雙錐面鎖環(huán)式同步器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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