同步器设计论文.doc

湖北汽车工业学院毕业论文摘 要随着汽车工业的不断发展，舒适性日益成为人们选购汽车的重要标准，车辆运行时，为保证挂档平顺，操作简便，减轻驾驶员的劳动强度，一般均采用同步器进行工作。 本篇论文主要阐述了变速箱同步器的作用、工作原理，结构特点、主要参数及常见故障，并进行了DF5S470变速箱1/2档同步器的设计与校核。AbstractWith the continuous development of automobile industry, comfort is becoming an important criterion for people to buy vehicles, vehicle operation, in order to ensure the hanging file smooth, easy operation, reducing the drivers labor intensity, generally work with synchronizer. This thesis elaborates the gearbox synchronizer role, working principle, structural features, the main parameters and common faults, and had DF5S470 gearbox 1 / 2 File Synchronization Design and Verification. Online translation would not have made up the关键词： 同步器 参数设计 结构特点 性能的影响目 录摘要1Abstract1目录2前言.3一、同步器的作用.4二同步器的工作原理及换挡过程.6三 同步器的结构及其特点3.1滑块式同步器的结构特点83.2双锥同步器的结构特点11四 同步器的主要参数及对同步性能的影响4.1、同步器的主要参数： 124.2 结构参数对同步器性能的影响124.3 其他因素对同步器性能的影响 13五 同步器常见故障 14六 实例：DF5S470变速箱1/2档同步器的设计6.1整车参数的确定176.2同步器参数的确定186.3同步器的主要参数226.4同步惯量J的计算24总论28致谢29参考文献30附件 31前 言东风汽车变速箱有限公司（59厂）是东风汽车有限公司下属的零部件子公司，是中国最大的汽车变速箱生产企业之一。公司拥有各类工艺设备1300余台套，年综合生产能力达16.5万辆份。公司先后通过了TS16949质量体系认证和ISO14001环境体系认证。与东风汽车工程研究院联合成立了变速箱研发中心，不断开发适应性产品满足用户的需求。DF5S470系列变速箱，额定输入扭矩400500N.m。本篇论文主要阐述了变速箱同步器的作用、工作原理，结构特点、主要参数及常见故障，并进行了DF5S470变速箱1/2档同步器的设计。一、同步器的作用随着汽车工业的不断发展,舒适性日益成为人们选购汽车的重要标准车辆运行时，为保证挂档平顺，操作简便，减轻驾驶员的劳动强度，一般均采用同步器进行工作。同步器的作用是：使离合器与待啮合齿圈迅速同步，缩短换挡时间，同时防止啮合时齿间的冲击。过去的旧式变速器的换档要采用两脚离合的方式，升档在空档位置停留片刻，减档要在空档位置加油门，以减少齿轮的转速差。但这个操作比较复杂，难以掌握精确。1、无同步器时变速器的换档过程： 一般采用移动齿轮或接合套换档，为使换档平顺，应使待啮合的轮齿的圆周速度必须相等（同步）。下面以无同步器的五档变速器中四、五档的互换过程为例加以说明：图中：1第一轴 ；2第一轴常啮齿轮；3接合套 ；4第二轴五档齿轮5第二轴 ；6中间轴五档齿轮（1）从低速变高速四档变五档 1）四档时，V3= V2；欲挂五档，离合器分离接合套3右移，先进入空挡。2）3与2脱离瞬间， V3= V2而V4 V2， V4 V3，会产生冲击，应停留。3）因汽车传动系惯性质量大V3下降较慢，而V4下降较快，必有 V3= V2时，此时挂档应平顺 （2） 从高速变低速五档变四档 1）五档时，V3= V4；欲挂五档，离合器分离，接合套3左移，先进入空挡。2）3与2脱离瞬间， V3= V4而V4 V2， V3 V2，会产生冲击，应停留。3）因 V2 比V 3下降 快，必无 V3= V2时，此时应使离合器接合，并踩一下加速踏板使V2 V3，而后再分离离合器待V3= V2时平顺挂档因此设计师创造出同步器，通过同步器使将要啮合的齿轮达到一致的转速而顺利啮合。二同步器的工作原理及换挡过程图为惯性齿环式同步器的安装内部截面视图，其中主要零件如图中所示：1、同步器滑动齿套 2、同步环3、同步锥环 4、固定齿座5、同步器弹簧 6、同步器推块同步器推块穿过弹簧镶嵌在固定齿座中（每套同步器中有三组），同步器推块头部卡在滑动齿套的环形槽内，驾驶员换档时拨动滑动齿套轴向运动，首先要克服同步器推块和槽的阻力，然后克服在行进过程中同步器推块通过弹簧施以的顶力，带动同步环和同步锥环摩擦同步，以达到换档柔和、清晰的效果。避免了猛挂上档的齿面磕碰的噪音。下图为同步器的整个换档过程换档过程中开始换档，锁止位置换档终止该同步器利用制作在啮合齿端面上的倒角斜面，在没有达到同步以前，对啮合件施加惯性锁止作用，以防止不同步啮合。当滑动齿套环形槽脱离同步推块以后，加在滑动齿套上的推力，通过啮合齿套右端面和滚柱对顶着的状态传给同步环，加在拨叉上的力越大，则同步环内锥面和同步锥环之间的摩擦力就越大，同步过程就进行的越快。当两个摩擦锥面的转速达到同步时，则同步环和同步锥环及轴的摩擦力就降低到零，这时加在滑动齿套上的轴向推力Pa就能通过作用在同步环上的斜面齿和滑动齿套齿对顶着的锁止面上的切向分力Pc，把同步环略转一个角度，转到它的中央位置，如下图所示，从而使滑动齿套能继续推过去，使其与同步锥环啮合，进而带动齿轮转动，完成整个换档.三 同步器的结构及其特点通常同步器分为常压式和惯性式两类。常压式同步器有锥形和片式两种。由于它不能保证被连接零件完全同步后才能换挡，故不广泛使用。目前汽车上广泛采用的是惯性式同步器，它有：滑块式同步器（borgwaner）、锁销式同步器（pin型）、多锥式同步器（smith）以及短程式同步器和开尾销式同步器等。3.1滑块式同步器的结构特点滑块式同步器是目前在小客车和轻型汽车上用得极为广泛的一种同步器。在中型载货汽车上也采用。图4是一种典型的滑块式同步器。啮合座7与轴的花键连接，内装三根弹簧6和钢球5（擎），滑块3穿过钢球装在啮合座7上。被啮合的外锥齿轮1是浮套在第二轴上。同步环2安装在外锥齿圈1上。接合套4在滑块3上，通过钢球5定位在空挡位置。总共有七个零件组成。这种同步器结构紧凑、尺寸较小，弹簧的稳定性能好；使用可靠。制造工艺好。但是，锥面的平均摩擦半径受到其尺寸的限制不能太大，而齿轮尺寸大。故有较大的转动惯量，同步时间稍长。同时，由于滑块式同步器的滑转时间长，也增加了同步环锥面的磨损。当变速杆拨动接合套带动由弹簧定位的钢球和滑块一起推动同步环压倒被同步齿轮的锥面时（如图5）由于力F的作用和转速差的存在，两个锥面一经接触即产生摩擦力矩，使同步环相对于接合套转动一个角度。由于同步器锥面开有尖齿顶的螺旋槽，齿顶像刃口一样将锥面上的润滑油刮向螺旋槽内，并沿着垂直的沟槽流出去，摩擦面的摩擦系数很快提高。当两个同步锥面接触之后，加在换挡手柄上的力仍继续增加，接合套克服压紧钢球的弹簧力使滑块继续前移，因为同步环已经相对于接合套转动了一个角度，使接合套的齿端斜面压住同步环的齿端斜面（如图6）。随着力F的不断作用，工作锥面上的摩擦力矩不断增加，当摩擦力矩达到等于输入端的惯性矩时，被连接两端的角速度相同，惯性力矩消失，摩擦力矩即刻为零。但轴向力Fa仍起作用亦即在拨动力矩的作用下，将同步环连同输入端零件转动一角度，使锁止面脱开。接合套即可自由地通过同步环进入齿轮的接合套完成换挡。如图7。滑块式同步器的另一种型式是目前南京汽车厂生产的依维柯（IVECO）变速器采用的短程同步器，见图8所示。它与传统的滑块式同步器的区别：在于短程同步器相邻两档的同步环之间的距离，是滚子直径，滚子与两档同步环端隙和两同步环宽度之和。而滑块式同步器的相邻两档同步器之间的距离比较长，其值取决于滑块长度，滑块和两同步器之间端隙和两同步环之间端隙和两同步环剩余宽度之和。滑块式同步器长度需要20mm左右，而短程同步器的滚子直径只需8mm。因此与相同容量的同步器相比，短程同步器比滑块式同步器至少要短4mm。此外，短程同步器的同步环与接合套两接合齿之间的原始位置设计得比较紧凑。在未开始换挡时，接合套和同步环接合齿之间的间隙为B，而当移动接合套带动滚子压推同步环时，接合套与同步环接合齿尖部之间仍有aB的间隙（a为滚子和同步环之间的空当位时的单边间隙）。不致于造成在分度前与接合齿锁止面贴合。在短程同步器的同步环上，不但采用钢质喷钼材料，提高了摩擦系数。而且还合理地开有24条刮油槽，提高了同步环的使用性能。同时在齿轮接合齿圈锥面上，采用螺距大、齿顶宽、齿槽深的螺旋槽。使摩擦面积增加，不易过热。现将短程同步器与滑块式同步器螺旋槽参数比较尖表13.2双锥同步器的结构特点双锥同步器，解决了现有技术中单环同步器容量小、结构庞大、可靠性差的问题。双锥同步器从外到内由外环、中间环、内环构成，中间环与外环、内环的配合面皆为锥面，中间环上沿圆周方向均布有六个凸爪，安装在齿轮端面的六个凹槽中，本技术方案中同步环的摩擦介质材料可为树脂、钼及粉末冶金，适应不同的工况使用。双锥同步器与现有技术的单环同步器相比结构紧凑、容量大，使用可使变速箱整体结构变小、重量减轻、经济性提高。四 同步器的主要参数及对同步性能的影响4.1、同步器的主要参数： 主要参数一档二档三档四档传动比6.54786.54786.54786.5478摩擦锥面角7.57.57.57.5锥面摩擦半径67676767锥面同步力916.825916.825916.825916.825同步时间0.390.210.130.27换挡机构传动比6.548756.548756.548756.54875锥面摩擦系数0.080.080.080.08同步环宽度10101010锁止角606060604.2结构参数对同步器性能的影响， 对任何摩擦式同步器来说，均可用换档力F和同步时问t；的乘积(称换档冲量)来评价其性能的好坏。很明显，最理想的同步器是既省力又能快速实现同步。也就是说，冲量值越小，同步器的性能越好4.2.1减小锥面角 锥角越小则同步力矩Tc越大。但锥角过小时，容易产生粘附和楔死现象。通常取“一6度7.5度。可是6度锥角，若锥面粗糙度没有严格控制，则有粘着和楔死的危险。7度锥角在相同粗糙度产生相同摩擦系数情况下，很少产生楔死现象。所以同步环的内锥面应与锥毂的锥面精确配合，严格控制制造公差。用量规检查时，其接触面积应不少于总面积的80。42.2增加同步器平均摩擦半径R。通常，锁销式同步器的D/A(D一锥面平均摩擦直径；A一变速器孔中心距)约在1.01.2范围内；而滑块式同步器只有0.91.0，个别达到1.1。所以一般说来锁销式同步器具有较大的扭矩容量。4 .2.3增大摩擦系数。这是一个非常复杂的因素，而且是影响同步器性能的关键。平均摩擦系数的大小与率擦副的材料、润滑油的种类、同步器的结构以及加工质量等密切相关。前已提及，在结构参数和使用条件一定的情况下，换档冲骷与摩擦系数成反比。4.3 其他因素对同步器性能的影响润滑油对同步器性能影响极大。变速器的阻力矩和同步器的摩擦系数受润滑油的影响。润滑油常常由一种矿物油作基剂加上专用的添加剂组成。润滑油的粘度影响同步初期的刮油速度。粘度过大时，同步环的螺纹不能及时破坏工作表面上的油膜。因此，不能快速提供足够大的摩擦系数而导致撞击。冷变速器在向上换高档时，也常出现撞击现象就是这个原因。此外，粘度过大必然增加换挡阻力，为向下换低档带来困难。由于搅油产生的阻力矩是同步器必须消耗的功率。搅油消耗常常使齿轮系转得慢些。因此，再换高档时，搅油损耗扭矩常常有助于齿轮同步。而换低档时，齿轮系速度增加。在给定的油的粘度、数量（升）和温度时搅油损耗扭矩的增加与驱动小齿轮的转速成正比。搅油损耗也随着变速器内油量的增加而增大。大多数变速器加油到中间轴小齿轮半径的1/31/2处。考虑到齿轮噪音和边界润滑，油位在具体的变速器中是各不相同的。另外，变速器的加油量对温升也很敏感，高油面温升大。由于油过热后会变质，不能承受压力，同时添加剂也会分解，降低变速器使用寿命。五 同步器常见故障同步器的结构复杂，失效的形式很多，主要有：A）、同步环断裂（图1）B）、同步器散架图2 C）、琐销断裂图3 D） 锁环断裂图4 E）、同步器磨损图5 同步环断裂（图1）、同步器散架图2锁销断裂图3锁环断裂图4同步器磨损图5六 变速箱1/2档同步器的设计6.1整车参数的确定：（已知条件）1.发动机转速：2200rmin2.从动盘的转动惯量：49000Kgmm3.汽车的总质量：10t3整车操纵杠杆比、传动效率：6.54; 0.84、变速箱参数：速比，各档齿数超速档速比：主4I80.79主3I71.00主2I61.53主1I52.33副低档I43.24I34.10I26.28I19.56超速档各档齿数：直接档速比：主4I81.000主3I71.336主2I61.916主1I52.893副低档I43.776I35.045I27.233I110.924直接档齿数：6.2同步器参数的确定1.磨擦锥角（，约7-8度，应大于磨擦角，tg=）2磨擦材料及其磨擦系数同步器锥环材料为 铜环：0.060.10钢-铜 为0.080.123锥面半径R 如果R的数值较大，超出了变速器的允许可能，则需要改变同步器方式或采用双锥同步器。4同步环的宽度B根据磨擦体的许用压应力p来定：青铜：p=11.5MPa喷钼：p=1.22MPa也可以用经验公式：B=（0.250.4）R 锁环式 B=（0.140.2）R 锁销式5锁止角接合齿侧两端部倒角 同步器的锁止条件：MmMT 在同步过程中，要Mm始终大于拨环力矩MT ，防止齿套 过。图三所示为接合齿面接触时受力分析图换档力F，由接合齿面上的正向压力W和面角表示：即为：此时切向力Ft可以用下式表达：从（1）中可以得到将（3）代入（2）得：则有在FT 作用F产生的分力矩MT 设 B =0，图四为锁环式同步器的工作情况锁止角的作用，就是防止在没有同步时在MT的作用下，使锥环转动而失效。则应有MmMT ，同步力矩大于拨环力矩，使之不能转动。故设：故： 8的前角（图五）注意：1）、过小，产生冲击2）、过大，会造成锁式换档困难3）、锁环和齿套的倒角要一致。主要参数一档二档三档四档传动比6.54786.54786.54786.5478摩擦锥面角7.57.57.57.5锥面摩擦半径67676767锥面同步力916.825916.825916.825916.825同步时间0.390.210.130.27换挡机构传动比6.548756.548756.548756.54875锥面摩擦系数0.080.080.080.08同步环宽度10101010锁止角606060606.3同步器的主要参数：6.3.1同步器主要结构参数主要参数一档二档三档四档传动比6.54786.54786.54786.5478摩擦锥面角7.57.57.57.5锥面摩擦半径67676767锥面同步力916.825916.825916.825916.825同步时间0.390.210.130.27换挡机构传动比6.548756.548756.548756.54875锥面摩擦系数0.080.080.080.08同步环宽度10101010锁止角606060606.3.2同步器输入端各转动零件的转动惯量转换为第一轴的转动惯量转动惯量KgmmM(Kg)Z一轴Z123585.54922主二轴27247.88二轴三档齿Z4(131)34172.2626二轴二档齿Z6（166）52293.25628二轴一档齿Z8(122)100553.66630二轴倒档齿（182）72093.34529三四档齿座MJ-1213326.71.198三四档齿套MJ-1224165.80.961一二档齿座30962.54一二档齿套4165.81.06倒档齿座（181）00.629倒档齿套（113）12220.675三档轴承座圈90.80.26二档轴承座圈2490.31一档轴承座圈00.31倒档轴承座圈00.38倒档止推片140.60.18二轴后轴承内圈20740.45中间轴8200.810.425.17中轴常合齿8209.83.4735中轴三档齿5989.72.9131倒档惰轮3483.63.1318副箱直接档齿Z1141004.0721副箱直接同步环9772.87副箱直接档齿轮合件50976.94副箱双联齿1539611.98730.11副箱低档齿Z143616015.5633中轴总成及倒档合件27985副低档转换到副直接档1969副双联齿转换到副直接档7544二轴.齿套.齿座23720Z1转换到Z818586中间轴总成及倒档合件转换到Z887150Z4转换到Z816017Z6转换到Z811578二轴及齿座合件转换到Z14338116Z11转换到Z1493618副双联齿转换到Z14138564副箱高档是输入惯量38330副箱低档是输入惯量606459 6.4同步惯量J的计算变速器内每一个转动零件的物理特性是转动惯量，它通常是用扭摆法求得，如图27所示 J=t.4式中：t摆动周期（s） 金属丝常数（扭角按扭矩给定）倘若零件还未制成，通常是把零件分解为标准的几何体，并用数学法合成求出转动惯量值。对圆柱体盘式零件的转动惯量公式为：实心：J=QD8g=r.32g.D.L(g.cm.s)空心：J=Q8g（D-d）=r.32g(D+d)（D-d）；(gsms)式中：Q零件的质量（g）D零件的外径（cm）d零件的内径（cm）g重力度（980cms）t材料重度（对于钢件r=7.85gs）L零件的长度（cm）前已提及，换挡过程中依靠同步器改变转速的零件统称为输入端零件。通常在固定轴式变速的结构中，它包括第一轴，装在第一轴上的离合器从动片，中间轴以及与中间轴齿轮相啮合的第二轴上的常啮合齿轮。它们的转动惯量计算是首先求得有关零件的转动惯量，然后再按不同的档位转换到被同步的零件上。各档的总转动惯量需要将其相应的转动惯量转换到被同步零件，其转换公式为：JR=Jji式中：JR转换转动惯量（g.cm）Jj零件的转动惯量gcms总转动惯量：J=Jj+JR现以四档变速箱为例对其一档转动惯量进行计算：一档： J=QD8g=r.32g.D.L(g.cm.s) J=QD8g J=2540(267)8980 J=2966.07其他计算同理可得：(见表一) 表一一档二档三档四档转动惯量(Kgmm)2966.073206.23326.74165.8同步器输入端各转动零件的转动惯量转换为第一轴的转动惯量（见表二）：（注：公式JR=Jji） 表二副低档转换到副直接档1969副双联齿转换到副直接档7544二轴.齿套.齿座23720一轴转换到二轴一档齿18586中间轴总成及倒档合件转换到二轴一档齿87150二轴三档齿转换到二轴一档齿16017二轴二档齿转换到二轴一档齿11578二轴及齿座合件转换到副箱低档齿338116副箱直接档齿转换到副箱低档齿93618副双联齿转换到副箱低档齿138564 总 论 时间过的很快，不知不觉三个月的毕业设计就结束了。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了两个多月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，让我感慨万千，我的毕业课题有幸在东风变速器有限公司做，这次的毕业设计使我拥有了无数难忘的回忆和收获，在整个过程中，使我受益匪浅。在与朱老师的交流讨论中我的题目定了下来，是：DF5S470变速箱同步器的设计，当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了朱老师师，在朱老师细心的指导下，终于使我对自己现在的写作方向和方法有了掌握。在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成形。 脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力