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雙錐面鎖環(huán)式同步器設(shè)計(jì)與應(yīng)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(shí)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(jié)構(gòu) 雙錐面鎖環(huán)式同步器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 關(guān)鍵詞 雙錐面鎖環(huán)式同步器 前言 現(xiàn)代機(jī)械式齒輪傳動(dòng)變速器換檔過程中,同步器得到普遍的應(yīng)用。由于在各檔位齒輪之間設(shè)置了同步器,可保證換檔時(shí)齒輪的 嚙合不受沖擊,清除了換檔噪聲,延長(zhǎng)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(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)形式雖各有不同,但工作原理都是一樣的,即把要嚙合的轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)速,在同步之前,利用其相對(duì)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(shí),還需確保要結(jié)合的轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)速在達(dá)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(dá)到同步之前,對(duì)嚙合件施加慣性鎖止作用,以防止不同步嚙合。當(dāng)兩嚙合件轉(zhuǎn)速達(dá)到同步時(shí),則摩擦 錐面的摩擦力降為零。此時(shí),在換檔力的繼續(xù)作用下,達(dá)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(jiǎn)圖 圖 2 Jc 變速器一軸和離合器從動(dòng)片等零件的轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)定,在理論分析時(shí)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(shí)受到的滾動(dòng)阻力、坡道阻力、風(fēng)阻及傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋等部件機(jī)械損失造成的。 Mv 的變化對(duì)于換檔影響不大 ,所以在同步換檔過程中其值也可認(rèn)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(jì),故也可以認(rèn)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(shí)間的關(guān)系。根據(jù)牛頓第二定律: JM 式中 M 力矩 Nm J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kgm2 角加速度 rad/s2 所以,對(duì)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(fù)號(hào)適用于低檔換高檔,正號(hào)適用于高檔換低檔。因?yàn)榍笆鲆鸭俣?,在換檔過程中, Ms、Mc、 Mv都不隨時(shí)間而變化。因此以上二式對(duì)時(shí)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(shí)原檔位的初始條件來計(jì)算確定,設(shè): 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(dòng)比”。當(dāng)從低檔換高檔時(shí) r 1,高檔換低檔時(shí) 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(shí),時(shí)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(shí):VECEEtt , 式中 Et 同步時(shí)間 CE 換檔終了時(shí)的輸入角速度 VE 換檔終了時(shí)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(guān)系,( 12) 式可改寫為: ccvvEcvcvs JMJMtrJJ JJM 1 ( 13) 或 vccvcvscvE JMJMJJM rJJt )( )1( ( 14) 根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料cv JJ /的比值一般大于 100,所以可取 1)/( cvv JJJ,則將( 13)、( 14)時(shí)可簡(jiǎn)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(nèi),所以在( 15)、( 16)式中如把vcv JJM /一項(xiàng)忽略不計(jì),即取vcv JJM / cMcM,這就相當(dāng)于在CM之中有不大于 10%的誤差,此時(shí)( 15)、( 16)式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為: cEcs MtrJM )1( ( 17) cscE MM rJt )1( ( 18) 按照( 17)、( 18)式中所 表述的各個(gè)參量之間的關(guān)系,經(jīng)分析研究,可得出如下結(jié)論: ( 1)離合器阻力矩CM,在換檔期間有降低離合器從動(dòng)部分轉(zhuǎn)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(shí)間 Et 成正比,而 的大小則決定于同步器位置的設(shè)置,所以在變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)最好把同步器設(shè)置在變速器轉(zhuǎn)速最低的軸上。 ( 3)離合器從動(dòng)片和變速器 一軸等部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量cJ也與SM及 Et 成正比,所以要把同步器設(shè)置得距離合 器越近越好。 ( 4)同步器傳動(dòng)比 r的大小,也影響SM、 Et 所以 r不應(yīng)過大,根據(jù)資料統(tǒng)計(jì) r一般應(yīng)不大于1.8。 ( 5)SM與 Et 之間 的關(guān)系是換檔時(shí)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(jié)構(gòu)上增大SM,就有助于縮短同步時(shí)間 Et 。 2 雙錐面鎖環(huán)式同步器的設(shè)計(jì)應(yīng)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(shí)間 Et 的數(shù)學(xué)模型??梢蕴接懜倪M(jìn)同步器性能的方案。如果從同步器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上設(shè)法加大同步環(huán) 摩擦力矩SM就可以達(dá)到縮短同步時(shí)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(shí)作用在變速手柄上的力sP, 經(jīng)換檔機(jī)構(gòu)傳遞過來的,即 ssiPP ( 20) 式中 si 從變速桿手柄至嚙合套的傳動(dòng)比 換檔傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率 為減輕駕駛員疲勞,換檔力sP設(shè)計(jì)值不能過大,而傳動(dòng)比si加大將導(dǎo)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(dāng)?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(shí)動(dòng)摩擦系數(shù)可達(dá)到 0.081.5。 ( 3)減小 a 角錐面角 a 的減小可適當(dāng)?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(duì)普通的單錐面鎖環(huán)式同步器,由于受到變速器結(jié)構(gòu)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(gè)參量,可以適當(dāng)?shù)卦龃髎M,但增大的幅度有限。為此在鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,提出了多錐面鎖環(huán)式同步器設(shè)計(jì)方案,如圖 4所示,為一雙錐面鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和應(yīng)用 鎖環(huán)式同步器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、使用可靠、成本低,目前得到廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)布置上與鎖環(huán)式同步器基本類似的基礎(chǔ)上,開發(fā)設(shè)計(jì)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(diǎn),又在提高同步摩擦力矩上彌補(bǔ)了其不足。 圖 6所示為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)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(guó)外在重型載貨車及大功率跑車的機(jī)械變速箱中,鎖環(huán)式雙錐面同步器正日益得到普遍應(yīng)用。實(shí)踐證明這種同步器結(jié)構(gòu)對(duì)減輕換檔操作及縮短同步時(shí)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(guó)內(nèi)開發(fā)應(yīng)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(gè)錐形零件 (1、 2),而檔同步器錐形零件有 3個(gè) (1、 2、3),同步器接合外錐 1制有 6個(gè)單鍵與同步器內(nèi)錐 3制有的 6個(gè)鍵槽連接在一起,所以外錐 1與內(nèi)錐 3是同變速箱二軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的,而同步錐體 2制有 6個(gè)凸塊與結(jié)合圈 4上制有的 6個(gè)孔接合,所以錐體 2是與三檔齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的。結(jié)果是當(dāng)變速箱由檔升到檔或由減到檔時(shí),三檔齒輪與二軸之間產(chǎn)生相對(duì)角速度差,此時(shí)在檔的同步器錐體結(jié)構(gòu)中就有兩對(duì)滑動(dòng)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(duì)錐面之間接摩擦力矩的總和,即換檔時(shí)產(chǎn)生的同步摩擦力矩,約為換檔時(shí)的同步摩擦力矩的 2倍。 圖 8 在換檔力及摩擦副材質(zhì)一致的條件下,經(jīng)理論計(jì)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(shí)的同步摩擦力矩比原單錐面鎖銷式同步結(jié)構(gòu) 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(shí)物照 該種結(jié)構(gòu)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(tái)架性能試驗(yàn)及道路可靠性試驗(yàn),近期可望投放市場(chǎng)配套。 結(jié)束語 雙錐面鎖環(huán)式同步器由于在工

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