汽车同步器设计

I汽车同步器设计摘要现代人对于汽车舒适性的追求，要求换挡平稳迅速，省力无冲击。而这反映到变速器上就是换挡时同步器冲击反馈到变速杆上。同步器是汽车变速器的重要部件，它使同步器输入、输出部分同步后再结合，从而减小了换挡时的冲击和噪声，减轻换挡力，使得换挡平顺，轻便，减轻驾驶员的疲劳。关键词：变速器；齿轮；同步器；设计IIAutomobilesynchronizerdesignedAbstractThepursuitofmodernpeopleforcarcomfort,requiresmoothshiftrapidly,noimpactontheeffort.Andthisisreflectedinthetransmissionwhenshiftingsynchronizerimpactfeedbackonthestickshift.Synchronizerisoneoftheimportantparts,autotransmissionitsynchronizethesynchronizerinputandoutputpartafterrecombination,thusreducedtheshiftofshockandnoise,reducetheshiftforce,makestheshiftingsmoothandlight,reducethedriversfatigue.Keywords:transmission;gear;synchrotron;designIII目录绪论.11.汽车同步器简介.11.1同步器的发展状况.11.2同步器的分类.11.3同步器的作用.42、同步器工作原理.62.1同步器换挡过程由三个阶段组成.62.2机械式变速器的特点.62.3同步器设计的基本要求.72.4换档结构型式.73.变速器主要参数的选择与主要零部件的设计.73.1变速器主要参数的选择.73.1.1档数和传动比.73.1.2中心距.93.1.3轴向尺寸.103.1.4齿轮参数.103.2各档传动比及其齿轮齿数的确定.113.2.1确定一档齿轮的齿数.123.2.2确定其他档位的齿数.124.变速器齿轮的强度计算.134.1变速器齿轮的几何尺寸计算.134.2齿轮的强度计算与校核.145.变速器的轴.165.1变速器轴的结构尺寸.165.2轴的校核.176.汽车同步器的设计.186.1同步器的结构类型.186.2锁环式同步器的工作原理.196.3惯性锁环式同步器的主要结构参数.206.4.结构参数对同步器性能的影响.27结论.29参考文献.30致谢.310绪论手动变速器的结构内部有一个非常重要的设备，那就是“同步器”。同步器的作用是很显而易见的，那就是换挡时候时候由于动力输出端齿轮转速要快于马上要换入这个挡位的齿轮，解决汽车在换挡操作中发动机转速与变速箱转速不一致的机械装置，他可以有效地避免挂不上档、消除换挡时的齿轮响声等如果没有同步器，把一个慢速旋转的齿轮强行塞入一个高速旋转的齿轮中，肯定会发生打齿的现象。同步器就是在结合套和齿轮组上布置的摩擦片，与一般摩擦片不同的是，它的摩擦面是锥形的。这组摩擦片的作用是在直齿和圆盘的立齿相接触以前，提前进行摩擦，来将转速较大的一方的能量传递给转速较小的一方，使得转速较小的一方提升转速，达到与转速较大的一方转速同步。这样不仅可以保证正常换挡，还能起到缓冲的作用，而锥面摩擦片组的数目与材质则直接影响到了同步器性能的优劣。1.汽车同步器简介1.1同步器的发展状况目前，同步器已广泛应用在机械式齿轮传动的汽车变速器中。由于它的使用，使得机械式手动变速器的性能大大改善，不但使换档轻便，避免冲击，同时使得变速器以及整个传动系的平均寿命也得到提高，也有利于提高汽车的动力性和燃料经济性。并且改变了用两脚离合器换档的操作方法，减少了驾驶员的疲劳，增加了驾驶员的安全感和舒适感。为此国内现生产的汽车变速器全部采用了同步器结构。1.2同步器的分类同步器有常压式、惯性式和惯性增力式三种。常压式同步器结构虽然简单，但有不能保证啮合件在同步状态下(即角速度相等)换挡的缺点，现已不用。得到广泛应用的是惯性式同步器。目前全部同步式变速器上采用的是惯性同步器，它主要由接合套、同步锁环等组成，它的特点是依靠摩擦作用实现同步。接合套、同步锁环和待接合齿轮的齿圈上均有倒角（锁止角），同步锁环的内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触产生摩擦。锁止角与锥面在设计时已作了适当选择，锥面摩擦使得待啮合的齿套与齿圈迅速同步，同时又会产生一种锁止作用，防止齿轮在同步前进行啮合。当同步锁环内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触后，在摩擦力矩的作用下齿轮1转速迅速降低（或升高）到与同步锁环转速相等，两者同步旋转，齿轮相对于同步锁环的转速为零，因而惯性力矩也同时消失，这时在作用力的推动下，接合套不受阻碍地与同步锁环齿圈接合，并进一步与待接合齿轮的齿圈接合而完成换档过程。惯性式同步器能做到换挡时两换挡元件之间的角速度达到完全相等之前，不允许换挡，因而能完善地完成同步器的功能和实现对同步器的基本要求。按结构分，惯性式同步器有锁销式、滑块式、锁环式、多片式和多锥式几种。虽然它们的结构不同，但都有摩擦元件、锁止元件和弹性元件。图1-1a所示锁销式同步器的摩擦件是同步环2和齿轮3上的凸肩部分，分别在它们的内圈和外圈设计有相互接触的锥形摩擦面。锁止元件位于滑动齿套1的圆盘部分孔中做出的锥形肩角和装在上述孔中、在中部位置处有相同角度的斜面锁销4。锁销与同步环2刚性连接。弹性元件是位于滑动齿套1圆盘部分径向孔中的弹簧7。在空挡位置，钢球5在弹簧压力作用下处在销6的凹槽中，使之保持滑动齿套与同步环之间没有相对移动。滑动齿套与同步环之间为弹性连接。图1-1b所示锁环式同步器摩擦元件，是通过滑动齿套8及锁环9上的锥面来实现的。作为锁止元件是锁环9的内齿和做在齿轮10上的接合齿端部。齿轮10和锁环9之间是弹性连接。2图1-1惯性式同步器结构方案a)锁销式b)锁环式1、8-滑动齿套2-同步环3、10-齿轮4-锁销5-钢球6-销7-弹簧9-锁环在惯性式同步器中，弹性元件的重要性仅次于摩擦元件和锁止元件，它用来使有关部分保持在中立位置的同时，又不妨碍锁止、解除锁止和完成换挡的进行。锁销式同步器的优点是零件数量少，摩擦锥面平均半径较大，使转矩容量增加。这种同步器轴向尺寸长是它的缺点。锁销式同步器多用于中、重型货车的变速器中。滑块式同步器本质上是锁环式同步器，它工作可靠、零件耐用；但因结构布置上的限制，转矩容量不大，而且由于锁止面在同步锥环的接合齿上，会因齿端磨损而失效，因而主要用于轿车和轻型货车变速器中。多锥式同步器的锁止面仍在同步环的接合齿上，只是在原有的两个锥面之间再插入两个辅助同步锥，如图1-2所示。由于锥表面的有效摩擦面积成倍地增加，同步转矩(在同步器摩擦锥面上产生的摩擦力矩)也相应增加，因而具有较大的转矩容量和低热负荷。这不但改善了同步效能，增加了可靠性，而且使换挡力大为减小。若保持换挡力不变，则可缩短同步时间。多锥式同步器多用于重型货车的主、副变速器以及分动器中。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3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。惯性增力式同步器又称为波舍(Porsehe)式同步器，见图1-3。它能可靠地保证只在同步状态下实现换挡。只要啮合套和换挡齿轮之间存在转速差，弹簧片的支承力就阻止同步环缩小，从而也就阻止了啮合套移动。只有在转速差为零时，弹簧片才卸除载荷，于是对同步环直径的缩小失去阻力，这样才可能实现换挡。波舍式同步器的摩擦力矩大、结构简单、工作可靠、轴向尺寸短，适用于货车变速器。图1-2多锥式同步器图1-3波舍式同步器1.3同步器的作用同步器的作用是：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。4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。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：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V4V2，V4V3，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V4V2，V3V2，会产生冲击，应停留。53）因V2比V3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V2V3，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。2、同步器工作原理惯性齿环式同步器主要零件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。2.1同步器换挡过程由三个阶段组成第一阶段：同步器离开中间位置，做轴向移动并靠在摩擦面上。摩擦面相互接触瞬间，如图1-1a所示，由于齿轮3的角速度和滑动齿套1的角速度不同，31在摩擦力矩作用下锁销4相对滑动齿套1转动一个不大的角度，并占据图上所示的锁止位置。此时锁止面接触，阻止了滑动齿套向换挡方向移动。第二阶段：来自手柄传至换挡拨叉并作用在滑动齿套上的力F，经过锁止元件又作用到摩擦面上。由于和不等，在上述表面产生摩擦力。滑动齿套1和齿轮331分别与整车和变速器输入轴转动零件相连接。于是，在摩擦力矩作用下，滑动齿套1和齿轮3的转速逐渐接近，其角速度差=|一|减小了。在=O瞬间同13步过程结束。第三阶段：=O，摩擦力矩消失，而轴向力F仍作用在锁止元件上，使之解除锁止状态，此时滑动齿套和锁销上的斜面相对移动，从而使滑动齿套占据了换挡位置。2.2机械式变速器的特点6机械式变速器结构简单，维修维护方便，造价低廉，传动效率较高，工作可靠性强。本设计中所采用的相关设计参数均来源于07款捷达春天CiF车型，根据其发动机前置前驱的特点，本设计采用两轴式结构形式，以使设计的变速器结构紧凑、优化、操作简便，并且性价比更高。设计中采用的具体参数如下表所示：07款捷达春天CiF车型变速器参数最高时速175km/h轮胎型号185/60R14发动机型号TRITEC1.595L最大扭矩140Nm最大功率68kw最高转速6000r/min主减速比4.5292.3同步器设计的基本要求同步器的设计应满足如下基本要求：（1）保证汽车有必要的的动力性和经济性；（2）设置不同挡位，满足用来调整与切断发动机动力向驱动轮的传输并使汽车能倒退行驶；（3）工作可靠，汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡、乱挡，以及换挡冲击等现象出现；（4）工作效率高，噪声小；结构简单、方案合理；（5）在满载及冲击载荷条件下，使用寿命长。2.4换档结构型式采用同步器换档可保证齿轮在换档时不受冲击，使齿轮强度得以充分发挥，同时操纵轻便，缩短了换档时间，从而提高了汽车的加速性、经济性和行驶安全性，此外，该种型式还有利于实现操纵自动化。其缺点是结构复杂，制造精度要求高，轴向尺寸有所增加，铜质同步环的使用寿命较短。目前，同步器广泛应用于各式变速器中。3.变速器主要参数的选择与主要零部件的设计73.1变速器主要参数的选择3.1.1档数和传动比近年来，为了降低油耗，变速器的档数有增加的趋势。目前，乘用车一般用45个档位的变速器。本设计采用5个档位。选择最低档传动比时，应根据汽车最大爬坡度、驱动轮与路面的附着力、汽车的最低稳定车速以及主减速比和驱动轮的滚动半径等来综合考虑、确定。汽车爬陡坡时车速不高，空气阻力可忽略，则最大驱动力用于克服轮胎与路面间的滚动阻力及爬坡阻力。故有maxmaxmax0emax)sincos(TgfgriTgI则由最大爬坡度要求的变速器档传动比为（3-1）0maxgiiTre式中m-汽车总质量（mm）；g-重力加速度（）；2s-道路最大阻力系数；ax-驱动轮的滚动半径（mm）；r-发动机最大转矩（Nm）emaxT-主减速比；0i-汽车传动系的传动效率。根据驱动车轮与路面的附着条件求得的变速器I档传动比为：2emaxGTrTgIi8（3-2）TergIiG0max2i式中G2-汽车满载静止于水平路面时驱动桥给路面的载荷；-路面的附着系数，计算时取=0.50.6。由已知条件：满载质量1545kg；=289mm；r=140Nm；emaxT=4.529；0i=0.9；=0.48;max根据公式（3-1）可得：67.39.052.41048895i0maxaiTgregI取五档传动比ig=1中间档的传动比理论上按公比为：（3-3）1minaxqng的等比数列，实际上与理论上略有出入，因齿数为整数且常用档位间的公比宜小些，另外还要考虑与发动机参数的合理匹配。根据（3-3）可得出：q=1.40故有：ig=2.62ig=1.87iIV=1.343.1.2中心距9中心距对变速器的尺寸及质量有直接影响，所选的中心距、应能保证齿轮的强度。三轴式变速器的中心距A（mm）可根据对已有变速器的统计而得出的经验公式初定：(3-4)3ImKAaxAT式中KA-中心距系数。对轿车，KA=8.99.3；对货车，KA=8.69.6；对多档主变速器，KA=9.511；-变速器处于一档时的输出扭矩：ImaxTmNigIe42.69.067.3140maxIaxmNT72.9KA33Iax故可得出初始中心距A=72mm3.1.3轴向尺寸变速器的横向外形尺寸，可根据齿轮直径以及倒档中间齿轮和换档机构的布置初步确定。轿车四档变速器壳体的轴向尺寸3.03.4A。货车变速器壳体的轴向尺寸与档数有关：四档(2.22.7)A五档(2.73.0)A六档(3.23.5)A当变速器选用常啮合齿轮对数和同步器多时，中心距系数KA应取给出系数的上限。3.1.4齿轮参数（1）齿轮模数第一轴常啮合斜齿轮的法向模数nm（3-5）Tmen3ax47.0其中，可得出。N1Teax4.2n10同步器和啮合套的接合大都采用渐开线齿形。由于制造工艺上的原因，同一变速器中的结合套模数都去相同，轿车和轻型货车取23.5mm。本设计取2.5mm。（2）齿形、压力角、螺旋角和齿宽b汽车变速器齿轮的齿形、压力角、及螺旋角按表2-1选取表2-1汽车变速器齿轮的齿形、压力角与螺旋角项目车型齿形压力角螺旋角轿车高齿并修形14.5，15，1616.52545一般货车GB1356-78规定的标准齿形202030重型车GB1356-78规定的标准齿形低档、倒档齿轮22.5，25小螺旋角压力角较小时，重合度大，传动平稳，噪声低；较大时可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对轿车，为加大重合度已降低噪声，取小些；对货车，为提高齿轮承载力，取大些。在本设计中变速器齿轮压力角取20,啮合套或同步器取30o；斜齿轮螺旋角取30。应该注意的是选择斜齿轮的螺旋角时应力求使中间轴上的轴向力相互抵消。为此，第二轴上的全部齿轮一律取右旋，而第一轴的斜齿轮左旋，其轴向力经轴承盖由壳体承受。齿轮宽度b的大小直接影响着齿轮的承载能力，b加大，齿的承载能力增高。但试验表明，在齿宽增大到一定数值后，由于载荷分配不均匀，反而使齿轮的承载能力降低。所以，在保证齿轮的强度条件下，尽量选取较小的齿宽，以有利于减轻变速器的重量和缩短其轴向尺寸。通常根据齿轮模数的大小来选定齿宽：斜齿为齿宽系数，取为6.08.5ncmkb185.27b为齿宽(mm)。采用接合套或同步器换档时，其接合套的工作宽度初选时可取为24mm。113.2各档传动比及其齿轮齿数的确定在初选了中心距、齿轮的模数和螺旋角后，可根据预先确定的变速器档数、传动比和结构方案来分配各档齿轮的齿数。下面结合本设计来说明分配各档齿数的方法。3.2.1确定一档齿轮的齿数一档传动比（3-6）10912gIiZ为了确定Z9和Z10的齿数，先求其齿数和:（3-7）mA2Z其中A=72mm、m=2.44；故则。60当轿车两轴式的变速器=3.53.9时，此处取，则可得出。gIi49Z13Z0上面根据初选的A及m计算出的可能不是整数，将其调整为整数后，从式（3-8）看出中心距有了变化，这时应从及齿轮变位系数反过来计算中心距A=75，再以这个修正后的中心距作为以后计算的依据。3.2.2确定其他档位的齿数二档传动比78910iZg则故而72.ig2.78对于斜齿轮nmAcosZ故有528712得出，15Z8387按同样的方法可分别计算出：三档齿轮，966Z5四档齿轮，2340五档齿轮，1一般情况下，倒档传动比与一档传动比较为接近，在本设计中倒档传动比倒档传动齿轮的齿数与一档主动齿轮I相当，67.3gri21Z倒档4.变速器齿轮的强度计算4.1变速器齿轮的几何尺寸计算表4-1渐开线圆柱齿轮的基准齿形基本要素名称代号标准齿短齿增大齿形角齿形角202025齿顶高系数0f1.00.81.0径向间隙系数c0.25（0.35*）mm0.30mm0.2mm齿根圆角半径r0.38（0.25*）mm0.46mm0.35mm（1）直齿圆柱齿轮计算（见表4-2）档直齿圆柱齿轮计算：m=2.5mm,13Z049表4-2直齿圆柱齿轮尺寸计算计算项目计算公式分度圆直径mm31d01mz56.19d9mz13齿顶圆直径mm5.36.2)1(*mhda01z5.124.)9(*mhdaz齿根圆直径mm2.5.).0(-Ca10zf.65.2).0(-Ca9zf基圆直径mm84.290cos31db035.120cos69db4.2齿轮的强度计算与校核1.齿轮弯曲应力计算w（1）档直齿圆柱齿轮：m=2.5mm，3Z1049MPa510.2E，mzdmz9d9，（4-1）axj5.Te7N.5j（4-2）d310jt10.4327F（4-3）mN30310910t10178.4cos5.cos（4-4）mNd39jt8.27TF（4-5）mN3039109t9126.cos.cos（4-6）btyKftFw-应力集中系数，可近似取1.65-摩檫力影响系数，主动轮取1.1,，从动齿轮取0.9f14b-齿宽（mm），取16t-端面齿距（mm），my-齿形系数，取0.21（4-7）Pa4.6512.0857169.4F310wMbtyKft（4-8）.3.2.39tft当计算载荷取到作用到变速器第一轴时的最大扭矩时，一挡直齿轮的弯曲maxeT应力在400850MPa2.轮齿接触应力j（4-9）)1(bFE418.0jbz（1）直齿圆柱齿轮：m=2.5mm,3Z049MPa510.2E,mz1d1mz9d,axj5.Te7N.5jd310jt10.4327FmN30310910t101789.4cos5.cos.2inir10d35s2sn0909MPa25.19763.20.511604.2789.41.0)(bFE.39j）（15mNd39jt108.270TFmN3039109t9126.cos.cosMPa6.235.01.164.2.418.0)(bFE.5390j9）（渗碳齿轮的许用应力在1900-2000或650-700之间，应力符合)(bFE.jbz同理得：MPa57.136j80j7.j6a132j5P48.j097j3Ma.1j254j渗碳齿轮的许用应力在13001400之间，强度符合要求5.变速器的轴5.1变速器轴的结构尺寸变速器轴在工作中承受着转矩及来自齿轮啮合的圆周力、径向力和斜齿轮的轴向力引起的弯矩。刚度不足会引起弯曲变形，破坏齿轮的正确啮合，产生过大的噪声，降低齿轮的强度、耐磨性及寿命。轴的径向及轴向尺寸对其刚度影响很大，且轴长与轴径应协调。变速器轴的最大直径d与支承间的距离可按下列关系式初选：对第一轴及中间轴;18.06dl16对第二轴：21.06dl三轴式变速器的第二轴与中间轴的最大直径d可根据中心距A（mm）按下式初选：mm75.3)60.45.()60.45.(dA5.2轴的校核在进行轴的刚度和强度验算时，欲求三轴式变速器第一轴的支承反力，必须先求出第二轴的支承反力如图。计算用的齿轮啮合的圆周力、径向力及轴向力可按下式求出：齿轮1、2tFraF7.3149i21ZNi87.0dTFemaxtine6.32cos190tan.34cost21axrNdiTe7.48t7.tF012maxa175.32401r1dmNc68.57.M3s10.8Tiegjmax122417MPadTMWjscw7.392240.51.37.683232,强度符合Pa40变速器轴的刚度用轴的挠度和转角来评价，轴的刚度比其强度更重要。对齿轮影响工作最大的是轴在垂直面内产生的挠度和轴在水平面内的转角，前者使齿轮中心距发生变化，并破坏了齿轮的正确啮合。轴的挠度和转角可按材料力学有关公式计算。分别计算出轴在水平面内和垂直面内的挠度后，用下列公式计算总挠度。22垂直水平总fff变速器轴的刚度最小。按发动机最大转矩计算时，第二轴齿轮处轴截面的总挠度不得大于0.13mm。对于低档齿轮处轴截面的总挠度，由于低档工作时间较短，总f又接近轴的支承点，因此允许不得大于0.15mm。齿轮所在的平面转角不应超过0.0012rad；两轴的分离不得超过0.2mm。斜齿轮对轴和支承的变形较直齿轮敏感。变速器刚度试验证明，中心距的变化及齿轮的倾斜，不仅取决于轴的变形，而且取决于支承和壳体的变形。计算中间轴时，通常只计算与第二轴上齿轮相啮合的齿轮处的轴截面的挠度。常啮合齿轮副处的挠度不必计算，因为距离支承点较近，负荷较小，挠度值不大6.汽车同步器的设计同步器使变速器换挡轻便、迅速，无冲击，无噪声，且可延长齿轮寿命，提高汽车的加速性能并节油，故轿车变速器除倒档、货车1档，倒档外，其它档位多装用。要求其转矩容量较大，性能稳定、耐用。6.1同步器的结构类型惯性同步器能确保同步啮合换挡，性能稳定、可靠，因此在现代汽车变速器中得到了最广泛的应用。它又分为惯性锁止器和惯性增力式。用得最广的是锁环式、锁销式等惯性锁止式同步器，它们虽结构有别，但工作原理无异，都有摩擦原件、锁止原件和弹性原件。挂挡时，在轴向力作用下摩擦原件相靠，在惯性转矩作用下产生摩擦力矩，使被结合的两部分逐渐同步；锁止原件用于阻止同步前强行挂挡；弹性原件使啮合套18等在空挡时保持中间位置，又不妨碍整个结合和分离过程。本设计采用锁环式同步器又称锁止式、齿环式或滑块式，其工作可靠、耐用，因摩擦半面受限，转矩容量不大，适于轻型以下汽车，广泛用于轿车及轻型客、货车。如图6.1所示，锁环式同步器的结构特点是同步器的摩擦元件位于锁环1或4和齿轮5或8凸肩部分的锥形斜面上。作为锁止元件是做在锁环1或4上的齿和做在啮合套7上的齿的端部，且端部均为斜面称为锁止面。弹性元件是位于啮合套座两侧的弹簧圈。弹簧圈将置于啮合套座花键上中部呈凸起壮的滑块压向啮合套。在不换档的中间位置，滑块凸起部分嵌入啮合套中部的内环槽中，使同步器用来换档的零件保持在中立位置上。滑块两端伸入锁环缺口内，而缺口的尺寸要比滑块宽一个接合齿。12348765图6.1锁环式同步器1.锁环2滑块3.弹簧4.锁环5.齿轮6.啮合套座7.啮合套8.齿轮6.2锁环式同步器的工作原理在分析与计算中考虑到常温条件下润滑油阻力对齿轮转速的影响可以忽略不计，并假设在同步过程中车速保持不变，这一假设在道路阻力系数0.l5同步器时间t1s时是符合实际的。由于变速器输出端的转速在换挡瞬时保持不变，而输入端靠摩擦作用达到与输出端同步。现建立输入端惯性质量的运动方程：（6-1）ftwrTdJ19将上式积分得Tfcrtw）（J由上式可得同步时间：（6-1）)1(JtgkefrfcriwJ）（将上式中的以摩擦面所受的轴向力代替，则有fTaF（6-3）)1(sin30tgkkareifRFJ同步器摩擦锥面的滑磨功为（6-4）ttcrffdwT0)(L将其代入上式，并将其中的值用式（6-4）代入，得t（6-5）21230L）（）（gkgkrefiiJn同步器的滑磨功与其摩擦面积之比；（6-6）fAfALq称为同步器的比滑磨功。对高档同步器q值应不大于;而对低档同步器2J.0m则应不大。为了阻止同步前挂挡，则要求摩擦力矩大于脱锁力矩2J5.03m）（fT若忽略锁止面的摩擦系数，以锁环式同步器为列，T，（6-7）sinFfRaftanTRFt根据，则可建立同步器的锁止条件：f（6-8）sintaR6.3惯性锁环式同步器的主要结构参数同步环锥面上的螺纹槽如果螺纹槽螺线的顶部设计得窄些，则刮去存在于摩擦锥面之间的油膜效果好。但顶部宽度过窄会影响接触面压强，使磨损加快。试验还证明：螺纹的齿顶宽对厂的影响很大，厂随齿顶的磨损而降低，换挡费力，故齿20顶宽不易过大。螺纹槽设计得大些，可使被刮下来的油存于螺纹之间的间隙中，但螺距增大又会使接触面减少，增加磨损速度。（1）摩擦锥面的半锥角和摩擦系数f锥面半锥角摩擦锥面半锥角口越小，摩擦力矩越大。但过小则摩擦锥面将产生自锁现象，避免自锁的条件是tanf。一般取=68。a=6时，摩擦力矩较大，但在锥面的表面粗糙度控制不严时，则有粘着和咬住的倾向；在a=7时就很少出现咬住现象。摩擦因数f汽车在行驶过程中换挡，特别是在高挡区换挡次数较多，意味着同步器工作频繁。同步器是在同步环与连接齿轮之间存在角速度差的条件下工作，要求同步环有足够的使用寿命，应当选用耐磨性能良好的材料。为了获得较大的摩擦力矩，又要求用摩擦因数大而且性能稳定的材料制作同步环。另一方面，同步器在油中工作，使摩擦因数减小，这就为设计工作带来困难。摩擦因数除与选用的材料有关外，还与工作面的表面粗糙度、润滑油种类和温度等因素有关。作为与同步环锥面接触的齿轮上的锥面部分与齿轮做成一体，用低碳合金钢制成。对锥面的表面粗糙度要求较高，用来保证在使用过程中摩擦因数变化小。若锥面的表面粗糙度差，在使用初期容易损害同步环锥面。同步环常选用能保证具有足够高的强度和硬度、耐磨性能良好的黄铜合金制造，如锰黄铜、铝黄铜和锡黄铜等。早期用青铜合金制造的同步环因使用寿命短，已遭淘汰。由黄铜合金与钢材构成的摩擦副，在油中工作的摩擦因数f取为O.1。摩擦因数厂对换挡齿轮和轴的角速度能迅速达到相同有重要作用。摩擦因数大，换挡省力或缩短同步时间；摩擦因数小则反之，甚至失去同步作用。为此，在同步环锥面处制有破坏油膜的细牙螺纹槽及与螺纹槽垂直的泄油槽，用来保证摩擦面之间有足够的摩擦因数。愈小则摩擦力矩愈大，故为增大同步器容量值应取小一些，但为了避fT免摩擦面的自锁应使大于摩擦角，后者与摩擦系数有关，即tan=f。推荐，的上限允许到12。当=6取时摩擦力矩较大，但当锥面粗糙度、润滑油种类及温度等因素的不同而异。一般，在油中工作的青铜-钢同步器摩擦副，可按f=0.1计算。通常，在内锥面上制有破坏油膜的细牙螺纹槽，以提高摩擦系数f的值。螺21纹槽的齿顶宽要窄一些以利刮油，可取0.1mm左右或更小些，齿顶越尖则接触面上的压强和磨损就越大。螺距可取0.60.75mm,螺纹角一般取5060。再者，齿顶所在的锥表面的加工精度及粗糙度要求高，不允许有切削刀痕，最后进行研磨。轴向泄油槽一般为6个，槽宽约3mm，槽深要刚好达到螺纹槽深。（2）摩擦锥面的平均半径R和同步锥环的径向厚度W摩擦锥面平均半径RR设计得越大，则摩擦力矩越大。R往往受结构限制，包括变速器中心距及相关零件的尺寸和布置的限制，以及R取大以后还会影响到同步环径向厚度尺寸要取小的约束，故不能取大。原则上是在可能的条件下，尽可能将R取大些R和W都受到变速器齿轮中心距及有关零部件的尺寸和布置上的限制。当结构布置允许时，R和W应尽量取大些。同步环径向厚度与摩擦锥面平均半径一样，同步环的径向厚度要受结构布置上的限制，包括变速器中心距及相关零件特别是锥面平均半径R和布置上的限制，不易取很厚，但是同步环的径向厚度必须保证同步环有足够的强度。轿车同步环厚度比货车小些，应选用锻件或精密锻造工艺加工制成，这能提高材料的屈服强度和疲劳寿命。货车同步环可用压铸加工。锻造时选用锰黄铜等材料，铸造时选用铝黄铜等材料。有的变速器用高强度、高耐磨性的钢与钼配合的摩擦副，即在钢质或球墨铸铁同步环的锥面上喷镀一层钼(厚约O3O5mm)，使其摩擦因数在钢与铜合金摩擦副范围内，而耐磨性和强度有显著提高。也有的同步环是在铜环基体的锥孔表面喷上厚O.07O.12mm的钼制成。喷钼环的寿命是铜环的23倍。以钢质为基体的同步环不仅可以节约铜，还可以提高同步环的强度。（3）摩擦锥面的工作面宽b同步锥环的工作面宽b，受到变速器总长的尺寸限制，也要为散热和耐磨损提供足够大的摩擦面积。可根据摩擦表面的许用压力P来确定：，P=11.5MPa（6-9）sinFTfRaf对于锁环式同步器Rb)4.025.(，Na10F1.f822（6-10）RRfFpbaf)4.025.(.12sinT得R=14mm,b=6mm（4）锁止角锁止角选取得正确，可以保证只有在换挡的两个部分之间角速度差达到零值才能进行换挡。影响锁止角选取的因素主要有摩擦因数f摩擦锥面平均半径R、锁止面平均半径和锥面半锥角。已有结构的锁止角在2640范围内变化。,得出sintaRf008sin14.26taRm21（5）同步时间与轴向推力ftaF和是一对相互影响的可变参数。应按以最短时间达到同步状态来考虑轴向ftaF力大小。而为使换挡轻便值又不能过大，一般在100350N范围内，轿车或轻型a客、货车取下限，重型车取上限。轿车传动比，67.3i12.i87.1i334.i67.i11i5，min60rne2gk23，s1tsifRFJgkareT1sin30t1得出5.Jr同步器工作时，要连接的两个部分达到同步的时间越短越好。除去同步器的结构尺寸、转动惯量对同步时间有影响以外，变速器输入轴、输出轴的角速度差及作用在同步器摩擦锥面上的轴向力，均对同步时间有影响。轴向力大，同步时间减少。而轴向力与作用在变速杆手柄上的力有关，不同车型要求作用到手柄上的力也不相同。为此，同步时间与车型有关，计算时可在下述范围选取：对轿车变速器高挡取0.15O.30s，低挡取O.50O.80s。（6）接近尺寸b同步器换档第一阶段中间，在滑块侧面压在锁环缺口侧边的同时，且啮合套相对滑块作轴向移动前，啮合套接合齿与锁环接合倒角之间的轴向距离，称为接近尺b寸。尺寸应大于零，取=0.20.3mm。取=0.3mm。bbb（7）分度尺寸a滑块侧面与锁环缺口侧边接触时，啮合套接合齿与锁环接合齿中心线间的距离，a称为分度尺寸。尺寸等于1/4接合齿齿距。尺寸和是保证同步器处于正确锁止ab位置的重要尺寸，应予以控制，知=1mm。a（8）滑块转动距离c滑块在锁环缺口内转动距离(图6.2)影响分度尺寸。滑块宽度、滑块转动ad距离与缺口宽度尺寸之间的关系如下：cEdE2滑块转动距离与接合齿齿距的关系如下：ct214Rtc式中，为滑块轴向移动后的半径；为接合齿分度圆半径。12R滑块移动距离：mm75.034.21Rtc缺口宽度：mm.6.5dE24423R1Ecd图6.2滑块移动距离1.啮合套2.锁环3.滑块4.锁环缺口（9）滑块端隙1滑块端隙系指滑块端面与锁环缺口端面之间的间隙，如图6.3所示，同时，啮合套端面与锁环端面的间隙为，要求。可知mm，mm。2215.015.02T2FnR1aFa1Rn1r2r1图6.3滑块端隙1锁环端面与齿轮接合端面应留有间隙，并可称之为后备行程，一般应取3=1.22.0mm，可知mm。30.23（10）.转动惯量的计算25换档过程中依靠同步器改变转速的零件统称为输入端零件，它包括第一轴及离合器的从动盘，中间轴及其上的齿轮，与中间轴上齿轮相啮合的第二轴上的常啮合齿轮。其转动惯量的计算：首先求得各零件的转动惯量，然后按不同档位转换到被同步的零件上。对已有的零件，其转动惯量值通常用扭摆法测出;若零件未制成,可将这些零件分解为标准的几何体,并按数学公式合成求出转动惯量。将a轴上的转动惯量转化为b轴上的转动惯量时，存在以下关系：aJbJ2JabbZ式中-a轴（即被转换轴）的齿轮齿数，az-b轴（即转换至其上的轴）的齿轮齿数，b换直接档时输入端的总转动惯量为：211)Z(JJnznr式中-第一轴及离合器从动盘的转动惯量；n1-第一轴常啮合传动齿轮的齿数；z-中间轴常啮合传动齿轮的齿数；2-中间轴上的转动惯量之总和；nzJ.)()Z()(278256234zJJcccn-中间轴及中间轴齿轮组件的转动惯量；zJ-与中间轴齿轮常啮合的第二轴各档齿轮的转动惯量；22,cc-中间轴各档齿轮的齿数；864Z-分别与相配的第二轴齿轮齿数；753,864,Z换其他档时输入端的总转动惯量为：2622r)(zezcZJJn式中-第二轴上被挂档齿轮的转动惯量；2c-被挂档齿轮副的中间轴齿轮齿数；zZ-被挂档齿轮副的第二轴齿轮齿数；e-中间轴上的转动惯量之总和；nzJ.)()Z()()()(278256234221zJJJZJJcccezcnn-中间轴及其齿轮的转动惯量；zJ（11）.同步器摩擦副的材料同步锥环多用铜基合金制造，轿车同步锥环较薄，亦用锻、精锻或冷挤压工艺加工；货车的同步锥环较厚，亦可采用压铸工艺。选用材料时既要考虑其摩擦系数又要考虑其耐磨性以及强度、加工性能等。铝青铜（含铝8.5%11.0%）多用于压铸的同步锥环，亦可铸造，其强度高、耐磨性好、摩擦系数较大而锥面自锁倾向较小。锰青铜（含锰3%）锻造的同步锥环较多，其强度高、加工性好。硅锰青铜（含硅0.6%1.5%，锰2%4%）的性能与锰青铜类似，这种合金结构中的硅化锰使之具有极好的耐磨性。锻造同步锥环也常采用铅黄铜、黄铜的耐磨性常常优于青铜。近年来出现了高强度、高耐磨性的钢-钼配合的摩擦副，即在钢或球墨铸铁同步锥环的锥面上喷镀厚约0.60.8mm的钼，其摩擦系数亦在钢-铜合金摩擦副的摩擦系数范围内，特别使用于大型汽车的同步器。与同步锥环组成摩擦副的锥表面多与被同步的传动齿轮及其结合齿做成一体，由低碳合金钢制造，渗碳淬火后表面硬度约为HRC60.其表面应光洁，粗糙度要求达到25um。6.4.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27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。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。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.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