雙錐面鎖環(huán)式同步器設計與應用

雙錐面鎖環(huán)式同步器設計與應用 薛桂鳳 張鴻源 孟昭俊 （天津市天海汽車同步器廠） 摘要 本文介紹了為提高同步力矩、縮短同步時間、提高同步器的工作性能，有利于換檔操作輕便的一種新型同步器結構 雙錐面鎖環(huán)式同步器的設計與應用 關鍵詞 雙錐面鎖環(huán)式同步器 前言 現(xiàn)代機械式齒輪傳動變速器換檔過程中，同步器得到普遍的應用。由于在各檔位齒輪之間設置了同步器，可保證換檔時齒輪的 嚙合不受沖擊，清除了換檔噪聲，延長了齒輪的壽命。使得換檔過程輕便、迅速，從而有利于提高汽車的動力性和燃料經(jīng)濟性。 圖 1 現(xiàn)代變速器所采用的同步器大都是屬于慣性鎖止式同步器。它們的結構形式雖各有不同，但工作原理都是一樣的，即把要嚙合的轉動件的轉速，在同步之前，利用其相對角加 （或減）速度所產(chǎn)生的慣性力矩，來阻止它們的不同步嚙合。同時，還需確保要結合的轉動件的轉速在達到同步后方能嚙合。圖 1所示是目前最廣泛采用的一種慣性鎖止式同步器，被稱為鎖環(huán)式同步器。 它利用制作在嚙合套 16及同步環(huán) 11 和 17嚙合齒端的倒角（鎖止角）斜面，在未達到同步之前，對嚙合件施加慣性鎖止作用，以防止不同步嚙合。當兩嚙合件轉速達到同步時，則摩擦 錐面的摩擦力降為零。此時，在換檔力的繼續(xù)作用下，達到同步嚙合。 1 同步過程的理論分析 圖 2所示為同步系統(tǒng)簡圖 圖 2 Jc 變速器一軸和離合器從動片等零件的轉動慣量 Jv 汽車慣量 Mc 離合器阻力矩 Mv 汽車行駛阻力矩 Ms 同步環(huán)摩擦力矩 e 輸入角速度 v 輸出角速度 其中： Mc 離合器阻力矩是由 于離合器分離不徹底、空氣摩擦阻力、 變速器輸入端部件攪油阻力所造成的。其值越小越好，以減小同步器在同步過程中所做的功。但它的具體值不易測定，在理論分析時可假定此值在同步換檔過程中是不變的。 Mv 汽車行駛阻力矩是由于汽車行駛時受到的滾動阻力、坡道阻力、風阻及傳動軸、驅動橋等部件機械損失造成的。 Mv 的變化對于換檔影響不大 ，所以在同步換檔過程中其值也可認為是不變的。 Ms 同步環(huán)摩擦力矩，由于摩擦錐面副的摩擦系數(shù) 的大小是隨著滑磨速度高、低而變化，但變化不大， 可以忽略不計，故也可以認為 Ms值在同步換檔過程中也 是不變的。 同步換檔過程的理論分析，主要是研究同步力矩和同步時間的關系。根據(jù)牛頓第二定律： JM 式中 M 力矩 Nm J 轉動慣量 kgm2 角加速度 rad/s2 所以，對同步系統(tǒng) 系統(tǒng)輸入端：cscc MMJ （ 1） 系統(tǒng)輸出端：vscv MMJ （ 2） 式中負號適用于低檔換高檔，正號適用于高檔換低檔。因為前述已假定，在換檔過程中， Ms、Mc、 Mv都不隨時間而變化。因此以上二式對時間（ t）的積分式為： 系統(tǒng)輸入端：ccscc CtMMJ )( （ 3） 系統(tǒng)輸出端：vvscv CtMMJ )( （ 4） 式中的積分 常數(shù)cC、vC可以按換檔時原檔位的初始條件來計算確定，設： 度同步器輸出端的初角速 度同步器輸入端的初角速r r 稱為“同步器傳動比”。當從低檔換高檔時 r 1，高檔換低檔時 r 1。若取同步器的輸出初角速度為 vo，則同步器輸入初角速 度則為 r 。 由于初始換檔時，時間 t=0。則積分常數(shù)為： rJCcc （ 5） vv JC （ 6） 將（ 5）、（ 6）兩式代入（ 3）、（ 4）式得： rJtMMJccscc )( （ 7） vvscv JtMMJ )( （ 8） 在換檔終了時：VECEEtt , 式中 Et 同步時間 CE 換檔終了時的輸入角速度 VE 換檔終了時的輸出角速度 則： rJtMMcEcsCE )( （ 9） VEcsVE J tMM )( （ 10） 由（ 9）、（ 10）式得： EvcsEcCs tJ MMtrJ MM )( （ 11） 整理后： cv vccvEcv cvS JJ JMJMtJJ rJJM )1( （ 12） 為便于研究SM與 Et 之間的關系，（ 12） 式可改寫為： ccvvEcvcvs JMJMtrJJ JJM 1 （ 13） 或 vccvcvscvE JMJMJJM rJJt )( )1( （ 14） 根據(jù)統(tǒng)計資料cv JJ /的比值一般大于 100，所以可取 1)/( cvv JJJ，則將（ 13）、（ 14）時可簡化為： cv cvEcs MJJMtrJM )1( （ 15） cvcvscE MJJMM rJt / )1( （ 16） 由于Cv MM /值一般均大于 10，即vcv JJM /約為CM的 1/10 以內，所以在（ 15）、（ 16）式中如把vcv JJM /一項忽略不計，即取vcv JJM / cMcM，這就相當于在CM之中有不大于 10%的誤差，此時（ 15）、（ 16）式可進一步簡化為： cEcs MtrJM )1( （ 17） cscE MM rJt )1( （ 18） 按照（ 17）、（ 18）式中所 表述的各個參量之間的關系，經(jīng)分析研究，可得出如下結論： （ 1）離合器阻力矩CM，在換檔期間有降低離合器從動部分轉速的作用，因而有助于從低檔換高檔，而不利高檔換低檔。 （ 2）同步器輸出端初角速度 與同步環(huán)摩擦力矩SM及同步時間 Et 成正比，而 的大小則決定于同步器位置的設置，所以在變速器結構設計時最好把同步器設置在變速器轉速最低的軸上。 （ 3）離合器從動片和變速器 一軸等部件的轉動慣量cJ也與SM及 Et 成正比，所以要把同步器設置得距離合 器越近越好。 （ 4）同步器傳動比 r的大小，也影響SM、 Et 所以 r不應過大，根據(jù)資料統(tǒng)計 r一般應不大于1.8。 （ 5）SM與 Et 之間 的關系是換檔時間越短，則所需的SM就要成比例地增大，所以如果能從同步器結構上增大SM，就有助于縮短同步時間 Et 。 2 雙錐面鎖環(huán)式同步器的設計應用 2.1 概述 通過理論分析得出的同步環(huán)摩擦力矩SM與同步時間 Et 的數(shù)學模型。可以探討改進同步器性能的方案。如果從同步器結構設計上設法加大同步環(huán) 摩擦力矩SM就可以達到縮短同步時間 Et 及換檔輕便的目的。 圖 3所示為鎖環(huán)式同步器同步錐面受力分析，同步錐面之間接摩擦力矩為： adPaRPMs s in2s in 錐錐 （ 19） 式中 P 作用在嚙合套或摩擦錐面上的軸向力 錐面間的摩擦系數(shù) 錐d 摩擦錐面的平均直徑 a 摩擦錐面的錐面角 由（ 19）式可以得出，要想加大同步摩擦力矩SM， 必須要從以下幾方面著手： （ 1）加大 P 作用在同步器摩擦錐面的軸向力 P 是由換檔時作用在變速手柄上的力sP， 經(jīng)換檔機構傳遞過來的，即 ssiPP （ 20） 式中 si 從變速桿手柄至嚙合套的傳動比 換檔傳動機構效率 為減輕駕駛員疲勞，換檔力sP設計值不能過大，而傳動比si加大將導致?lián)Q檔行程加大受到整車總布置制約，因而加大 P 受到一定的限制。 （ 2）加大 通過選用不同的摩擦材料可適當?shù)靥岣?，如目前采用濕式紙基摩擦材料其靜摩擦系數(shù)可以不小于 0.12，比壓力在 2.0aP時動摩擦系數(shù)可達到 0.081.5。 （ 3）減小 a 角錐面角 a 的減小可適當?shù)卦龃髎M，但它的極限取決于錐面角避免自鎖的條件。 stga （ 21） 式中 s 錐面向靜摩擦系數(shù) （ 4）加大錐d對普通的單錐面鎖環(huán)式同步器，由于受到變速器結構及中心距限制，錐d增大的空間亦受到限制。 從以上分析中可以看出，改變式（ 19）中幾個參量，可以適當?shù)卦龃髎M，但增大的幅度有限。為此在鎖環(huán)式同步器結構設計中，提出了多錐面鎖環(huán)式同步器設計方案，如圖 4所示，為一雙錐面鎖環(huán)式同步器結構設計。 A花鍵參數(shù) 齒數(shù) 28 模數(shù) 2 壓力角 20 圖 4 多錐面鎖環(huán)式同步器在工作原理和結構設計上與普通鎖環(huán)式同步器基本上是類似的，所不同的只是它采用兩副摩擦錐面，這樣就可以產(chǎn)生更大的sM。 圖 5所示為雙錐面鎖環(huán)式同步器受力分析，同步錐面之間的摩擦力矩sM為： 2121 s in2 錐錐 ddaPMMMsss 圖 5 2.2雙錐面鎖環(huán)式同步器的設計和應用 鎖環(huán)式同步器由于其結構緊湊、性能良好、使用可靠、成本低，目前得到廣泛的應用。其不足之處是同步摩擦力矩 偏小。多錐面鎖環(huán)式同步器即是在工作原理和結構布置上與鎖環(huán)式同步器基本類似的基礎上，開發(fā)設計的一種新型同步器裝置，它既繼承了鎖環(huán)式同步器的優(yōu)點，又在提高同步摩擦力矩上彌補了其不足。 圖 6所示為結構尺寸相近情 況下，單錐面鎖環(huán)式同步器、鎖銷式同步器及雙錐面鎖環(huán)式同步器三種結構同步器，其錐面平均直徑與單位軸向力產(chǎn)生的錐面摩擦力矩的關系曲線。 圖 6 從曲線圖上可以看出，雙錐面鎖環(huán)式同步器在提高同步摩擦力矩sM是十分有效的。 目前國外在重型載貨車及大功率跑車的機械變速箱中，鎖環(huán)式雙錐面同步器正日益得到普遍應用。實踐證明這種同步器結構對減輕換檔操作及縮短同步時間 Et 加快換檔是十分可靠而有效的。 至今雙錐面鎖環(huán)式 同步器在國內開發(fā)應用尚屬空白，為此天海汽車同步器廠于 1999 年下半年決定開發(fā)研制為 9T載貨車為變速器二、三檔配套的雙錐面鎖環(huán)式同步器，如圖 7所示： 圖 7 在圖中 檔同步器，檔為單錐面，檔為雙錐面，其同步器齒套齒轂、滑塊、彈簧等零件為共用，主要區(qū)別在于檔同步器有 2個錐形零件 (1、 2)，而檔同步器錐形零件有 3個 (1、 2、3)，同步器接合外錐 1制有 6個單鍵與同步器內錐 3制有的 6個鍵槽連接在一起，所以外錐 1與內錐 3是同變速箱二軸一起轉動的，而同步錐體 2制有 6個凸塊與結合圈 4上制有的 6個孔接合，所以錐體 2是與三檔齒輪一起轉動的。結果是當變速箱由檔升到檔或由減到檔時，三檔齒輪與二軸之間產(chǎn)生相對角速度差，此時在檔的同步器錐體結構中就有兩對滑動摩擦錐面開始工作，所以在總體尺寸一樣的情況下，加在同步器齒套上的軸向推力在摩擦錐面上所產(chǎn)生的同步摩擦力矩就等于作用在兩對錐面之間接摩擦力矩的總和，即換檔時產(chǎn)生的同步摩擦力矩，約為換檔時的同步摩擦力矩的 2倍。 圖 8 在換檔力及摩擦副材質一致的條件下，經(jīng)理論計算，新開發(fā)研制的雙錐面同步器檔的同步摩擦力矩比原單錐面同步摩擦力矩提 高了 97，而檔時的同步摩擦力矩比原單錐面鎖銷式同步結構 的同步摩擦力矩提高了 44，圖 8為雙錐面鎖環(huán)式同步器的實物照 該種結構型式的雙錐面鎖環(huán)式同步器，已由“天海廠”試制出樣品，目前正在安排臺架性能試驗及道路可靠性試驗，近期可望投放市場配套。 結束語 雙錐面鎖環(huán)式同步器由于在工