（机械工程专业论文）cvx轿车同步器换档性能研究与试验分析.pdf

工程硕士学位论文 摘要 摘要 变速器作为汽车关键零部件，是汽车传动系的主要部件，借助于 换档结合元件来完成换档操作。手动变速器的换档结合元件包括滑动 齿轮、接合套、同步器，其中同步器是汽车变速器广泛使用的换档结 合元件。为解决汽车换档中存在的一些问题，为手动变速器、机械自 动变速器a m t 和双离合自动变速器d c t 的换档操作提供理论基础与技 术支持，本文主要对同步器进行了较详尽的分析和研究。 首先，查阅了大量资料和技术专利，用现代设计方法学的方法抽 象化分析同步器功能，从质量功能角度研究同步器的结构组成，以同 步器功能元件为依据对同步器进行重新分类，并介绍了当今较新的摩 擦材料类型和同步器结构及其参数设计，以指导变速器换档系统的创 新设计、产品开发、现场换档攻关。 其次，在参考大量文献并加以分析和总结的基础上，给出了变速 器换档平顺性的主、客观指标，并建立了换档平顺性指标，较为全面 地给出了同步器换档性能和品质的评价指标。也可为行业制定同步器 标准与相关规范提供了一定的理论依据。 第三，建立了同步器同步过程的通用数学模型，将同步器系统各 参数转换至变速器输入、输出端来计算，较为明确地反映出各参数尤 其是同步器位置布置的影响。 第四，通过对c v x 轿车同步器进行具体计算，对其同步器性能分 析和品质评价，这将对变速器方案布置与同步器设计具有的实践意义 与现实技术指导意义。 最后，在试验台架方面，探讨了同步器性能试验和寿命试验，同 步环摩擦系数试验方法，建立了同步器相关试验的方法，明确了内容 和要求，对其单锥、双锥以及高性能自增力同步器的试验结果进行了 分析和探讨。并从同步器换档性能和品质评价角度对公司的相关试验 台提出了优化、改进意见。 关键词：变速器，汽车传动系，结合元件，同步器，换档平顺性 a bs t r a c t t r a n s m i s s i o na sak e ya u t o m o t i v ep a r t sa n dc o m p o n e n t s ，am 铷o r a u t o m o t i v e p o w e r t r a i nc o m p o n e n t s ， b y m e a n so fc o m b i n a t i o no f c o m p o n e n t st oc o m p l e t et 1 1 eg e a rs h i ro p e r a t i o n m a n u a lt r a n s m i s s i o n s h i r b i n d i n ge l e m e n t s ，i n c l u d i n gs l i d i n gg e a le n g a g e m e n t s e t s ， s v n c h r o n i z e r w h i c hs y n c h r o n i z e rw i d e l yu s e di na u t o m o t i v et r a n s m i s s i o n s h i rb i n d i n ge l e m e n t s t i oa d d r e s sa u t os h i rs o m eo ft h ep r o b l e m sm a t e x i s t f o rt h em a n u a lt m s m i s s i o n 黼a m ta n dd c td u a l - c l u t c h a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o np r o v i d e st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dt e c h n i c a l s u p p o r t ，t h i sp 印e r t h es y n c h r o n i z e r t oam o r ed e t a i l e da 1 1 a l y s i sa n d r e s e a r c h f i r s to fa l l ，a c c e s st oa1 a r g en u m b e ro fg e r m a na n dt e c h n i c a l p a t e n t s ，w 油m o d e md e s i g nm e t h o d o l o g ym e t h o d so f 孤“y s i so ft h e a b s t r a c ts y n c h r o n i z a t i o nf e a t u r e ，丘o mt h ep e r s p e c t i v eo fq u a l i t y 如n c t i o n o ft h es t m c t u r eo ft h es y n c l l i o n i z e r t o s y n c h r o n i z e f e a t u r e c o m p o n e n t - b a s e dr e c l a s s i f i c a t i o n o ft h es y n c h i o n i z e ra n di n t r o d u c e d t o d a yar e l a t i v e l yn e w 够p eo f 疔i c t i o nm a t e r i a l sa n ds y n c h r o n i z et h e d e s i g n ss c m c t l 盯ea n di t sp a r a m e t e r st og u i d et h et r a n s m i s s i o ns h i r i n g s y s t e m ，i n n o v a t i v ed e s i g n ，p r o d u c td e v e l o p m e n t ，f i e l dg e a r r e s e a r c h s e c o n d l y ，i nr e f e r e n c et oa1 a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r ea n da n a l y s i s a n ds u m m a 科b a s e do nt h eg i v e nt r a n s m i s s i o ns h i r i n gs m o o t h n e s so ft h e s u b i e c t i v e a n do b i e c t i v ei n d i c a t o r s ， a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fa s m o o m s h i 衔n gn a t u r eo fi n d i c a t o r s ，am o r ec o m p r e h e n s i v em a n n e rg i v e n s y n c h r o i l i z e rg e a rp e r f o 咖a n c ea n dq u a l i 够e v a l u a t i o ni n d e x a l s of o rm e i n d u s 时t od e v e l o p 渤n d a r d sa n dr e l a t e ds p e c i f i c a t i o n ss y n c h r o n i z e r p r o v i d e sac e r t a i nt h e o r e t i c a lb a s i s t h i r d ，t h ee s t a b l i s h m e n to fac o m m o ns y n c h r o n i z e rs y n c l l r o n i z a t i o n p r o c e s sm a t h e m a t i c a lm o d e lo f m e s y s t e mp a r a m e t e r so f t h es y n c h i o n i z e r s w i t c ht og e a r b o xi n p u t ，o u t p u t ，t h ef o r m u l ac l e a r l yr e f l e c t sm ev a r i o u s p a r 锄e t e r s ，e s p e c i a l l yt h ei m p a c to fl a y o u tp o s i t i o no fs y n c h r o n i z e r f o u r t h ，b yc a rs y n c h r o n i z e rc v xs p e c i f i ct e r m s ，i t ss y n c h o n i z e r p e r f o r n l a n c ea n a l y s i s 锄dq u a l 时e v a l u a t i o n ，w h i c hw i us y n c h r o n i z e t r a n s m i s s i o nl a y o u ta n dd e s i g np r o g r a mh a sap r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a ls i g n 墒c a n c eo f t e c h n i c a lg u i d a n c e 1 1 f i n a l l y t h et r i a lb e n c h ，a n de x p l o r et h es y n c h r o n i z e rp e 墒m a n c e t e s ta 1 1 dl i f et e s t ，s i m u l t a i l e o u sr i n g 衔c t i o nc o e m c i e n tt e s tm e m o d s e tu p t h er e l e v a n te x p e r i m e n t ss y n c h r o n i z e r e x p l i c i tc o m e n ta n dr e q u i r e m e n t s o fi t ss i n g l e c o n e ，d o u b l e c o n ea n dh i 曲一p e 墒眦a n c es e l f e n e 玛i z i n g s v n c h r o n i z e ro fm e t e s tr e s u l t sa r ea n a l y z e da i l dd i s c u s s e d s y n c h r o n i z e r g e a r6 - o mt h ee v a l u a t i o no f t h ep e r f o r m a n c ea n dq u a l i 够p o i n to fv i e wo f t h ec o m p a n y sr e l a t e dt e s tb e dp r o p o s e do p t i m i z a t i o n ，s u g g e s t i o n sf o r i m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：t 啪s m i s s i o n ，a u t o m o t i v ep o w e r t r a i n ，c o m b i n e dw i t h c o m p o n e n t s ，s y n c l u 。o n i z e r ，s h i r i n gs m o 池l e s s l i l 工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 变速器在汽车中的主要作用是对发动机的输出扭矩和输出转速进行调整， 以符合整车状况，道路条件和用户实际需要。因为发动机的自身扭矩和转速变化 范围较小，而复杂的使用条件又要求汽车车轮的驱动力和车速能在相当大的范围 内变化；同时汽车也需要前后行驶，动力中断等，这些都是需要汽车变速器来实 现这些主要功能。变速器作为汽车中的关键零部件，本身性能及其与发动机的匹 配情况也将直接影响汽车的动力性，经济性，驾驶舒适性。目前，我国使用的汽 车变速器绝大多数仍为手动变速器。为了提高整车舒适性，换档平顺性，也就采 用了同步器。 随着我国汽车产业的迅猛发展，随着人民生活水平的提高，轿车己逐步进入 家庭，非职业性驾驶员将越来越多，这也就对驾驶操作的简化提出了更高的要求， 自动变速器a t 与无级变速器c v t 也逐渐增多。然而手动变速器生产成本低，传动 效率高的优点，还能充分满足驾驶者的爱好和各种驾驶习惯等。伴随着对手动变 速器的研究和实践的不断深入，对各种新结构、新技术不断引入，在手动变速器 的基础上发展了机械式自动变速器a m t 与双离合自动变速器d c t 。 为减轻驾驶员的劳动负荷，减少频繁的换档而发展起来的机械式自动变速器 a m t ，它具有优越的性能价格比、高的机械传动效率和易于制造的优点，其生产 继承性好，投入的费用也较低。由于耗油量低、在注重环保的欧洲得到大力推广。 在原传统的手动变速器基础上进行自动化，能使其以结构简单的平行轴式布 置达到了结构复杂的行星轮系自动变速器的效果，使结构更加紧凑，成本远低于 a t 、c v t 等自动变速器。此外，可充分利用原有手动变速器的技术装备与生产设 备，只需增加少量的生产设备即可，生产继承性好，很适合现有的手动变速器生 产厂将产品升级到双离合自动变速器d c t 【2 1 。 1 2 汽车变速器换档结合元件的发展 1 2 1 变速器换档结合元件研究的背景 1 8 8 6 年戴姆勒( d a i m l a r ) 等人制造了世界上第一辆汽车口1 ，伴随着汽车的发 展，作为汽车传动系主要部件的变速器也经历了一个多世纪的发展历程，历史上 出现过各种不同的传动系和变速器。 传统的手动变速器( m t ) 传动效率高( 一般达到9 2 以上) ，结构简单、一般通 过离合器与发动机相连，具有传动效率高，制造精度要求不高，成本低，技术成 工程硕士学位论文 第一章绪论 熟的优点。所以，在国内各类汽车还普遍采用m t 。在国外，虽然自动变速器( a t ) 的装车率不断提高，但m t 仍有一席之地，尤其在西欧，m t 技术先进，且具有能充 分满足驾驶者爱好和各种驾驶情况等优点，因此在轿车、大客车、重型自卸车、 越野车、货车、工程机械、拖拉机及履带车辆等方面仍在使用。 随着发动机功率不断提高，要求手动变速器具有更高的扭矩容量，同时在不 变甚至更小的结构空间内，减小换档力和改善换档舒适性的要求更高。而换档时 要分离与结合离合器，并且要求“同步 换档，因此存在本身结构特点所导致的 无法克服的缺点，换档操作劳动强度大，也增加了行车不安全因素。换档过程中 产生动载荷，这会影响发动机和传动系统的使用寿命，同时也影响乘坐的舒适性； 换档时机把握不正确，还会增加油耗，熟练与非熟练驾驶员的油耗量可相差近1 0 以上射。 机械式自动变速器a m t 是在原有手动变速器基本结构不变的情况下，通过加 装微机控制的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、 换档手柄的挂挡与摘挡以及改变发动机的油门开度相应的进行协同调节等操作， 最终实现换档过程操纵的自动化。a m t 系统包括：原手动变速器、选换档执行机 构、离合器执行机构、动力源、a m t 线束、各类传感器、t c u 、手柄及显示仪表部 分等几大部分。 双离合器自动变速器d c t 是从传统的平行轴式手动变速器发展而来的，拥有 手动变速器的传动效率高、成本低及自动变速器良好的燃油经济、动力性与乘坐 的舒适性，还提供了无间断的动力输出。它采用了2 个离合器，将原平行轴式手 动变速器档位与2 个离合器重新进行了配置。当车辆以某一档运行时，将下一个 档位实行预先啮合挂档，车辆达到换档点后只需切换2 个离合器的动作即可完成 换档。 1 2 2 手动变速器换档结合元件的分类和发展 变速器通过换档结合元件来完成换档，而换档结合元件是影响变速器换档品 质的最主要因素1 。其中：( 1 ) 手动变速器，用人力来拨动齿轮、接合套或同步器 进行换档；( 2 ) 动力换档，用动力( 一般用液压) 操纵同步器、离合器或制动器来 完成换档；自动换档，换档指令由t c u 自动产生，用动力自动完成换档，结合元 件与动力换档相同。 。 2 工程硕+ 学位论文第一章绪论 了 f 乙j jt 阻i l 门 。上 o ￥ l b 王 。上r a ) b )c ) 图卜l 手动变速器换档结合元件 手动变速器常用的换档结合元件为同步器。手动变速器换档结合元件的发展 经历了以下几个阶段例： ( 1 ) 滑动齿轮，如图卜1 a ) 所示，通过齿轮轴向滑动换档来实现齿轮的啮合。 滑动齿轮一般用直齿轮，结构复杂，齿轮既作为传动件又作为啮合元件，换档行 程长，换档力大，换档功率也大。啮合时因主被动元件转速不同而存在冲击，啮 合困难，而发出声音。因经常冲击对齿轮强度要求很高，且影响寿命和负载传递。 与现在有些汽车变速器中的倒档情况相同。 ( 2 ) 接合套，如图卜1 b ) 所示。手动变速器采用常啮合斜齿轮较有利，通过接 合套将轴和在轴上的空套齿轮分离或结合来实现换档。接合套用花键连于轴上， 接合套锁定空转齿轮也就是将齿轮与旋转的轴相连，从而改变传动比。接合套换 档把传动齿轮和啮合接合套分开，啮合齿距离短，结构更合理，但啮合时尽管齿 轮和接合套上的花键均有圆角以便于换档，同样存在进入啮合的齿轮上的花键齿 和接合套齿线速度不同所造成的冲击和碰撞，甚至损坏齿轮。主要用于摩托车传 动中。 ( 3 ) 同步器，如图卜1 c ) 所示。变速器也采用常啮合齿轮，但为避免变速器换 档时的冲击，采用了同步器。增加了一个主要元件一同步环，此元件与啮合齿轮 的齿圈锥面形成摩擦副。在采用同步器换档过程中，摩擦副的摩擦力使主被动两 元件转速相同，避免了不同转速时完成啮合而产生的冲击，提高了换档舒适性， 同时因通过消除齿轮之间碰撞，提高了其零部件的使用寿命陋1 。 同步器使用在现代轿车上，直到1 9 2 8 年，美国的c a d i l a 6 才广泛使用带同步 器的变速器。随着机电一体化的发展，m t 也逐步向自动化方向发展，首先出现了 伺服机构取代拨叉来操纵同步器，实现换档动作自动化的半自动s a m t 系统，如 1 9 8 3 年美国e a t o n 公司的s a m t 系统凹1 ，1 9 8 6 年瑞典s c a n i a 的c a g 系统，德国z f 的 s e m i s h i f t 半自动变速器，英国福特( f o r d ) 与f e r r a t i 的电子同步变速装置 工程硕士学位论文 第一章绪论 ( e s t a ) 等。随后实现了主离合器的自动操纵，即出现了全自动的电控机械式自 动变速器( a u t o i i l a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，a m t ) ，如1 9 8 3 年日本五十铃公 司的n a v i 一5 电控机械式自动变速系统，日本的n i s s a n ，h i n o ，美国的f o r d ，e a t o n ， 意大利的f i a t 、法国的r a n a u l t 等也都先后开展了全自动a m t 系统的研究与开发 i o 】 o 现在，同步器已在手动变速器中形成模块化n ，根据其配合零件的连接尺寸 分解成标准模块和可选择模块，通过选配用于不同变速器。这样同一规格的同步 器应用在不同变速器时，保证大部分零件能互换，通用。与不同步的换档相比， 同步器换档有如下优点：操作容易，换档轻便省力；可迅速安全地换档，解放了 驾驶员，使其完全集中精力于交通上，增加了行车安全因素。但其加工费用和成 本较高。因此，国外许多汽车公司、变速器生产厂家和研究所正在深入研究同步 器，重点在于；优化成本；提高功率；减小换档力；改善换档舒适性；减小同步 器的宽度，因为其宽度直接影响变速器的长度。 1 3 变速器换档结合元件的研究现状 1 3 1 国外研究现状 现在，国外只有很少的整车厂还自己生产变速器，大多数的厂家都是购买变 速器专业生产厂家的产品，世界知名度较高的变速器生产厂有：日本的爱信公司 ( 其变速器主要供给丰田公司和沃尔沃公司) 与j a t c o 公司( 主要供给日产公司，以 及b m l i y 公司对日本出口的汽车) 、德国的z f 公司与g e t r a g 公司，美国的e a t o n 公司 缝 守。 这些变速器专业厂家除了生产变速器外，把大部分精力都投在自动变速器新 产品的设计和开发上，对同步器研究投入的精力相对减少。关于同步器的研究， 欧美主要着重于摩擦材料与加工工艺，以便提高换档效率、减小换档力、减少同 步器的宽度，改善换档舒适性与平顺性，降低成本；而日本，尤其是同步器同步 环专业生产厂家日本协和合金株式会社，还在继续进行更深层次的研究，主要着 重于开发新的同步器结构，如杠杆同步器，它尤其是针对倒档，为减少滑动齿轮 换档时产生的噪声而使用杠杆同步器，利用同步器对输入轴产生了一个制动作 用；同时它也可用于高速档，利用杠杆原理来达到省力的高性能同步器效果。 4 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 国内研究现状 国内的汽车及变速器生产厂家，还处于自主设计开发的起步阶段，尚缺乏完 全独立创新设计的能力。而a m t 自动变速器在国内的使用也很少，奇瑞q q 轿车是 国内唯一采用a m t 的轿车，但由于技术问题尚未得到根本解决，没有能够实现较 大的生产经济规模。青山公司也有一款a m t 搭载江淮同悦车即将上市。至于d c t ， 国内尚不具备设计、制造的能力，还处于技术研究阶段。 国内对同步器的理论研究虽然时间很长，取得了一定的成果，但还存在一些 不足。如同步器换档过程数学模型和理论公式不全面；同步器换档品质的评价指 标和方法尚未形成统一的标准；同步器结构分类也比较混乱n 2 卜n 制。 我国汽车业包括变速器生产正面临着国内汽车市场提供的极大机遇和国外 汽车同行的巨大挑战。作为民族支柱产业之一的汽车工业必须不断提高产品质 量，增加技术储备，提高技术水准，为开发和生产高品质的手动及自动变速器提 供技术援助，以增强国际竞争力。 如何提高已有的技术研发水平，吸收和借鉴国外先进的变速器技术并形成自 己的技术，开发自己的变速器，将成为摆在我们面前的一个重要课题。 1 4 研究内容 本文主要研究了手动变速器的相关理论，如换档结合元件的理论建模、原理 分析、结构总结、评价指标和控制方法等，同时进行了大量计算，并作了相应试 验，将程序运行结果与试验进行比较。利用上述理论具体分析了c v x 轿车手动变 速器。具体包括： ( 1 ) 查阅大量资料与技术专利，用现代设计方法学抽象化分析同步器的功 能，从质量功能角度展开的研究同步器的结构组成，以同步器功能元件为依据对 同步器进行分类，并介绍了当今较新的摩擦材料类型和同步器结构及其参数设 计，以指导变速器换档系统的创新设计和产品开发。 ( 2 ) 建立了同步器换档结合过程的通用数学模型，提供了详尽的计算公式， 全面的反映同步器系统各参数对同步性能与换档品质的影响，从中发现了行业标 准和过去文献中的不足。 ( 3 ) 在参考大量文献并加以分析和总结的基础上，从离合器与变速器系统、 换档操纵系统、同步器本身三个层次，系统全面地给出了同步器换档性能和品质 评价的指标。在参考大量文献并对现有评价指标进行比较的基础上，通过理论研 究和详细分析，完善了变速器的换档平顺性指标，选定作为换档平顺性的客观指 标，并给出相应的主观评价指标，使换档平顺性客观指标与主观指标在各种换档 工程硕士学位论文 第一章绪论 情况下都有较好的相关性。这将对变速器的设计、开发及现场具有一定的技术指 导意义，可为行业制定同步器标准与相关规范提供一定的理论依据。 ( 4 ) 通过对c v x 轿车同步器进行具体计算，对其同步器性能分析和品质评价， 这将对变速器方案布置与同步器设计具有的实践意义与现实技术指导意义。 ( 5 ) 进行了c v x 轿车同步器摩擦锥面的摩擦系数试验以及同步器性能和寿命 试验。将试验和结果比较，两者较相符，并对现在的试验台架提出了改进意见。 第二章c v x 轿车同步器结构分析 同步器是汽车变速器中影响汽车换档性能的变速器最关键零部件，同步器结 构类型较多，也比较复杂，有必要进行全面系统的总结与归纳。利用现代设计方 法学的观点，首先抽象化，从质量功能角度展开来分析同步器，为实现同步器功 能需要确定其必要组成元件，探讨这些组成元件可能采用的形式和可能的布置方 式，对同步器结构进行较全面的概括和归纳，进行了较科学的分类。 2 1同步器功能元件分析 同步器功能元件有三种功能：口明 ( 1 ) 同步功能( 使进入结合的两同步元件转速逐渐相等) ； ( 2 ) 锁止功能( 保证只有同步后才能结合，否则就阻止) ； ( 3 ) 定位功能( 空档使接合套保持在中位) 。 因此，根据其功能分析可知同步器基本组成为： ( 1 ) 同步元件，通过摩擦元件来实现； ( 2 ) 锁止元件，通过锁止元件来实现； ( 3 ) 定位元件，通过弹性回位元件来实现。 因同步器的功能是使接合套和空转齿轮转速相同后才能结合，故同步元件和 锁止元件不可能直接利用接合套和空转齿轮，必须采用同步环。n 们所以同步器基 本组成零件是接合套、同步环、空转齿轮和回位弹簧。 同步环位置布置从理论上分析有两种可能性： ( 1 ) 接合套在空转齿轮上，同步环布置在接合套和轴之间。这种方式从结构 和制造工艺来看都不合理，而且接合套只能用于一个档，因此未见采用； ( 2 ) 接合套在轴上，同步环布置在接合套和齿轮之间。此方式结构合理，一 个接合套控制两个档位，目前的同步器都是采用这种布置形式。 空档时，同步环与接合套或空转齿轮一起转动，但必须存在相对运动，使同 步初期同步环可周向转动一定角度，锁止副起作用。 同步器各功能元件位置布置如下： 同步元件应位于有转速差的两元件之间，即同步环与接合套一起转动，摩擦 面位于同步环和空转齿轮之间；同步环与空转齿轮一起转动，摩擦面位于同步环 和接合套之间。 锁止元件应位于空档一起转动的两元件之间，即同步环与接合套一起转动， 7 锁止面位于同步环和接合套之间，同步前阻止接合套轴向移动穿过同步环进入啮 合；同步环与空转齿轮一起转动，锁止面位于同步环和空转齿轮齿圈之间，同步 前阻止接合套及同步环一起轴向移动进入啮合。 定位元件布置应使接合套能自动回位至空档位置，在无轴向外力作用时无法 离开空档位置，运动初期( 锁止元件起作用后，由锁止副传递轴向力) 或整个同步 过程接合套可传递轴向力。 综上所述，同步器传力路线如图2 1 所示，同步器结构的核心零件同步环， 摩擦副和锁止副都有以下两种可能布置位置：布置在接合套和同步环之间；布置 在同步环和空转齿轮之间。 花键齿 图2 1 同步器传力路线 2 2 按照同步器功能元件进行同步器分类 按照同步器功能元件进行同步器分类，相关文献见 1 7 2 3 。 2 2 1 按摩擦元件分类 按摩擦面形状，一般机械式摩擦元件的形状有锥形、片形和鼓形。 心落 罄罐霉到刁 雨 n 添姆黝 图2 2 单锥同步器结构简图 目前绝大多数采用锥形同步器，如图2 2 所示，摩擦锥面半锥角一般取得很 小( 6 。7 。) ，接合套上较小的轴向力就能产生较大摩擦力矩，结构简单，加工 方便，承载能力大。片形同步器如图2 3 所示，极少采用，因接合套上的轴向力 8 要产生大摩擦力矩就需很多片，其结构复杂，不易散热，径向尺寸和轴向尺寸都 大。鼓形同步器未见采用，原因是鼓形同步器结合需圆周方向的切向力，而接合 套操纵力为轴向力，操纵上很难实现，结构复杂。 图2 3 片形同步器结构简图 按摩擦锥面数量，分单锥、双锥和多锥同步器。单锥同步器只有一对摩擦锥 面，结构简单，但摩擦力矩较小，同步时间较长，如图2 2 所示。双锥同步器有 二个摩擦锥面，因面积增大一倍，此时摩擦力矩及摩擦功率几乎增大一倍，多用 于跑车，轿车的低速档，如图2 4 所示。多锥同步器有三个或三个以上摩擦面， 三锥同步器摩擦力矩大致为单锥同步器三倍。但摩擦锥面一般不超过三个，其结 构复杂，各摩擦面公差和配合要求高，设计制造困难，多用于高档轿车，尤其具 有双离合器d c t 的轿车是必不可少的，如图2 5 所示。 。 图2 4 双锥同步器结构简图图2 5 三锥同步器结构简图 按摩擦副位置，分为摩擦副位于空转齿轮和同步环之间与位于接合套和同步 环之间。摩擦副位于空转齿轮和同步环之间，空档时同步环与接合套一起转动， 挂档时同步环与空档齿轮间有转速差，故在两者摩擦面间就产生同步摩擦力矩； 摩擦副位于接合套和同步环之间，空档时同步环与空转齿轮一起转动，换档时同 步环与接合套之间存在转速差，故在两者的摩擦面间就产生同步摩擦力矩。 按摩擦锥相对同步环布置位置，分为摩擦锥径向布置与轴向布置。 径向布置：从径向看，分内锥和外锥同步器。内锥同步器摩擦面布置在同步 环内侧，也位于啮合齿和锁止副的内侧，此时摩擦半径较小，摩擦力矩小，但技 术成熟，如图2 6 所示；外锥同步器，摩擦锥面布置在同步环外侧，摩擦副位于 啮合齿和锁止副的外侧，摩擦半径较大，摩擦力矩大，换档时间短，是较为先进 的一种布置方式，如图2 7 所示。 摩镶面 啮合齿 图2 6 内锥同步器结构简图 图2 7 外锥同步器结构简图 轴向布置：同步器轴向长度对变速器整体长度影响很大。为了使变速器结构 紧凑，体积小重量轻，必须尽量减小同步器轴向长度。为此应使锁止副和摩擦副 布置在接合套轴向长度范围内，使其轴向空间重叠。按轴向位置布置分类如下： 锁止副和摩擦副并行，锁止副和摩擦副重叠在接合套轴向长度范围内，轴向长度 小，变速器整体长度可减小；锁止副和摩擦副串行，锁止副和摩擦副超出接合套 轴向长度范围，轴向长度大，变速器整体长度增大。 2 2 2 按锁止元件分类 按锁止副形状，可分为锁止齿、锁止面。锁止齿同步器( 图2 2 ) ，由同步环 花键齿和接合套啮合齿( 或齿圈啮合齿) 端部的倒斜面相互抵触实现锁止；锁止面 同步器，由接合套和同步环( 或与同步环为一体的锁销) 之间的圆锥面相互抵触实 现锁止，如图2 8 所示。 按锁止元件形状，分为锁环式同步器与锁销式同步器。锁环式同步器( 图 2 2 ) ，其锁止副为同步环，其作用的是同步环锁止齿端斜面；锁销式同步器( 图 2 8 ) ，其锁止副为销子，其作用的是销子中部的圆锥面。 l o 玉弋 l， 乙。一 a l 一。 矗 圜 潞| i 匿 1歹 i1 h 一，1 - l _一! 培 一_ ib- ， 一一! e f一-f l _l 1 产! 露。一一q - n 一r 、 图2 8 锁销式同步器结构简图 按锁止元件布置位置，分为锁止元件位于同步环和接合套间与同步环和齿轮 齿圈问。锁止元件位于同步环和接合套间，换档完成仅接合套与齿轮齿圈啮合， 同步环轴向位置基本不变，接合套穿过同步环；锁止元件位于同步环和齿轮齿圈 间，同步后接合套推动同步环移动，共同与齿轮齿圈啮合。 2 2 3 按弹性元件分类 按弹性元件形状，分为螺旋弹簧式同步器与环形弹簧式同步器。螺旋弹簧式 同步器，弹性元件为螺旋弹簧，拨叉推动接合套离开空档位置要克服弹簧阻力， 起空档定位作用；环形弹簧式同步器，此时弹性元件为环形弹簧，作用同前。 按弹性元件布置位置，分为弹性元件位于与接合套相啮合的齿毂内部、位于 接合套和同步环之间与位于齿轮齿圈的环形槽内。弹性元件位于与接合套相啮合 的齿毂内部，主要是螺旋弹簧这样布置；弹性元件位于接合套和同步环之间，主 要是环形弹簧布置；弹性元件位于齿轮齿圈的环形槽内，此布置方式不多见，弹 性元件为环形弹簧，如p o r s c h e 式同步器( 图2 9 ) 环形弹簧 图2 9p o r s c h e 式同步器结构简图 2 3 同步器主要功能元件材料选择 为了获得同步容量大，换档轻便快捷的同步器，除了从结构考虑外，还有必 要对摩擦材料进行考量。同步器功能元件所用材料的选择主要是摩擦锥( 齿圈) 材料和同步环材料选择。 2 3 1 同步器摩擦锥材料选择 同步器摩擦锥的锥体部分一般与同步传动齿轮做成一体的( 但也有焊接 的) 。一般都是低碳合金钢通过热表处理( 一般是渗碳、碳氮共渗) 完成，表面 硬度h r a 8 2 左右，它的表面粗糙度很重要，一般控制在o 2 。粗糙度对摩擦锥与同 步环之间的摩擦系数影响很大，摩擦锥的粗糙度好，能使摩擦系数变化小，同步 器性能稳定。尤其在跑合期，不易损伤同步环内锥面，还可提高同步环使用寿命。 2 3 2 同步环材料选择 2 3 2 1 同步环材料选用原则 材料的摩擦系数高而且稳定，与压力和换档次数无关，其值为常数需便于加 工；锥面上的螺纹牙尖和齿端锁止面的耐磨性好；摩擦锥面“抱死 倾向小；疲 劳强度高，不易裂；弹性模量好；可超载足够安全并能使用各种润滑油。 2 3 2 2 同步环材料 同步环应用最普遍的是铜合金，精锻成型后进行机加工，内锥面上有螺纹， 其强度高，耐磨性好。铜合金应控制化学成份，抗拉强度大于6 0 0 n 唧2 ，屈服强 度大于2 l o n 咖，硬度h b1 5 0 2 0 0 。广泛用于汽车、轿车变速器。材料为树脂时 要求同上，但需要求树脂的热塑性、硬度和抗冲击性。在德国，其同步环采用钢 带，精密冲压，钢带有约o 5 舳的粗糙镀铝涂层。 2 3 2 3 现代摩擦副主要摩擦材料 现代变速器要求增大摩擦功和摩擦功率，降低成本，传统材料不能完全满 足这两方面的要求，故需发展优质新型摩擦副。瞰卜1 主要为： ( 1 ) 烧结摩擦衬面：由特种黄铜粉末和摩擦系数稳定的非金属成分( 碳、硅 等) 组成，用烧结方法制造，焊于单锥体上或直接成型于单锥体和多锥体上。 ( 2 ) 纸摩擦衬面：加工过的树脂( 有机母体) 加石墨形成纤维混合材料，贴于 锥环上。 ( 3 ) 喷钼薄铝涂层：用火焰喷射方法把铝涂到预先成型的同步环上，然后打 1 2 光。 ( 2 ) 树脂同步环，热硬化性树脂同步环，它使采用注塑成形工艺在同步器钢 同步环或铸铁同步环的摩擦圆周面上注塑一层热硬化性酚醛树脂后进行螺纹加 工。脂同步环的摩擦效率要比铜基同步环高出1 5 3 0 ，树脂的成本比铜基同步 环高2 0 3 0 。 ( 5 ) 碳纤维摩擦材料，用特殊的粘结剂及严格的粘结工艺粘接在以粉末冶金 为基体的同步环锥面上，然后再在盖伦材料上加工出纵向和圆周方向上的排油 槽。碳纤维耐磨材料e f m i 或e f m _ i i ，这种材料摩擦系数高，磨损小，压缩性小， 它已经全部替代了盖伦材料 五种摩擦材料在摩擦性能上有明显不同，其中烧结摩擦衬面功能最突出。 纸摩擦衬面虽然摩擦系数很高，为常量，但因其它性能不好并未实际使用。表2 1 给出了与同步有关的综合性能评价。 表2 1 各种摩擦材料的比较 烧结摩擦 喷钼薄铝树脂同步 碳纤维摩 特性纸摩擦衬 衬面涂层 环 擦材料 摩擦片衬面 + + + 磨损 对相互作用 o0 + 零件磨损 负荷极限 + + + + + + ( j 咖2 ) 动摩擦系数 + + + 允许值 摩擦系数定 + + o + 常性 超载安全性 + + + + + 润滑油相容 + + + 相对评价基础有所改善 袈对评价基础有所恶 评价基础大为改善+ + +严重恶化一 鬟磊蒿爹掣 明显改善+ +稍有恶化一 稍有改善+无恶化0 1 3 ! ：型亟：丝位迨塞丝三童y 苎坯至i 型坐銎结控筮褪 2 4 同步器结构分析与设计 2 4 1 同步器的结构分析 2 4 1 1 单锥同步器的结构分析 常见的单锥同步器的结构，见图2 2 、图2 6 、图2 7 同步器结构简图 现以c v x 滑块式同步器为例，其本质上也就是锁环式同步器，结构见图2 一1 0 图2 1 0c v x 厣】步器结构 其结构，接合套与齿毂通过花键齿连接，可在齿毂上轴向移动，接合套中部 有一道环形槽，其周向均匀布置t 个滑块，同步环的二个凸块两端伸入齿毂相应 三个凹槽内，其凸块宽度小一j i 门槽宽，相差约半个齿厚：空档时，三个螺旋弹簧 穿过滑块内的孔将钢球紧j f i 在接合套的环彤槽内，起窄档定位；同步环在钢球带 动滑块作用f ，与接合套起运动，m 时在接合套的内花键齿两端制有倒斜面， 待啮合齿轮花键齿靠近接合套一端也制有倒斜面，而摩擦锥面则位于同步环内锥 而及空转齿轮外锥面之间。 对于c v x 同步器按照其功能元件进行同步器分类来说，( 1 ) 按摩擦元件分类： 按摩擦面形状，属于锥形；按摩擦锥面数量，属j ：单锥；按摩擦剐位置，属于内 锥( 按摩擦锥径向布置) ，锁止副和摩擦副并行( 按轴向位置布置) ；( 2 ) 按锁i j ： 元件分类：按锁止副形状，属于锁止齿；按锁止元件形状，属于滑块式同步器( 锁 环式同步器) ；按锁止元件布置位置，锁_ l l ：元件位于同步环和接合套问；( 3 ) 按 弹性元件分类：按弹性元件形状，属于螺旋弹簧式同步器；按弹性元件布置位置， 属于弹性元件位丁与接合套相啮合的齿毂内部。 其换档过程由四个阶段组成。 第一阶段：拨叉使接合套离丌中间的窄档位置做轴向运动，由j ：螺旋弹簧将 钢球紧j 1 i 在接合套上，故钢球随接合套运动时， f 钢球对滑块的作用，滑块推动 1 4 同步环作轴向移动，逐步消除零件间的轴向间隙，直到同步环的摩擦锥面被推压 到待接合齿轮的锥面。 第二阶段：接合套在拨叉带动下继续移动，滑块压住同步环，同步环与齿轮 锥面接触。由于同步环与被接合的齿轮之间存在有转速差，因惯性力矩作用，同 步环在被接合的齿轮带动下在齿毂凹槽与同步环凸块之间的间隙内相对转过一 个角度，完成其换位。此时，同步环凸块侧面与齿毂槽的侧面接触，接合套的倒 角与同步环的锁止面倒角处于相对位置。 接合套在拨叉的作用下继续移动，其倒角平面与同步环的锁止面相接触而进 入受阻状态，阻止接合套的轴向移动。此时，接合套上的力大得足以克服弹簧力， 将钢球压下去，滑块内的钢球与接合套上的内花键上的环形槽相脱开，但由于接 合套无法继续轴向移动，接合套上的推力通过锁止面传给同步环，这样挤压齿轮 锥面而产生摩擦力矩，进入同步过程。 第三阶段：当被啮合齿轮与接合套转速相等时，同步环与齿轮摩擦锥面上的 惯性同步力矩消失，接合套轴向作用力产生的拨正力矩使同步环连同与其相连的 输入轴至同步器主动部分的所有零件转过一定角度，解除锁止，此时同步过程结 束。 第四阶段：接合套在拨叉继续作用下继续移动，跨过其同步环的后备行程后， 若接合套花键齿和被啮合齿轮花键齿发生抵触，作用在被啮合齿轮花键齿端面倒 斜面上的切向分力将使被啮合齿轮及其相连零件转过一个角度，使接合套和被啮 合齿轮花键齿啮合，从而完成最后的换档过程。 滑块式同步器工作可靠，零件耐用，但因结构布置上的限制同步力矩容量不 大，而且由于锁止面在同步环的接合齿上，会因齿端磨损而失效，因而主要用于 轿车和轻型货车上。 2 4 1 2 双锥及多锥同步器的结构分析 2 4 1 2 1 双锥同步器的两种结构 双锥及多锥同步器的工作原理与滑块同步器相同，只是由于多锥同步器的摩 擦锥面增加，锥面间的有效摩擦面积成倍增加，在给定的换档力下，双锥同步器 所产生的同步力矩大致是普通锁环同步器的同步力矩的近两倍( 约1 7 1 8 倍) ，三锥同步器所产生的同步力矩大致是普通锁环同步器的同步力矩的三倍， 因而具有较大的转矩容量和较低的热负荷，可使换档力大为减少，同步时间大为 缩短嘲，提高了同步器的工作性能，增加了可靠性。 其结构，接合套与齿毂通过花键齿连接，可轴向移动，接合套中部有道环 形槽，其周向均匀布置三个滑块。同步环的三个凸块两端伸入齿毂相应三个凹槽 内，其凸块宽度小于凹槽宽，相差约半个齿厚。外环内螺纹与钢环外表面作用可 产生摩擦力，钢环通过三个凸脚与被啮合齿轮相应槽相连；钢环内表面作用与同 步内环外螺纹也产生摩擦力，同时内环三个凸脚与齿毂相应三个缺口存在配合关 系。该两部分之间产生的摩擦力矩之和即为同步力矩。空档时，三个螺旋弹簧把 钢球紧压在接合套的环形槽内，起空档定位。同步环在钢球带动滑块作用下，与 接合套一起运动，同时在接合套的内花键齿两端制有倒斜面，同步外环靠近接合 套一端也制有倒斜面，而摩擦锥面则位于同步环内锥面及空转齿轮外锥面之间。 现就双锥同步器的同步换档过程进行阐述，其内容对多锥同步器也适用。其 换档过程由四个阶段组成： 第一阶段：拨叉使接合套离开中间空档位置做轴向运动，由于螺旋弹簧将钢 球紧压接合套上，故钢球随接合套运动时，由钢球对滑块作用，滑块推动同步环 作轴向移动，逐步消除滑块与同步内、外环及钢环之间间的轴向间隙，直到同步 外环推压到钢环以及钢环推压到内环，而内环端面紧贴到接合齿轮的端面。 第二阶段：接合套在拨叉带动下继续移动，滑块压住同步外环，同步外环与 钢环以及钢环与内环的两个锥面分别接触。由于同步外环与接合的齿轮之间存在 转速差，因惯性力矩作用，同步外环在被接合的齿轮带动下在齿毂凹槽与同步环 凸块之间的间隙内相对转过一个角度，完成其换位。此时，同步环凸块侧面与齿 毂槽的侧面接触，接合套的倒角与同步外环的锁止面倒角处于相对位置。 接合套在拨叉的作用下继续移动，其倒角平面与同步外环的锁止面接触而进 入受阻状态，阻止接合套的轴向移动。此时，接合套上的力大得足以克服弹簧力， 将钢球压下去，滑块内的钢球与接合套上的内花键上的环形槽相脱开，但由于接 合套无法继续轴向移动，接合套上的推力通过锁止状态传给同步外环、钢环及内 环，这样挤压其锥面而产生摩擦力矩，进入同步过程。 第三阶段：当被啮合齿轮与接合套转速相等时，同步外环、钢环及内环与齿 轮摩擦锥面上的惯性同步力矩消失，接合套轴向作用力产生