电动车 - 汽车同步器设计手册

汽车变速器是汽车传动系中的一个重要部件，它的使用条件下，改变由发动机传到驱动轮上的转经济性指标；②较高的传动效率；③应有空器是改善换档性能的主要零部件。汽车变速器中采用同提高汽车在换档和加速起步时的动力性和经济性，改行业标准QC/T29063中明确规定轻型汽车变速器前进步器结构，中型汽车除一档、倒档外，其余各档结构。随着同步器技术不断发展，对于提高变速本手册是在综合同步器理论和实践研究的基础上构新颖，文字简洁，图文并茂，通俗易懂。内容包括：形式，工作原理，设计参数，结构参数，以及影响同对减轻驾驶员的劳动强度，使操纵轻便，提高齿经过第一轴上的齿轮A和中间轴常啮合齿轮BVS2=VP2。当汽车在良好的路面行驶，的经济性，要从二档换到三档上行驶，这时驾驶员就要把齿轮P2分开，而把齿轮S3和P3接合上。此时中间轴上的齿轮P3的直径要经过相当长的时间tx，等后轮轴停止后，齿轮S2和S3的圆周线速轴以不同的速度降低的过程中，齿轮P3和S3圆周线速度相等，驾驶员就要巧妙地抓住这段时间，把齿轮P3和齿轮S3接合上。所以在低档换高档的过程中，全靠驾驶员的熟练操作和丰富经验，力也要特别集中。对于二档换一档的退档过程中，同理是齿轮P1和时趋于零，他们之间相距很大。根本不能相交，齿轮P1和S1圆周线速度永远没有相等的时间。所以，要想在瞬间内使相啮合是不可能的。必须采取一种辅助方法使齿轮P1和S1圆周线速度接近。这就是通常的做法“两脚离合器”：第一步踩下离板；第二步将排档杆移至空档位置；第三步再松开离合器踏板，稍步再踩下离合器踏板b→C，使齿轮p1速度迅速档。这样就找到了时间t2点，使齿轮P1和S1圆周线速相等。在这个过程中，驾驶员不但要有高超的实践经验“两脚离合器”的操作。减轻了驾驶员的劳动从此之后使用范围不断扩大，到目前为止凡是手动机器都使用了同步器。同步器自问世以来，结构在不断变能也在日趋完善。近些年来国外在同步器研究、设计、展很快。我们在自主研发、制造与国外相比还存在很大器的性能和可靠性还不能满足使用要求。因此我们要第一章同步器的结构型式及其特点汽车变速器中使用同步器，可以保证换档时齿轮不换档时加在齿套上的轴向力经柱销（或滑块）推档，不能从根本上解决换档时啮合冲击问题，所以这种同已被淘汰。目前汽车上广泛使用的惯性式同步器，主要有同步器；锁环式同步器；锁环式多锥面同步器。除此以外第一节锁销式同步器的结构特点器。同步器内锥盘2与二档齿1焊接成一整体，锁销4与二档以及同步器保持环6（一档不带同步器，所以一档这一侧用了同步器保持环铆接成一整体，齿套5穿过三个锁销4和三个同在齿套的导向柱孔内，安装了三只与导向柱相垂换档时，拨叉拨动齿套5带动有弹簧卡住的同步环3压齿轮连接成一起的同步器内锥盘2的内锥面。由于力F的在摩擦力矩刚产生的同时，齿套5开始转动（齿套上的柱销孔与同），续移动。由于同步器柱销相对于齿套转过了一在力F的作用下，锁销斜面上受到的正压力W分在力S的作用下，锥面上产生摩擦力矩，在力Ft的作用下形成拨环力矩。这个拨环力矩力图使锁销连同同步环反转而脱同步环锥面上的摩擦力矩却阻止同步环反转，只要这时力F仍在起作用，由于拨环力矩存在，使同步器柱销转动一个锁销式同步器最大的特点是摩擦半径较大，与相同摩擦半径大30%左右，同时在同步环锥面上粘接摩料，使同步器有较大的容量，多用于低速档上。缺杂。随着同步器技术的不断发展，特别是多锥面同锁环式同步器是目前应用最广泛的一种同步器，无齿毂6与第二轴用花键连接，三只滑块3分槽内，靠两只环形弹簧5支撑，滑块中部凸台与齿套4结合,接合齿环1与齿轮通过电子束焊成一整体，同步环齿的锥面上。这种同步器结构紧凑，尺寸较小，艺性好。但是，这种同步器锥面平均摩擦半径由齿套是一个环状体，外面有一个槽与拨叉配合，内部是内花键与齿毂配合，花键的两端倒角。倒角有两个作用，一是在没有同在花键的两端侧面有倒锥角，起防止跳档作用。花键有的齿套在均分三处各有一个齿槽不加工，两端分别向里铣深一定的尺寸，齿毂的对应处去除一齿，这样起到挂档限位作用，防止挂齿侧定位，也有一部分采用大径定位。配合在外花键的圆周上分三等份分别铣出三个槽，是是被安装在齿毂的滑块槽内，靠弹簧支撑，中间凸起的中部的凹槽处紧紧地贴在一起。换档时齿套带外锥面配合。整个内锥面上是螺距等于0.6左右的螺纹，用来轮齿靠近齿套端有倒角。倒角有两个作用，一是在没有同步前起锁齿环的外圆处，有三个均布的方槽（或三个凸台），是滑块推动同步环的位置，方槽（或凸台）中心应与所在齿槽中心重距。同步器齿环目前一般用铜合金精锻而成，内锥面及螺纹精车而成。有的为了增加锥面间的摩擦系数，在内锥面上喷钼，或粘接碳接合齿环一般是与齿轮做成一个整体，或与轮用花键连接，经热处理淬火后有较高的硬度有的接合齿只留几个完整齿厚，其余在非工作齿侧保留几组齿数相同的完整齿厚，把各相邻完整齿组工作齿侧削薄0.55~0.65；二轴三档接合换档时在力F的作用下，齿套滑动。滑块由于弹簧力的使同步环相对于齿套旋转一个角度，旋转的方向取决向。同步环内锥面上的螺纹像刀口一样迅速将锥面上这时，加在换档手柄上的力仍在增加，齿套克服力S使同步锥面上形成正压力而产生摩擦力矩，环力矩，力图使同步环反转而脱离齿套齿端只要设计上保证摩擦力矩大于拨环力矩，则两达到输入端的惯性力矩时，被连接两端的角速一般滑块长度是20mm左右，而短程同步器的滚子直径短程同步器能够有效地缩短变速器的轴向尺寸，使锁环式多锥同步器是指两个或两个以上的摩擦副所么变化，同步环变成了三个环组成。外环。外环与结合，内锥面与内环的外锥面结合，大端面有4~6个在小端面有几个分布均匀的凸台，与外环的槽配换档时，滑块推动外环移动，使外环的内锥面与而成。为增加摩擦系数，同步环必须也只能在摩可喷钼、烧结铜、粘接碳纤维、喷碳颗粒等耐磨料。在乘用车上内外环使用铜合金较多，也有的在相同的空间下，多锥同步器有较大的容量，不用车，都得到了广泛的应用。特别是在低速档使用多锥面同步器，使得换档力变小，换档轻第二章同步器工作原理惯性同步器工作原理：换档时，使接合锥面上产生置于空档位置。这时的变速器输入端和输出但考虑到变速器的输出端连接的是整车，因而量。故在一般情况下，假设输出端的转速在输入端则靠同步器摩擦副作用来达到与输出端同Jdw1,Jdw1,从而改变ω1直到同步。据此，可以根据动量矩定理列出下列方..........（1）式中：J1——同步器输入端零件的转动惯量（g.cms2）；ω1——同）；）；步器工作面上的摩擦力矩，又名同步力矩。此动力学方程式不包括输入端零件上的轴承摩擦力矩及齿轮油的阻力矩。把（1）式改写成TC=J，设输入端和输出端的角速度差为Δw，在时间t内同步，则这时的平均角减（加）速度为，则TC=J1.........（2）另一方面，在换档过程中，当变速操纵杆上的力一定时，在同步'器工作锥面上产生的摩擦力矩TC为：T..........（3））；）；假定同步时间t后，即所需的摩擦力矩TC在一定条件下，TC=TC才能达到同步，同步时的摩擦力矩方程是：公式（4）是同步器计算的基本方程，也是同步器工作机理的依据。对于多锥同步器，如三锥同步器，其锥面上产生的摩擦力矩.......假如三锥同步器的所有锥角都等于单锥同步器的锥角，那么三锥同步器的摩擦力矩就是单锥同步器的3倍左右。第三章同步器设计参数及其计算根据惯性摩擦式同步器的工作原理，其结构参数有：锥面宽度b、性能参数有锥面摩擦系数μc、换档力F和同步时间t。假如同步器的结构参数一定时，又假定μc值在工作时不变，那么同步器性能的好坏完全取决于F和t这两个参数。设计要求换档轻便，同步时间在0.5秒以内，而换档力又不宜过大，从同步器基本方程不难看出，在其他参数一定时F和t成反比。要解决个问题，我们就要从惯量、速度变化、摩擦系数和同步时间这些方面来系统讨论。J式中：t——摆动周期（s）假如零件还未制成，通常是把零件分解成标准的几何体，并用数对于圆柱体盘式零件的转动惯量公式为：4222式中：Q——零件重量（kg）L——零件厚度（m）d——零件内径（m）g——重力加速度（9.8m/s2）输入端零件，在定轴式变速器结构中，它包括转换公式为：JR=Jj.i2式中：JR——转换转动惯量（kgf.m.s2）Jj——各零件的转动惯量（kgf.m.s2）被动齿轮齿数主动齿轮齿数被动齿轮齿数总转动惯量：ΣJ=ΣJj+JR现以一个四档变速器为例来进行计算，如图2所示。换直接档：需要将相应零件的转动惯量转换到一轴上。①二轴上三档和二档齿轮转换到中间轴上：②中间轴上的转动惯量和为：ΣJm=Jm+J3R+J2R③将ΣJm转换到一轴上的转动惯量为：ΣJmR=ΣJm第二节同步力矩Tc及同步时间一.同步力矩Tc：对于惯性摩擦式同步器的同步力矩（摩擦力矩）.值，是锥面上的摩擦力在平均半径处的扭矩值。TC假如同步器是单锥的，则产生的扭矩为：T.RC/Sinφ式中：Tc——同步力矩；Rc——锥面平均半径；θ——锥面半角；F——齿套上受到的水平推力；μc——工作锥面上的动摩擦系数。这个力矩形成齿轮系和离合器从动片的加速（或减速式中：ξa——被同步齿轮的角加速度；TD——阻力矩，包括润滑油的阻力矩、轴承阻力矩和离合器阻力矩。二.同步时间：当同步器的基本功能关系得到满足后，关键是在同步时间内能否使同步力矩有效的产生，以及与零件最大速度的变化和阻力矩的函数关系V=f（TD）。也就是说，同步时间是同步力矩、换档转动惯量、齿轮及同步环的相对速度和阻力的函数。同步时间和换档力是司机十分关注的两个量值。在结构参数和使用条件一定的情况下，换档冲量和摩擦系数成反比。其值可用“力和时间”曲线下的面积求得，即SFdt。式中：ts为同步时间。也就是说，可以用面积S的大小来估计平均摩擦系数值，剩下εGtS式中：tS——同步时间；JR——同步轮系的转换转动惯量；εG——被同步齿轮的加速度；ω1——换档前被同步齿轮的角速度；ω2——换档后被同步齿轮的角速度。拨环力矩又被称为分度力矩或闭塞力矩。是如图3所示齿套在轴向力F的作用下，同步环和齿套的从而产生法向分力W.和轴向分力W.。同时在倒角面上产生摩擦力力μ.W.和法向分力切向分力…………（2）将（1）代入（2）得到…………（3）拨环力矩TBRB=F.RB式中：TB—拨环力矩（Nm）；RB—锁止倒角面上的节圆半径（mm）；θ—节圆半径上同步环倒角面与齿套倒角面之间的夹二．锁销式同步器的拨环力矩如图4所示，在锁销斜面上受到一个法向力W和摩擦力这两个力形成了一个切向分力F，从而对同步环的轴心线产生了拨环力矩TB，力图使同步环反转而使齿套通过。下面对图5中的同步器进行受力分析：从而：W三.多锥同步器的拨环力矩多锥同步器的同步力矩与倒角面上的拨环力矩之比必须保持在适度的范围内，否则同样产生齿轮碰撞声和上重冲击现象。如图6所示：同样可得出拨环力矩TBF——齿套上的轴向力；θ——节圆半径上同步环倒角面与齿套倒角面之间的夹角倒角面之间的夹角。但是如果倒棱角太小，则会引起齿轮接合齿在啮合中断裂或因接触容量过小而跳动。所以拨环力矩应在极限值以内，同时同步力矩也第四节计算实例现以LC6T160三档换二档为例计算转动惯量、转动惯量转换、同步力矩和同步时间以及拨环力矩。1、转动惯量：由于齿轮等零件是非圆柱形状的零件，计算转动惯量很困难，现借助三维制图软件得到各个齿轮的转动惯量，单2、转动惯量转换现利用公式JR=Jj.i2将2档以外的各个齿轮的转动惯量转换到一轴转换式中J倒经过2次换算，即先将倒档齿转换到倒档双联齿，然后再由倒档双联齿转换到中间轴。所有齿轮的转动惯量转换到中间轴的转动惯量则为上述值的和ΣJR=687513.6kg.mm2再将转换到中间轴的转动惯量JR与中间轴的转动惯量转换到主主二齿上所有要被同步的转动惯量则为ΣJ=J23、同步力矩和同步时间得出：F.μC.RC/Sinφ=JR.εG一般以最大承受能力来计算，所以此处取发动机最高转速2200rpm则按卡车同步换档的参考时间设ts=0.5秒；2/3档同步环为双锥环，取平均半径R=75mm；得出：F=2295N，此处为拨叉处的受力，将其转换到换档臂上：其中F换=F×l1/l2=1989N为换档头长度为65mm；l2为换档摇臂长度75mm由于6T160是气缸助力换档，所以手柄上的力是：F手−F助/x=126N(=126N可以被驾驶员所接受)式中：x-----汽车驾驶操纵的杠杆比，x=6综合上面的计算结果可得同步力矩4、拨环力矩将上面的结果代入下列公式有则拨环力矩为TB=Ft.RB=1478×0.09=133N.m式中：RB为同步器齿套分度圆半径RB=0.09m；为锁止角=38.5°第四章结构参数设计第一节结构参数一、锥面的平均摩擦半径R锥、同步环的径向厚度W和工作面宽度B，R锥和W的大小，都受到变速器齿轮中心矩和相关零件结构设计时应在许可范围内，R锥和W都应越大越好。R锥越大则同步摩擦力矩Mf也就越大。而W大小则与同步锥环的强度和刚度有关。W越大则锥环的强度就越大，不容易变形，保证锥环在长期工作中不易损坏。在设计工作面宽度B时，应考虑B大会影响同步器轴向尺寸加大，B的大小还直接影响到锥环为散热和耐磨损能否提供足够大的面积。一般在设计时，R锥越大则B也要相应大一些。与同步环配合的锥面宽度应比同步环的工作宽度略宽一些，从而可以避免在使用中同步环的锥面会磨出台阶，使锥面接触不良，导致不同步啮合。如图1油膜破坏得越快，摩擦力提高的也就越快。螺纹切割刮走油膜的速度越快。但螺纹顶宽过尖，出来的油量。但螺距也不能过大，否则锥面的损快。一般螺距推荐取0.6左右。螺纹角一般取40°~60°,螺纹深可145°240°340°456740°845°三、锥面角和锁止角1.锥面角α：在计算摩擦力矩的公式里可知，α越小则摩擦力矩Mf越大。但α小到一定程度时，将发生两个摩擦锥面抱死分不开在两个锥面达到同步以后，这时换档力P还在作用着，则：式中：μs-------两锥面间的静摩擦系数当完成同步换档且换档力P=0时，同步环锥面应脱离，此时摩擦力μs×N的方向就反过来了。它有阻止同步环脱开，或者是说有使两锥面之间互相抱死的趋势。只有在保证下列条件时，才能避免两锥面间发生抱死分不开现象。试验表明，钢与铜之间的摩擦系数μs在0.08~0.1之间，其他材料之间的的摩擦系数μs也不会超过0.11，故锥面角α一般可取6°30,或7°,对于双锥面同步器锥面角α可取7°30,，对于三锥面同步器由于锥面间的润滑条件差，锥面角α可取8°或8°30,。有的采取不同的角度：内环的内外锥面和中环的内锥面由于润滑条件差，可取10°,中环的外锥面由于润滑条件较好，可取6°30,。2.锁止角β锁：在锁环式同步器中设置锁止角的目的有：一是通过锁止角斜面将换档力传到锥面上。二是阻止在没有同步前齿套越过同步环进行挂档。三是通过锁止角斜面将换档力分解一切向分力，从而产生一拨环力矩。此力矩将会使同步环转动一角度而脱离齿套的锁止面，齿套可以继续前移与接合齿接合完成挂档。设计上一定要保证，同步摩擦力矩Mf始终应大于此拨环力矩。只有当两啮合件达到同步，Mf等于0时，拨环力矩才可将同步环转动一角度，使齿套前移完成挂档过程。锁止角应取大一些，可以避免发生“不同步啮合”的不正常现象。但锁止角也不能过大，过大拨环力矩将变小，影响顺利啮合。锁止角过小还会影响齿套和接合齿的有效啮合长度。推荐锁止角β锁取：45°~60°,一般情况下，齿套、同步器齿环取同一值，稍大些，接合齿可以取不同值，偏小一些。如图3所示。表2所列是同步器齿套、同步器齿环的锁止角、接合齿的倒角。为了避免角的棱边先接触锁止面而划伤锁止面，可以将齿套的锁现在还有一种做法，把齿套的锁止面做成圆弧形，圆弧的半径较大，这样就是锁止角度稍差些也能保证齿套的棱角不会划伤锁止面。如图5所示（到目前为止，作者没有见过实物）。123456789档影响很大。而同步环上的滑块槽（有的是凸台）宽度能该转角过大或过小都会使两锁止面接触位置不良（图6b、c)。在锁止位置时，两个锁止面彼此之间贴靠的位置对齐最a)。如果锁止面之间贴靠的位置不当，会导致同步环上的齿过早的损坏或换档困难。同步环产生转角的大小是和滑块的宽度h（如果是凸台则与齿毂上的滑块槽宽度B)有关。一般情况下，齿套的齿槽宽最大。如果以齿要小0.05左右，接合齿的齿厚要小0.1左右，同步环的齿有的轿车变速箱的同步器齿套与齿毂配合采用花键滑块、同步环、齿套、接合齿之间的轴向间隙隙应大于滑块与同步环之间的间隙，即δ2否则会出现摩擦锥面尚未接触，还没有产生转动一角度并形成锁止位置的摩擦力矩时，齿套考虑到同步器齿环的锥面磨损，同步器齿环的端面间应有一定的间隙δ3，使同步器齿环锥面的磨损在一定程度内不影对任何摩擦式同步器来说，均可用换档力F和同步时间ts换档冲量）来评价其性能的好坏。很明显，最理力又能快速实现同步换档的过程。也就是说，冲4.减小锥面角。锥角越小则同步力矩越大，但锥角过生粘附和楔死现象。要严格控制锥面的粗糙度和锥面之度严格控制制造公差。用量规检查时，接触面积应不小于80也就是说，可以用面积S的大小来评估平均摩擦系数若用二次函数F=Fmax近似地描述换档力的时间历程），式中ST表示Fmax和ts为边长的长方形面积图9~图11分别是三种车型的同步器换档力的时间历程曲线。2由图可见，以S≤ST作为评价同步器结构完善程度是可行的。由图可见，以S≤误差约在±10%的范围内。同步器锥面的粗糙重要因素。粗糙的锥面会得到较大的摩擦系铝青铜也能使用锻造工艺加工，锻造加工的铝这些材料一直沿用至今。由于这种材料制造工艺器，加上人们对换档手感的舒适性要求越来越高，使这种材料是在铸造铜合金的基础上，没有改变材料的化学成分，而挤压后的材料组织致密度高，同时材料在挤压过程中形成金属流，再经过精锻而成的同步器环，耐磨性能高，不会因使用时间长而使得摩擦系数下降，影响同步器性能。试验证明，挤制铜合金的耐磨左边的图表是同步器的磨耗性能试验，在相同的条件下，磨耗步器公司都在上挤制材料的设备，预计在几年内可赶通常螺纹的螺距与顶宽都要比铜环要大，螺距一般为0.维织成布，然后粘接在锥面上，有效地解决了喷期失效问题，它的容量大，耐磨性和抗冲击韧性这项技术来源于德国的HOERBIGER公司，它是将铜和其他化合物混合在一起喷撒在同步器的锥面上然后在高温下烧结第五章影响同步器性能的因素第一节润滑油对同步器性能的影响件。同时也起到缓和震动、减少冲击、防止锈蚀以及清洗摩优质的变速器齿轮油应具备以下特点：正确的动性；良好的化学稳定性；优异的抗乳化性和粘度过大时，同步环的螺纹不能及时破坏工能快速提供足够大的摩擦系数而导致没有同步前齿轮系转得慢些，因此在换高档时，搅油损同步。而换低档时，齿轮系速度须增加。它要），---不同的车辆，不同的地域要使用不同的齿轮油。我国地温差很大。同时冬夏季温差也很大，给齿轮箱用油带多级齿轮油较好的解决了这个问题。多级齿轮油是指方面达到低粘度齿轮油水平，又能在高温润滑方面达例如75W/9085W/140等。多级齿轮油具有良好的低温启良好的高温润滑性，目前大多数车辆都用这种齿轮），），选择齿轮油的原则主要是根据使用环境温度、工速等确定油品粘度和使用的质量等级。选用汽车齿轮主要根据使用环境的最低气温和最高气温，推荐参数车齿轮油的粘度应保证低温条件下的车辆起步，又能在严寒的冬天，虽然用的是多级齿轮油，但是因这时如果立即换档起步，同步器锥面上油不会很在空档位置让变速器运转2~3分钟，使得齿轮油油粘度有所下降，同时也使得各运动部件得到4.同步环、接合齿的锥角误差较大，或锥面的圆度、大，锥面的接触面积少，使得同步力矩减少。期失效。解决问题的方法是通过试验，找出变形规律第六章同步器试验元件试验主要用于设计初期阶段，便于对同试验时，将转动件（通常是带锥面的齿轮，或使压紧面刚接触同步环端面；安装各传感器；加步环的挤压压力500±10N，挤压时间0.2S，如果只是试验摩擦系数，只要500~1000次就行了。及磨耗后的摩擦系数变化，有10000次或20000次也就够了。锥环锥度(锥环粗糙度(μm）试验前(试验前(120.60.50.40.30.20.10试验编号摩擦系数0试验次数(×1000）将发动机与汽车传动系分离，即变速器输入端和输出端靠1.输入驱动电机2.模拟转动惯量3.转速传感器4.变速器5.扭矩传感器6..转速