti n t ou s ei nt h eh e a v y d u t yg e a r b o x ，a n d g r e a tb e n e f i t sw e r eg a i n e d k e y w o r d sd o u b l e - c o n e ；s y n c h r o n i z e r ；s y n c h r o n i z i n g ；b l o c k i n g ；b e n c ht e s t 哈尔滨理工大学工程碗士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 我国汽车工业起步于二十世纪五十年代，在经历了近半个世纪的发展历 程后，通过合资生产、引进技术等方式，已经有了突飞猛进的发展。现在， 汽车制造业已经逐步成为我国国民经济中，带动繁个经济增长和结构升级的 支柱产业。2 0 0 4 年，汽车工业继续保持高速增长，全年汽车产销量突破5 0 0 万辆，累计增长超过1 4 ，汽车工业处于健康发展态势。而近年来，由于 我国经济的迅猛发展，广阔的地域要求物流产业也迅速发展，因此重型商用 车的市场需求稳步增长，2 0 0 4 年全国重型载重汽车产销量超过3 6 万辆，累 计增长超过4 0 01 ”。 自从1 8 9 5 年e m i l el e v a s s o r 研制出三档变速器以来，汽车变速器的发 展随着汽车工业的发展走过了一百多年，先后出现了机械式手动变速器和自 动变速器。在汽车发达国家，自动变速器在乘用车上的应用率已经达到 9 0 ，在商崩车领域也达到3 0 以上；而在我国，自动变速器在乘用车领域 的应用率只有2 0 左右，在商用车领域的应用更是少之又少。般重型商 用车，特别是长途运输车，凶为所需档位多、速比范围大、传动效率高，故 多采用机械式手动变速器，我国在相当长的一一段时间内，机械式手动变速器 会占有更高的比例。因此，对用于重型商用车的机械式手动变速器的研究与 发展，必须给与更多的关注 2 1 。而同步器作为其重要零部件，必须获得进一 步的重视。 中国第一汽车集团是以中、重型商用车为主要支柱产品的汽车制造公 司，其中、重型商用车的生产数量和质量一直处于全国第一。2 0 0 4 年，中 国第r 汽车集团重型载重汽车产销量超过1 25 万台，累计增长超过3 0 0 0 。 近年来，中国第一汽车集团相继开发了9 t 、1 2 t 、1 6 t 、3 0 t 等一系列 重型商用车，哈尔滨变速箱厂作为其全资子公司相应开发了一系列机械式手 动变速器。经过台架试验和道路试验，根据试验用户的反馈信息，发现现在 所用的变速器在换档舒适性方面与国外同类产品相比，尚存在寿命短、换档 困难、稳定性差等使用性能不足。这里虽然有变速器操纵机构的设计、制造 和装配等方面的问题，但主要仍然是同步器问题。 篁查堡圣三奎兰三堡堡圭兰篁兰兰 经过详细的分析计算后发现，同步器的主要问题是同步力矩4 i 足。目前 哈尔滨变速箱厂所采用的同步器以单锥面的锁环式和锁销式同步器为主，该 类同步器制造简单，成本较低。但由于变速器布置窄间的限制，同步器的同 步力矩相对较小，导致同步时间长、换档困难p 1 。同时，同步器的设计不完 全符合现有的国内制造水平，导致制造出的同步器零件与设计不符，不能满 足应有的使用性能。 为了从根本上改变同步器性能，拇近我国变速器与国外同类产品的性能 水平，哈尔滨变速箱厂决定自主研制新型双锥面式同步器。根据哈尔滨变速 箱厂现有的重型变速器产品结构，自主研制双锥面式同步器，可以保证产品 具有系列化、通用化和模块化的优势。根据所匹配的重型商用车的不同要 求，可以在基本型同步器的基础上开发出不同容量的双锥面式同步器，以形 成一系列规格，来满足各种使用工况；同一规格的同步器在用于不同的变速 器时，可以保证大部分零件可以互换，通用性强：同一规格的同步器在研制 过程中，可以根据配合件连接尺寸的不同分解成标准模块和可选择模块，选 择搭配用于不同的变速器，形成模块化 4 1 。 因此，设立本课题进行新型双锥面式同步器的自主研制，对哈尔滨变速 箱厂同步器产品的开发、制造和管理有着深远意义。 1 2 同步器的产生和性钱要求 1 2 i 同步器的产生 最初的汽车变速器，在换档时，齿轮沿轴向移动与正在旋转的另一齿轮 啮合，由于要进行啮合的- 一对齿轮的啮合线速度不同，所以在啮合时会发生 冲击，引起嗓声，甚至损坏轮齿。为改善这种情况，驾驶员需要采用两脚离 合器的换档操作p 】。 2 0 世纪3 0 年代初期，同步器的出现使这种状况得到了改善。同步器内 部包含一对摩擦面，在采用同步器换档过程中，摩擦面的摩擦使得两啮合部 分的相对转速趋于相同，避免了在不同转速时完成啮合而产生冲击，提高了 换档舒适性1 6 j 。 1 2 2 同步器的性畿要求 同步器与其它变速器零部件一。样，要求经济性、工艺性和使j h j 性良好。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 除了强度、韧性等共性要求外，同步器还有其特性要求。同步器最基本的两 项要求是同步性能和锁止性能。在设计和制造过程中，必须保证同步器这两 项性能良好。 1 231 同步性能驾驶员希望使用尽量小的换档力，在尽量短的换档对问内 完成换档，因此同步性能是同步器的最基本性能【”。由于同步器的摩擦系统 在同步器的同步过程中起着决定性作用，必须对摩擦系统提出了严格的要 求。 1 具有大同步力矩。为了以尽量小的换档力在尽量短的时间内完成同 步，同步器必须具有大同步力矩，这就要求摩擦系统具有高的动摩擦系数， 而且这种高的动摩擦系数必须在有界面润滑的情况下实现( ”。同时还要避 免摩擦锥面粘着而无法脱开 9 1 。 2 具有高耐磨性。摩擦锥面的摩擦层在压力和热负荷下必须具有良好 的耐磨性，同时也不能对对偶锥面造成磨损【l 。 3 具有稳定的摩擦性能。在要求的载荷、热容量和换档次数范闱内， 摩擦系统必须具有稳定的动摩擦系数l ，保证同步器在要求的使用寿命期 限内具有良好的同步性能。 4 具有抗超载能力。在实际使用过程中，驾驶员有可能在离合器未脱 开或未完全脱开的状态下进行换档操作。由于此时来自发动机的动力根本没 有或只有部分中断，因此同步器必须承载更多的能量【”】。在这种情况下， 同步器的摩擦系统不能出现过度磨损和热过载现象。 1 2 3 2 锁止性能同步器的功用是避免产生换档冲击，因此在同步器的同步 过程完成之前。必须保证转速不同的两部分不能进行啮合，这就要求同步器 具有良好的锁止性能。现在的大多数同步器都通过惯性锁止的方式完成此功 能，同步器中的两啮合部分由于转速不同而产生了惯性力矩，惯性力矩作用 在锁止元件上阻i ：同步器齿套的移动，避免不同步啮合。当同步完成后，惯 性力矩消失，齿套可以继续轴向移动而完成换档l ”) 1 1 4 。冈此，在使用寿命 期限内，同步器锁止元件不能失效，否则将产生换档冲击。 1 3 同步器的发展概况 1 3 1 国外同步器的发展概况 大量试验数据表明，采用同步器型变速器的汽车可以平均节油2 ；而 在交通状况复杂和道路不平坦的使用条件下，驾驶员需要频繁换档，采用同 步器型变速器的汽车可以提供更高的舒适性和安全性f l ”。因此，国外的重 型变速器制造商一直积极努力地进行同步器的研制工作，并取得了令人满意 的成果。 常压式同步器是一种早期的同步器结构。如图1 1 所示，在同步器齿套 l 受同步力作用时，齿套通过在三个弹簧作用下的钢球2 将此同步力作用在 齿座4 上，从而使齿座上的锥面向接合齿3 上的锥面靠紧，由于摩擦的作用 使两锥面的转速逐渐同步。但是，当同步力超过钢球所受弹簧力的极限时， 钢球被压下并与齿套脱开。此时，无论两锥面是否同步，齿套都将与接合齿 啮合，结果无法可靠地保证不同步啮合f l “，因此这种同步器现在已经被淘 汰。 4 1 齿套2 钢球3 接合齿4 齿座 图1 - 1 常压式同步器 f i g1 - 1c o l l s t a n tl o a ds y n c h r o n i z e r 锁环式同步器是现在应用最广泛的一种惯性锁止式同步器。如图1 2 所 示，在同步器齿套3 受到同步力时，齿套带动滑块4 推动同步环5 向接合齿 6 靠紧，两锥面闻所产生的摩擦力使同步环转动一个角度，从丽使同步环l ： 的凸起与相应齿座1 上的凹槽一端靠紧。此时，制作在齿套e 的内花键端面 的锁止斜面和相对应的同步环上的外花键端面的锁止斜面以半个齿厚互相错 开。当加大齿套上所受同步力，使其克服弹簧2 的压力与滑块脱开，进而使 齿套和同步环的花键齿锁j f ! = 斜面靠紧。由于同步器锥面问同步力在锁l e 斜面 堡垒篓彗三查兰三墼矍耋兰堡篓圣 上产生的同步力矩大于同步力传递到锁止斜面上产生的拨正力矩，因此限制 了齿套继续移动，避免在同步之前齿套与接合齿啮合瓜产生冲击；当同步环 和接合齿锥面问的同步力矩使两啮合部分的转速趋于一致而完成同步后，摩 擦锥面问同步力矩消失，齿套在同步力作用下将同步环拨正一个角度，从而 穿过同步环完成与接合齿的啮合【l ”。锁环式同步器轴向尺寸较小，多用于 中、重型卡车变速器中。 1 齿座2 弹簧3 齿套4 滑块5 同步环6 接合齿 图1 - 2 锁环式同步器 f 追1 - 2i t i i l gt y p eb l o c k i n gs y n c h r o a i z o r 锁销式同步器是另。一种普遍应用的惯性锁止式同步器，其工作原理与锁 环式同步器相同，只是将锁止斜面制作在锁销和与之配合的齿套内的锁销孔 上。如图1 3 所示，在同步器齿套l 受到同步力时，齿套通过弹簧带动锁销 2 ，推动与锁销固定在一起的同步环3 向与齿轮连接在起的同步环4 靠 紧，两锥面闻所产生的同步力矩使锁销存齿套的锁销孔内转动一个角度，使 锁销上的锁止斜面与对应的锁销孔的锁止斜面靠紧，这限制了齿套继续移 动，避免在同步之前齿套与接合齿啮合而产生冲击；而两同步环锥面间的同 步力矩，使两啮合部分的转速趋于一致。完成同步后，摩擦锥面间同步力矩 消失，齿套在同步力作用f 将镁销拨正一个角度，从而穿过锁销完成与接合 齿5 的啮合【1 8 】。相对于锁环式同步器来说，锁销式同步器的摩擦锥面平均 半径可做得较大，使其同步力矩得到提高，故多用于中、重型卡车变速器， 但这种同步器轴向尺寸较大。 塑尘堡塞三奎茎三堡璧当兰堡篁兰 1 齿套2 锁销3i 司步环4 同步环5 接合齿 图t - 3 锁销式同步器 f i g 1 - 3p i nt y p eb l o c k i n gs y n e h r o l t i z e r 为了获得更好的同步性能，惯性增力式同步器被应用于变速器中来增加 同步力矩。最典型的惯性增力式同步器是p o r s c h e 同步器，如图1 - 4 所示。 在同步器齿套1 受到同步力作用时沿轴向移动，其内锥面开始与同步环2 的 外锥面接触，两锥面问产生的摩擦力使同步环转过一+ 个角度。同步环是一个 开口弹性环，其开口卡在接合齿3 上的一个凸台七，同步环的转动使其开口 的一侧与对应凸台一侧靠紧，结果使得同步环由于弹性作用而外胀。这种外 胀趋势，阻f i _ = 了齿套的继续移动，同时也增大了齿套与同步环锥面间的摩擦 力。当两啮合部分的转速在摩擦力的作用下达到同步后，齿套就会穿过同步 环而与接合齿啮合，完成换档。由上述可知，惯性增力式同步器由于同步环 弹性作用而使产生的摩擦力得到成倍增长，其增长的程度随两啮合件的转速 差的增大而增大，能可靠地保证只在同步状态下换档i j “。同时，惯性增力 式同步器结构简单，轴向尺寸小，因此在重型变速器中得到应用，但是这种 同步器的齿套和同步环问的锥面磨损严重，必须选择合适的摩擦材料。 多锥面式同步器是另，一种增加同步力矩的结构形式，其工作原理和锁环 式同步器相同，只是在原有的两个锥面之间再插入，个或多个摩擦锥面。由 于锥面的有效摩擦面积成倍增加，在同步力一定的情况下，同步力矩相应地 大幅度增加，因而具有较大的力矩容量和低的热负荷，可有效地缩短同步时 间【2 “，如图l 一5 所示为双锥面式同步器结构。多锥面式同步器多用于重型货 哈尔滨理_ _ l = 大学工程硕士学位论文 1 齿套2 同步环3 接合齿 图1 - 4p o r s c h e 惯性增力式同步器 f i g 1 - 4p o r s c h es e , l v os y n c h r o n i z e r 车的丰、副变速器及分动器中。 图1 - 5 双锥面式同步器 f i g 1 - 5d o u b l e - c o n es y n c l l | o n i z e r 在这些不同类型同步器的基础上，国外重型变速器制造商根据自己的技 术实力和制造水平，研制了其独有的同步器技术，使变速器获得了更好的换 档性能。 堕量蒌垩三查兰三塞堡圭兰堡篁圣 美国e a t o n 公司的f u l l e r 变速器以其独特的双中问轴型式而闻名， 其早期的f u l l e r 变速器不采用同步器。为了提高重型商用车的舒适性和 安全性，e a t o n 公司相继研制了同步器型变速器，换档效果好艮使用寿命 长【2 “。其最新的f u l l e r 变速器采用了自动增力式同步器，该同步器在锁 销式同步器的基础上加入了自动增力结构，先进的同步器技术使换档更加轻 便灵活。 作为世界第一大机械式手动变速器制造商，德国z f 公司原有接合套型 和同步器型两种变速器，以适应不同用户的需要。随着汽车工业的发展， z f 公司用于重型商用车的最新型e c o m i d 和e c o s p l i t 系列变速器全部采 用同步器换档。z f 同步器以锁环式为主，有z f - b 型同步器、z f b k 型短 行程同步器和z f d 型双锥面式同步器，其采用钢基喷钼问步环，具有稳定 的摩擦性能【2 2 】。其中z f b k 型短行程同步器能有效地缩短变速器的轴向长 度，而z f d 型双锥面式同步器的同步力矩大，可以提供优异的同步性能， 因此在z f 变速器中得到普遍应用。 其他重型变速器制造商，如v o l v o 、s c a n i a 、b e n z 等，也全部采 用同步器型变速器，同时由于双锥面式同步器自身结构的优势，这砦变速器 制造商更多地使用了双锥面式同步器来提高变速器的换档性能。 综上所述，为了提高重型商用车的舒适性和安全性，大部分国外高端重 型变速器制造商都将目光投向了双锥面式同步器的应用。而且，随着摩擦材 料的研发和同步器制造水平的提高，双锥面式同步器技术在国外己经成熟， 因此双锥面式同步器已经大量地取代了单锥面的锁环式和锁销式同步器，普 遍应用于重型变速器中。随着重型商用车用户要求的不断提高，国外正在研 制多锥面式同步器及其它大容量同步器，并将其应用于变速器中。 1 3 2 国内同步器的发展概况 国内重型变速器技术多源于美国、德国、日本几个国家1 2 ”。因此，从 某种程度上说，国内重型变速器的同步器技术是随着对国外交速器的不断引 进、消化而发展的。 陕西法士特齿轮有限公司在用于载重1 5 吨以上的重型商用车的变速器 市场拥有8 5 的市场占有率，其主打产品是引进美国e a t o n 公司的 f u l l e r 系列变速器。该产品可靠、耐用，但由于是e a t o n 公司早期产 品，未采用同步器而使得换档手感重，需要有经验的驾驶员操纵。为改善此 情况以适应市场需求，法士特公司自主研制了同步器型变速器。同时，法士 竺查薹矍三查兰三堡堡圭兰堡墼兰 特公司与美国e a t o n 公司合资生产s y n c h r o 一9 系列全同步器型变速器， 它采用了e a t o n 公司最新的自动增力式同步器，同步力矩大，可靠性 上【”j 。但是其摩擦系统所用的非金属摩擦材料国内无法生产，必须采用进 口，加大了制造成本。 綦江齿轮有限公司的主打产品是引进德国z f 公司的5 s 1 1 1 g p 和 z f s 6 ，9 0 系列同步器型变速器，其同步器也相应地采用了z f 公司的技 术l 。但是，受制造水平和成本的影响，其主要采用了z f b 型和z f b k 型单锥面式同步器，经过长期的研究，制造水平已经成熟。但是，随着綦江 齿轮有限公司对重型车变速器的发展和与国外公司的进一步合作，双锥面式 同步器也得到了进一步应用。 山碹大同齿轮集团有限公司在弓l 进的日产柴m p s 6 2 b 型和m p t 2 1 b 型 变速器基础上开发了d c 7 j 1 2 0 t 、d c 9 j 1 3 5 t 和d c l 2 1 1 5 0 t 系列变速器。 相应地，d c 7 j 1 2 0 t 系列变速器采用锁销式和锁环式同步器；d c 9 j 1 3 5 t 和 d c l 2 j 1 5 0 t 系列变速器的高档采用单锥面式同步器，低档采用双锥面式同 步器，同步环采用钢基树脂摩擦层，摩擦效率高且成本低 2 6 j 。 天海汽车同步器厂是国内最大的同步器专业制造商，其各种规格的单锥 面式同步器在国内占有很大的市场份额。为了适应国内汽车市场的需要，通 过技术交流、引进和吸收，该公司研制了用于轻、中型变速器的双锥面式同 步器，经过试验取得了一定的成果1 2 ”。 东方齿轮有限公司一直致力r 重型变速器同步器的设计和制造，但其产 品阻单锥面的锁环式和锁销式同步器为主1 2 9 。现在，该公司与德国 h o e r b i g e r 公司进行技术合作，生产双锥面式同步器并取得了很大的进 展。但是，由于该同步器的摩擦材料无法国产化，核心零件必须进口，产能 受到了很大的制约。 综上所述，由于国内的重型变速器技术多以从国外引进为主，为了保证 其换档性能满足所引进变速器的要求，国内重型变速器制造商在同步器的应 用上尽量采用对进口零件进行国产化，而不是自主研制。这虽然降低了企业 的研发成本，但从长久来看，不利于中国汽车工业的发展。哈尔滨变速箱厂 作为国内主要的重型变速器制造商之，一直专注于重型变速器的开发，所 采用的单锥面式同步器技术可靠，制造稳定。近年来，在与中国第一汽车集 团技术中心和国外变速器公司的技术交流中，哈尔滨变速箱厂对双锥面式同 步器已经有了很深的了解，因此决定自主研制新型双锥面式同步器，以适应 市场的需要。 哈a 滨理工大学工程硕士学位论文 国内汽车市场正处于发展阶段，大多数重型商用车用户的需求为经济适 用车辆。因此，受到制造水平和加工成本的限制，国内大量应用的重型变速 器仍普遍采用接合套或单锥面的锁环式和锁销式同步器。但是，随着中国经 济的迅猛发展，国内物流产业的经营者在经过原始资本积累后，其经营理念 逐渐从简单的赚钱变成综合考虑运营成本，汽车的人性化和安全舒适性会越 来越受到重视。在这种情况的影响下，汽车换档的轻便灵活就成为一个重要 指标，对大容量同步器的需求也逐渐增大。因此，相信双锥面式同步器会以 其优异的性能在国内重型变速器中得到普遍的应用和发展。 1 4 本文主要研究内容 本文主要选择以下问题作为课题研究的内容： 1 对同步器的同步性能进行研究。通过对同步器同步过程的分析，建 立适合分析计算的实用的同步过程模型，推导出同步过程中的计算公式，并 分析影响同步性能的同步器零件的主要参数。 2 对同步器的锁止性能进行研究。通过对同步器锁止过程的分析，推 导出锁止过程中的计算公式，并分析影响锁止性能的同步器零件的主要参 数。 3 进行新型双锥面式同步器的研制。根据对同步器性能的研究，计算 并分析现有用于c a 7 9 5 变速器的单锥面式同步器的主要性能指标，针对现 有同步器的不足进行新型双锥面式同步器的研制：首先比较并确定双锥面式 同步器的结构方案，然后根据实际使用要求确定零件的主要设计参数。 4 通过对新型双锥面式同步器进行台架试验，测试所设计的双锥面式 同步器的性能和寿命，进一一步考核所研制的双锥面式同步器的科学性、先进 性和实用性。 矍查堡翼三查兰三堡堡圭兰堡篁塞 第2 章同步器同步性能的研究 同步性能是同步器最基础也是最重要豹性能，同步器的同步性能将直接 影响变速器的换档性能，主要表现为在要求的同步力作用下同步时问的大 小，也就是同步器同步力矩的大小。本章通过对同步器同步过程的理论分 析，建立实用的同步器河步过程模型，并根据此模型推导出相关的同步过程 中的计算公式：然后，详细分析影响同步性能的同步器零件的主要参数。 2 1 同步器同步过程模型 如图2 - 1 所示，根据同步器实际工况建立同步器的同步过程模型刎： 玩一变速器输入端的当量转动惯量缸一汽车惯量 m c 一变速器输入端阻力矩m y 一汽车行驶阻力矩m s 一同步器同步力矩 。一输入角速度o j ，一输出角速度 图2 - 1 同步器的同步过程模型 f i g2 1s y n c h r o n i z i n gp r o c e s sm o d e lo f s y n c h r o n i z e r 在同步器的研制过程中，所应用的计算公式应该在满足设计精度的前 提下尽可能简化，以保证计算公式的简单性和实用性。本着此原则，对上述 同步器的同步过程模型作如下简化和假定： 1 在同步器的实际使用过程中，由于摩擦锥面问滑磨速度的变化，动 摩擦系数会相应的有一些改变，因此同步器的同步力矩m s 也是变化的。但 由于这种变化相差不大且很难确定，可以将其忽略不计。因此在实际的同步 器计算中假定在整个同步过程中m s 保持不变。 2 汽车行驶阻力矩m y 是由汽车行驶时受到的滚动阻力、道路坡度阻 力、风阻和机械损失等所造成的，汽车在阻力不大的路面上行驶且同步时间 n 、叶、|，沙 、j1沁 一 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 很短时，可认为在该同步瞬间汽车速度保持不变，因此在实际的计算中可忽 略胁的影响。 3 由于在同步瞬间可认为汽车速度保持不变，因此可认为变速器输出 端转速在同步过程中保持不变，而变速器输入端靠摩擦作用达到与输出端同 步。 4 变速器输入端阻力矩m c 主要是由空档时变速器输入端因转动而受 到的润滑油阻力所造成的，由于此转动阻力与润滑油温度和变速器油面高度 等因素有关，实际使用中很难确定。而且，在同步器同步时的空档瞬间，考 虑到润滑油阻力在常温条件下对齿轮转速的降低可忽略刁i 计，因此在实际的 计算中忽略m c 的影响。 根据上述假定，建立简化的同步器同步过程模型，如图2 2 所示： 五。一变速器输入端的当量转动惯量 乃一汽车惯量 m s 一同步器同步力矩a t o 一输入端和输出端的相对角速度 图2 - 2 简化的同步器同步过程模型 f i g 2 - 2s i m p l i f i e ds ，n c b m l l i z i l l gp r o c e s sm o d e lo f s y n c h r o n i z e r 本章将以此简化的同步器同步过程模型对同步器的同步性能进行研究。 2 2 同步器同步过程的计算公式 本节将根据同步器的同步过程模型，研究同步器同步过程中的主要物理 量，分析各物理量之间的关系，并推导出同步器同步性能的计算公式，以便 接下来对同步器零件的主要参数进行研究。 2 2 1 当量转动惯量j 盔的计算 在动力学分析中，相关零件的当量转动惯量的计算是必需的。在设计同 步器时，必须计算同步过程中被同步侧( 即变速器输入端) 的当量转动惯 窒垒堡圣三查兰三堡堡圭兰堡篁兰 量。如图2 - 3 所示，为哈尔滨变速箱，r + c a 7 9 5 变速器的传动系统简图，现 以此为例，推导同步器被同步侧的当量转动惯量的计算公式。 l23 1 j t t 。l 一。工j t1 j 飞。b = 舀 k t - - l 工_ n 上肝 17 j 上4 r f q j _ r 、工_ r q j _ 工_ 4 5 1 离台器从动部分2 第一轴3 第：轴4 中间轴5 情轮轴 图2 - 3 变速器传动系统简图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f g e a r b o xs y s t e m 同步器研制所用的计算公式必须尽可能满足各种不同类型变速器的需 要，这就要求推导出的计算公式简便且具有通用性，因此首先将变速器内部 所有零件的转动惯量换算成与变速器第一轴转速相同条件下的转动惯量，并 求解变速器第一轴的当量转动惯量细。 变速器各部位的当量转动惯量如下： 1 第一轴及其附属零件的当量转动惯量蔚： 厶v = 五 ( 2 1 ) 式中厶一第一轴及其附属零件的转动惯量 2 中间轴及其附属零件的当量转动惯量1 r e ： i r c = i c t z i z c ) 2 t 2 _ 2 ) 式中，c 一中间轴及其附属零件的转动惯量 z ，一第一轴齿轮的齿数 z o 一与第一轴齿轮啮合的中间轴齿轮的齿数 3 第二轴齿轮及其附属零件的当量转动惯量知： 五w = 。f 。 ( 2 - 3 ) 式中一第二轴上第n 档齿轮及其附属零件的转动惯量 窒查篓矍三查兰三堡堡圭兰堡丝兰 i 。一变速器第n 档的传动比 4 惰轮及其附属零件的当量转动惯鳋，r r ： k = i r ( 乃z c _ ，) ( z c r z m ) ( 2 - 4 ) 式中厶一惰轮及其附属零件的转动惯量 z c r 一中间轴上倒档齿轮的齿数 z k 一惰轮的齿数 根据上述求得的变速器各部分的当量转动惯量，可得变速器第一轴的当 量转动惯量i r m ： j z m = 厶u + i r c + i r m + k ( 2 5 ) 然后，考虑离合器从动部分的转动惯量，可以求得当换至n 档时，变速 器被同步侧的当量转动惯量： 厶b = f ( i r m + i c d ) ( 2 6 ) 式中i c d 一离合器从动部分的转动惯量 变速器的转动惯量的大小直接影响其同步性能，转动惯量减小，同步力 与同步时问乘积减小，同步器的同步性能得到提高。因此，变速器的设计应 尽町熊减小零件的转动惯量，也有的变速器将同步器布置在中闻轴一k 以减小 被同步测的转动惯量，但这些方法必须在变速器设计的最初阶段就加以认真 考虑。 2 2 2 相对角速度a m 的计算 同步器的同步过程中，变速器输入端和输出端在空档瞬间存在相对角速 度。在其它条件不变的情况下，相对角速度越大，同步时间越长。变速器在 帽邻两个档位问转换时，有升档( 低档换高档) 和降档( 高档换低档) 两种 情况，不同情况下相对角速度不同，这里分升档和降档两种情况进行研究： 1 当变速器进行升档操作时，应该在低档达到最大功率时才换高档， 因此第一轴转速按发动机最大功率下转速来计算： a m = ( m 。i 。) 一( m 。一) ( 石3 0 ) ( 2 7 ) 式中 r 卅。一发动机最大功率下转速( r p m ) i 。一，一变速器第n l 档的传动比 2 当变速器进行降档操作时，是为了在低档下达到发动机的最大功 率，因此第轴转速按降档后达到发动机最大功率下转速时的变速前转速米 计算： a e o = ( 7 ) 一( 甜7 厶+ ) - ( r - 3 0 ) ( 2 - 8 ) 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 式中 。降档后达到发动机最大功率下转速时的变速前转速 n 。= n i 。+ i i 。( r p m ) i n + l 一变速器第n + 1 档的传动比 由上述公式可以看出，要降低变速器输入端和输出端的相对角速度，应 该使变速器相邻两档的传动比差尽可能减小，也可以将同步器布置在低速轴 上来实现这一要求，在变速器设计的初级阶段应对这一问题加以考虑。 2 2 3 同步力矩m s 的计算 同步力矩是衡量同步器同步性能的最重要指标，改善同步器的同步性能 就要尽可能增大同步器的同步力矩，使变速器的输入端和输出端的转速在尽 量短的时间内达到同步。 如图2 - 4 所示为同步器同步过程中摩擦锥面的受力简图。由此可得同步 力矩m s ： m s = y c o - f r c s i n a ( 2 - 9 ) 尸一作用在同步器齿套上的同步力一摩擦而锥角 r c 一摩擦锥面的有效半径口。一摩擦锥面的动摩擦系数 圈2 - 4 同步器摩擦锥面的受力筒图 f i g 2 - 4c o n et t f q u of o r c ed i a g r a mo f s y n c h r o n i z e r 公式( 2 - 9 ) 表示出相关参数对同步器同步力矩的影响，下文将详细研 究这些参数的选取。 2 2 4 同步时间臼的计算 同步时间是对变速器换档性能的最终要求，变速器必须在允许的同步力 的作用下在尽可能短的时间内完成同步换档，这样才能保证变速器的舒适性 和安全性。 根据图2 2 所示简化的同步器同步过程模型w 得： m s = ，砌- l a t o i t s ( 2 1 0 ) 则可得同步器同步时间珞： 西= 最。i i m s ( 2 1 1 ) 如前所述，减小转动惯量、降低相对角速度和增大同步器同步力矩都可 以缩短同步时问。 2 2 5 同步力与同步时间乘积的计算 由公式( 2 - 9 ) 和( 2 - 1 1 ) 可知，在变速器的换档过程中，同步力和同 步时间成反比关系。在某些情况下，同步器的同步时间必须满足要求，这时 就必须了解需要多大的同步力可按需要完成同步，因此同步力与同步时间乘 积就成为一个重要的衡量指标，它可以清楚的计算出不同条件下相应所需的 同步力。而且，通过对同步力和同步时间的比较，能够更直观地反映出不同 同步器之间同步性能的优劣。 1 同步器齿套七的同步力与同步时问乘积凡g ： 由公式( 2 一1 1 ) 可得： f t s = f 五h - ia t ol m s ( 2 一1 2 ) 2 变速手柄上的同步力与同步时间乘积f n t s ： 通过分析可得，作用在同步器齿套和变速手柄上的同步力有如下关系： f f h ，圮叩 ( 2 1 3 ) 式中屯一变速手柄到同步器齿套的传动比 玎一变速手柄到同步器齿套的传动效率 则可得作用在变速器手柄上的同步力与同步时间的乘积f t s ： f t d s = f i m ia wl ( m s 屯呷) ( 2 - 1 4 ) 2 2 6 最小摩擦面锥角仅的计算 由公式( 2 - 9 ) 可知，在保持其它条件不变的情况下，摩擦面锥角越 小，获得的同步力矩越大。但是，当锥角过小时，将会发生摩擦锥面间抱死 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 分不开的现象。 如图2 5 所示为同步器达到同步且同步力f 仍然存在时的受力简图 p 鋈 、 f u c sp f 一作用在同步器齿套上的同步力 一摩擦面锥角 p 一作用在摩擦锥面上的正压力 # c s 一摩擦锥面的静摩擦系数 图2 - 5 同步后摩擦锥面的受力筒图 f i g 2 5c o n et o r q u ef o r c ed i a g r a ma f t e rs y n c h r o n i z a t i o n 此时，同步环受力关系如下： f = p s i n a + p c s - p c o s 6 e ( 2 - 1 5 ) 当同步器f 消失时，锥面应立即脱离对偶锥面，但此时摩擦力雕p 的 方向相反，阻止同步环向右脱开，即锥面间有抱死的趋势。为避免这种情况 的出现，必须满足如下条件： p s i n a p c s 。p c o 锨 ( 2 - 1 6 ) 即 t a i l r s ( 2 1 7 ) 此外，必须合理地选择同步环的材料和尺寸，避免在同步力作用下同步 环产生较大的径向变形而抱死分不开。 2 3 影响同步性能的主要参数的研究 在同步器的设计过程中，零件参数的设计和选取会对同步器所能达到的 同步性能有直接影响。本节将研究一些重要的同步器零件设计参数，分析其 哈尔滨理上大学工程硕士学位论文 与同步性能的关系，为双锥面式同步器的设计提供必要的设计原则。 2 3 1 摩擦面锥角a 满足同步器同步性能的最直接要求就是在输入条件所确定的同步力作用 下，获得尽可能短的同步时间t s 。在设计同步器时，完成变速器传动比、齿 轮、轴等零件设计后，被同步侧的转动惯蹙厶。和相对角速度国是确定不 变的。因此，由公式( 2 1 1 ) 可知，要获得尽可能短的同步时间，必须使同 步力矩m s 尽可能大。根据公式( 2 - 9 ) 可得，减小摩擦面锥角旺可达到增大 同步力矩的目的。 虽然，摩擦面锥角越小，同步力矩越大，但过小的锥角会使两锥而在同 步后发生抱死现象，尤其是在锥面尺寸控制不严时，极易出现粘着现象，结 果使得同步器摩擦锥面抱死分不开，同步器齿套无法轻易拨正同步环，这不 但造成换档力增大，而且会在换档过程出现两次停滞而影响柔顺性。因此， 设计同步器时，应该按照公式( 2 - 1 7 ) 和实际的制造水平确定最小摩擦面锥 角；在保证有足够的同步力矩的情况下，应该选择尽可能大的摩擦面锥角以 避免抱死现象的发生。 2 3 2 摩擦锥面的有效半径且c 由公式( 2 9 ) 可知，同步器摩擦锥面的有效半径尺c 的变化直接影响着 同步器的同步力矩。在其它条件不变的情况下，摩擦锥面的有效半径越大， 同步器的同步力矩越火。但是，受变速器中心距及零件尺寸和空问布置的限 制，同步器摩擦锥面的有效半径不能过大。因此，设计同步器时，应该在变 速器空问布置允许的条件下，尽可能增大同步器摩擦锥面的有效半径，以获 得尽可能大的同步力矩。 2 3 3 同步环的工作面宽度丑 为了整车上的布置需要，变速器的总长度在设计上要受到限制，相应变 速器内部的各个零件的轴向尺寸不应过长。因此，同步环的工作面宽度应该 尽可能缩短。但是，由于摩擦锥面在同步的瞬间会产生大量的热量，适当的 工作面宽度会提高同步环的散热性能，增强锥面的耐磨性。因此，设计时虑 综合考虑这两方面因素，选择合适的同步环工作面宽度。 哈尔滨理工大学工程硬士学位论文 2 3 4 摩擦锥面问的动摩擦系数印 由公式( 2 - 9 ) 可知，在其它条件不变的情况下，摩擦锥面间的动摩擦 系数越大，同步器的同步力矩越大，因此在同步器的寿命范围内，保证稳定 的动摩擦系数对同步器同步性能是至关重要的。摩擦锥面间的动摩擦系数随 着摩擦层材料、界面润滑条件和表面粗糙度等情况的变化而变化，现就上述 情况进行研究。 2 3 4 1 摩擦层材料现主要采用的摩擦层材料有纸基层、钼基层和铜基层三 种。其中： 1 纸基层在允许的热容量范围内，动摩擦系数几乎保持不变，摩擦效 果极佳。但是，纸基层无法达到高载荷极限，在高压下容易压缩变形，使用 中抗超载能力也很差1 3 ”。因此，纸基层一般不应用于重型变速器的同步器 中。 2 钼基层的动摩擦系数在受表面变化的影响时随时间的变化只是略有 降低，而且镏基层的极限载荷和抗超载能力也很大。2 0 世纪8 0 年代中期， 綦江齿轮厂首先将这种钼基层的制造工艺应用于重型变速器的同步环生产 中，如今在国内该技术已经成熟【3 ”。