同步器設(shè)計(jì)實(shí)例

1、已知條件： 離合器從動(dòng)片結(jié)構(gòu)尺寸。 變速器檔位數(shù)、檔位排列及各檔速比。 變速器各檔位齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸。 變速器中心距。 匹配發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速。 1同步器理論設(shè)計(jì)計(jì)算： 1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算：換檔過程中依靠同步器改變轉(zhuǎn)速的零部件包括：離合器從動(dòng)片、一軸、中間軸、與中間軸齒輪相嚙合的主軸上的常嚙齒輪。統(tǒng)稱為同步過程的輸入端。（見同步系統(tǒng)簡圖）而輸入端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jc的計(jì)算步驟是：首先計(jì)算上述相關(guān)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而后按不同的檔位轉(zhuǎn)換到被同步的檔位齒輪上去。 園柱體盤式零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為; 實(shí)心J=QD2/8g=（/32g）D4L 空心J=Q（D2-d2）/8g =（/32g）（D2+d2）（D

2、2-d2） 式中：Q零件重量（克） D零件外徑（厘米） d零件內(nèi)徑（厘米） g重力加速度（980厘米/秒2） 材料比重（鋼：7.85克/厘米3） L零件厚度（厘米） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)換：基本公式為 J換=Ji=J主動(dòng)齒輪齒數(shù)/從動(dòng)齒輪齒數(shù) 各檔的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，需要將各相應(yīng)零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)到被同步的零件上。 J=J+J換 2）角速度差的計(jì)算：在理論設(shè)計(jì)計(jì)算中，一般是按角速度差的最大值計(jì)算。所以只有假設(shè)在兩個(gè)角速度中有一個(gè)是相當(dāng)為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速的值，才是同步過程中的最大角速度差。 a.低檔換高檔：此時(shí)汽車處于加速過程，可以假定與整車相連的輸出端（二軸及同步器齒套）換檔時(shí)轉(zhuǎn)速不變，仍為換檔前的低

3、檔轉(zhuǎn)速。而輸入端（被同步齒輪）的轉(zhuǎn)速則高于輸出端轉(zhuǎn)速。輸入端需要減速才能同步。只有假定換檔前輸入端的轉(zhuǎn)速是相應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的轉(zhuǎn)速nN，才能得到角速度差的最大值max。所以： 出=（2nN/60）/i低 入=（2nN/60）/i高 max=入-出= 2nN/60（1/i高-1/i低） b）高檔換低檔：此時(shí)汽車處于減速過程，亦可以假定與整車相連的輸出端（二軸及同步器齒套）換檔時(shí)轉(zhuǎn)速不變，仍為換檔前的高檔轉(zhuǎn)速。而輸入端（被同步齒輪）的轉(zhuǎn)速則低于輸出端轉(zhuǎn)速。輸入端需要加速才能同步。只有假定換檔前輸入端的轉(zhuǎn)速是相應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的轉(zhuǎn)速nN，才能得到角速度差的最大值max。所以： 出=（2nN/60

4、）/i低 發(fā)動(dòng)機(jī)在換檔前的角速度發(fā)為： 發(fā)=出i高=（2nN/60）i高/i低 輸入端（被同步齒輪）換檔前的角速度為： 入= 發(fā)/i低= （2nN/60）i高/i2低 max=出-入 = 2nN/60（1/i低-i高/i2低） 2. 鎖環(huán)式同步器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算： 根據(jù)同步器計(jì)算基本方程式（5）： PR錐/Sin= Jc/ t 按已知條件：同步器輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jc、角速度 均可計(jì)算出，而同步時(shí)間t一般在同步器設(shè)計(jì)時(shí)可取t = 0.5（S）。 根據(jù)式（5），即可計(jì)算出所需的同步摩擦力矩Mf值。 根據(jù)式（4）： Mf = PR錐 / Sin 其中： 換檔力P 為了換檔輕便，力P應(yīng)有所控制。

5、按汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 290631992中的有關(guān)規(guī)定： 輕型車 中型車 重型車 400N（最大） 500N（最大） 620N（最大） 同步錐面摩擦系數(shù)：在同步器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一般可取= 0.1 同步錐角：同步摩擦力矩Mf可隨著角減小 而增大，但角的極限取決于錐面 角避免自鎖的條件，即： tg（見后說明） 根據(jù)式（4）：可得 R錐 = Mfsin/P （7） 同步環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸的確定：（圖10） D分度圓直徑 同步環(huán)大端直徑 同步環(huán)錐面角 B同步環(huán)錐面寬 由圖9可推算出： = 2R錐 + Btg （8） 考慮到同步環(huán)本身的強(qiáng)度和剛性，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)可按下式初步確定同步環(huán)接合齒分度圓直

6、徑： D = /0.80.85 （9） 考慮到同步環(huán)的散熱和耐磨損，提供足夠大的錐面面積。設(shè)計(jì)時(shí)推薦按下述經(jīng)驗(yàn)公式確定同步錐面寬B： B = （0.250.40）R錐 （10） 在初步確定分度圓直徑D后，即可按表1選取相近的漸開線花鍵參數(shù)：模數(shù)m 、齒數(shù)Z。 表一3鎖環(huán)式同步器的基本尺寸： 1）錐面角：由式（4）可知，越小則摩擦力矩Mf越大。但小到一定程度時(shí)，將發(fā)生兩個(gè)摩擦錐面抱死分不開的現(xiàn)象。 - 在兩錐面達(dá)到同步以后，這時(shí)換檔力P還在作用著，則： P = Nsin+sNcos 式中：s 兩錐面間的靜摩擦系數(shù) 當(dāng)完成同步換檔且換檔力P=0 時(shí)，同步環(huán)內(nèi)錐面應(yīng)脫離同步錐體外錐面，此時(shí)摩擦力sN

7、的方向就反過來了。它有阻止同步環(huán)脫開，或是說有使兩錐面之間互相抱死的趨勢。只有在保證下列條件時(shí)，才能避免兩錐面間發(fā)生抱死分不開的現(xiàn)象。即 NsinsNcos tgs （11） 由于摩擦系數(shù)s在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)推薦采用0.10,故錐面角一般可取6730.對(duì)多錐面同步器，由于摩擦力矩有足夠大，錐面角可取8或830。 2）同步環(huán)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸： a.摩擦錐面的平均半徑R錐和同步錐環(huán)的徑向厚度W： R錐和W的大小，都受到變速器齒輪中心距和相關(guān)零件結(jié)構(gòu)及空間尺寸的限制。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在許可范圍內(nèi)，R錐和W都應(yīng)該越大越好。R錐越大則同步摩擦力矩Mf也就越大。而W大小則與同步錐環(huán)的強(qiáng)度和剛性有關(guān)。W越大則錐環(huán)的強(qiáng)度就越

8、大而且不容易變形，保證錐環(huán)在長期工作中不易損壞。 c.同步錐環(huán)的工作面寬度B： 在選擇B時(shí)，應(yīng)考慮：B大時(shí)會(huì)影響同步器軸向尺寸加大，但B的大小也直接影響到錐環(huán)為散熱和耐磨損能否提供足夠大的錐面面積。一般在設(shè)計(jì)時(shí)， R錐越大則B也要相應(yīng)選擇大一些。有些資料推薦的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式可做參考： B（0.250.40）R錐 d.同步錐環(huán)內(nèi)錐面上的螺紋線： 螺紋頂寬：在內(nèi)錐面上加工螺紋線的目的是為了能把錐面間已有的齒輪潤滑油油膜很快的切割破壞并刮走。油膜破壞得越快，摩擦力提高的也越快。螺紋頂寬設(shè)計(jì)得越窄，則切割刮走油膜越快。但螺紋頂寬過尖，則接觸面上的壓強(qiáng)大磨損也大。一般推薦螺紋頂寬為0.0250.10。另一

9、方面要求螺頂?shù)谋砻娲植诙纫茫也辉试S留有切削刀痕。所以螺頂表面增加最后一道研磨工序是十分必要的。 螺距及螺紋角：螺距的大小要保證螺紋之間的間隙足以容納被擠出來的油量。但螺距也不能過大，否則錐面的接觸面積要變小，磨損會(huì)變大。一般螺距推薦取0.60.75。螺紋角一般取60，螺紋深可取0.250.40。 軸向排油槽：在螺紋線上開軸向油槽的主要目的是盡快地把油排掉，以盡快地提高摩擦力。一般油槽槽寬可取為3mm，槽深要稍大于螺紋底徑。油槽數(shù)按R錐的大小可選取69個(gè)。為減小應(yīng)力集中，油槽底的圓角半徑應(yīng)盡量取得大一些。 同步錐環(huán)鎖止角鎖：在鎖環(huán)式同步器中設(shè)置鎖止角的目的有二：一是通過鎖止角斜面將換檔力傳至

10、同步錐面上。二是通過鎖止角斜面換檔力將分解一切向分力，從而產(chǎn)生一拔環(huán)力矩。此力矩將會(huì)使同步錐環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一角度而脫離齒套齒端的斜面。使齒套可繼續(xù)前移與齒輪結(jié)合齒圈嚙合完成掛檔。但從設(shè)計(jì)上要保證，同步摩擦力矩Mf始終應(yīng)大于此撥環(huán)力矩。只有當(dāng)兩嚙合件達(dá)到同步，Mf等于0時(shí)，撥環(huán)力矩才可將同步錐環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，使齒套前移完成同步嚙合掛檔。圖12為鎖環(huán)式同步器同步過程的受力分析。圖12。同步過程受力分析 由圖12可知： T = Ncos N = P/sin T = P/tg Mo = Tr鎖 = Pr鎖/ tg （12） 式中： P換檔力 N作用在鎖止斜面上的正壓力 T作用在鎖止斜面上的切向分力 鎖止角 r鎖

11、鎖止斜面的作用半徑（分度圓半徑） Mo作用在鎖止斜面上的撥環(huán)力矩 為避免“不同步嚙合”： 同步摩擦力矩MfMo 由式（4）、（12）： PR錐/sinPr鎖/ tg整理后： tgr鎖/ R錐sin/ （13） 在鎖環(huán)式同步器設(shè)計(jì)時(shí)鎖止角選取為： = 52 60 若考慮到鎖止斜面間的摩擦力，則由圖12： 切向力T= Ncos- NBsin 軸向力P= Nsin+ NBcos 將T、P代入Mf及Mo計(jì)算式并整理后得： tg（r鎖sin-BR錐）/（R錐-Br鎖sin） 式中：B 鎖止斜面間的摩擦系數(shù) 綜上所上述：鎖止角選取大些，可以避免發(fā)生“不同步嚙合”的不正?，F(xiàn)象。但角過大時(shí)，撥環(huán)力矩將過小，將

12、影響順利嚙合。 一般在鎖環(huán)式同步器設(shè)計(jì)時(shí)，同步器齒套、同步錐環(huán)及結(jié)合齒圈的鎖止角選取同一值。但近來這一設(shè)計(jì)原則有所改變，即結(jié)合齒圈的鎖止角應(yīng)比齒套的小12，而結(jié)合齒圈的鎖止角則取得更小。前者是為了避免角的棱邊首先接觸易劃傷鎖止面。（見圖13）后者則是為了順利嚙合。 圖13 鎖止面的平均半徑R鎖和同步環(huán)滑塊槽口寬度H： 鎖止面的平均半徑R鎖的大小，可以參照上述式（4）的計(jì)算結(jié)果而定。 同步錐環(huán)齒的鎖止面和同步器齒套齒的鎖止面貼靠情況，對(duì)順利地同步換檔有很大影響。而同步錐環(huán)一端的滑塊缺口能允許同步錐環(huán)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角的大小，則起著十分重要的作用。在設(shè)計(jì)上應(yīng)予以控制，該轉(zhuǎn)角過大或過小都會(huì)使兩鎖止面接觸位置不

13、良。（圖14 b、c）在鎖止位置時(shí)，兩個(gè)鎖止面彼此之間貼靠的位置要最為有利。（圖14 a）如果鎖止面之間貼靠的位置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致同步錐環(huán)鎖止齒的過早損壞或換檔困難。同步錐環(huán)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角大小是和同步錐環(huán)一端的滑塊缺口寬度H和滑塊本身的寬度h有關(guān)。 一般推薦：H-h 0.5鎖止齒周節(jié) 3.鎖環(huán)式同步器主要零件適用的原材料及熱處理要求：見有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 4. 鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問題： 1）鎖環(huán)式同步器的各個(gè)零件裝配成套后，零件彼此之間的裝配間隙正確與否，對(duì)同步器能否正確工作十分有關(guān)。正確的設(shè)計(jì)應(yīng)該是同步器齒套端面間隙大于滑塊端面間隙，即21（見圖15） 否則會(huì)出現(xiàn)摩擦錐面尚未接觸

14、，還沒有產(chǎn)生使同步錐環(huán)相對(duì)齒套轉(zhuǎn)動(dòng)一角度并形成鎖止位置的摩擦力矩時(shí)，齒套就可能通過同步錐環(huán)。導(dǎo)致不同步嚙合及換檔沖擊。一般設(shè)計(jì)時(shí)可?。?1= 0.51.0 mm 2-1= 0.200.30 mm 2)考慮到同步錐環(huán)錐面的磨損，同步錐環(huán)齒的端面與結(jié)合齒圈端面之間應(yīng)保有一定的間隙3（見圖15）。使同步錐環(huán)錐面的磨損在一定程度內(nèi)不影響正常的同步作用和撥環(huán)效果。3也稱為磨損裕量，通?？扇。?= 1.41.8 mm 3)應(yīng)該使同步錐體的錐面寬度B1大于同步錐環(huán)錐面寬度B2，從而可避免在使用中同步錐環(huán)的錐面會(huì)磨出臺(tái)階，使同步錐面接觸不良，導(dǎo)致不同步嚙合。（見圖16） 4）同步器輸入端的初角速度與輸出端的初

15、角速度的比值一般應(yīng)控制在1.8以內(nèi)。否則因所需的同步器容量大，同步器設(shè)計(jì)難度大，不易滿足要求。標(biāo)簽：同步器, 鎖止角, 鎖環(huán)式同步器, 錐面角1摩擦系數(shù)汽車在行駛過程中換擋，特別是在高擋區(qū)換擋次數(shù)較多，意味著同步器工作頻繁。同步器是在同步環(huán)與連接齒輪之間存在角速度差的條件下工作，要求同步環(huán)有足夠的使用壽命，應(yīng)當(dāng)選用耐磨性能良好的材料。為了獲得較大的摩擦力矩，又要求用摩擦因數(shù)大而且性能穩(wěn)定的材料制作同步環(huán)。另一方面，同步器在油中工作，使摩擦因數(shù)減小，這就為設(shè)計(jì)工作帶來困難。摩擦因數(shù)除與選用的材料有關(guān)外，還與工作面的表面粗糙度、潤滑油種類和溫度等因素有關(guān)。作為與同步環(huán)錐面接觸的齒輪上的錐面部分與齒

16、輪做成一體，用低碳合金鋼制成。對(duì)錐面的表面粗糙度要求較高，用來保證在使用過程中摩擦因數(shù)變化小。若錐面的表面粗糙度差，在使用初期容易損害同步環(huán)錐面。同步環(huán)常選用能保證具有足夠高的強(qiáng)度和硬度、耐磨性能良好的黃銅合金制造，如錳黃銅、鋁黃銅和錫黃銅等。早期用青銅合金制造的同步環(huán)因使用壽命短，已遭淘汰。由黃銅合金與鋼材構(gòu)成的摩擦副，在油中工作的摩擦因數(shù)取為0.1。摩擦因數(shù)對(duì)換擋齒輪和軸的角速度能迅速達(dá)到相同有重要作用。摩擦因數(shù)大，換擋省力或縮短同步時(shí)間；摩擦因數(shù)小則反之，甚至失去同步作用。為此，在同步環(huán)錐面處制有破壞油膜的細(xì)牙螺紋槽及與螺紋槽垂直的泄油槽，用來保證摩擦面之間有足夠的摩擦因數(shù)。2同步環(huán)主要

17、尺寸的確定(1)同步環(huán)錐面上的螺紋槽如果螺紋槽螺線的頂部設(shè)計(jì)得窄些，則刮去存在于摩擦錐面之間的油膜效果好。但頂部寬度過窄會(huì)影響接觸面壓強(qiáng)，使磨損加快。試驗(yàn)還證明：螺紋的齒頂寬對(duì)的影響很大，隨齒頂?shù)哪p而降低，換擋費(fèi)力，故齒頂寬不易過大。螺紋槽設(shè)計(jì)得大些，可使被刮下來的油存于螺紋之間的間隙中，但螺距增大又會(huì)使接觸面減少，增加磨損速度。圖320a中給出的尺寸適用于輕、中型汽車；圖320b則適用于重型汽車。通常軸向泄油槽為612個(gè)，槽寬34mm。(2)錐面半錐角摩擦錐面半錐角越小，摩擦力矩越大。但過小則摩擦錐面將產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，避免自鎖的條件是tana。一般取=68。=6時(shí)，摩擦力矩較大，但在錐面的表

18、面粗糙度控制不嚴(yán)時(shí)，則有粘著和咬住的傾向；在=7時(shí)就很少出現(xiàn)咬住現(xiàn)象。 ，(3)摩擦錐面平均半徑RR設(shè)計(jì)得越大，則摩擦力矩越大。R往往受結(jié)構(gòu)限制，包括變速器中心距及相關(guān)零件的尺寸和布置的限制，以及R取大以后還會(huì)影響到同步環(huán)徑向厚度尺寸要取小的約束，故不能取大。原則上是在可能的條件下，盡可能將R取大些。(4)錐面工作長度b縮短錐面工作長度b(圖317)，便使變速器的軸向長度縮短，但同時(shí)也減少了錐面的工作面積，增加了單位壓力并使磨損加速。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)下式計(jì)算確定b（5）同步環(huán)徑向厚度與摩擦錐面平均半徑一樣，同步環(huán)的徑向厚度要受機(jī)構(gòu)布置上的限制，包括變速器中心距及相關(guān)零件特別是錐面平均半徑和布置上的

19、限制，不宜取很厚，但是同步環(huán)的徑向厚度必須保證同步環(huán)有足夠的強(qiáng)度。轎車同步環(huán)厚度比貨車小些，應(yīng)選用鍛件或精密鍛造工藝加工制成，可提高材料的屈服強(qiáng)度和疲勞壽命。貨車同步環(huán)可用壓鑄加工。段造時(shí)選用錳黃銅等材料。有的變速器用高強(qiáng)度，高耐磨性的鋼配合的摩擦副，即在鋼質(zhì)或球墨鑄鐵同步環(huán)的錐面上噴鍍一層鉬（厚約0.30.5mm），使其摩擦因數(shù)在鋼與銅合金摩擦副范圍內(nèi)，而耐磨性和強(qiáng)度有顯著提高。也有的同步環(huán)是在銅環(huán)基體的錐空表面噴上厚0.070.12mm的鉬制成。噴鉬環(huán)的壽命是銅環(huán)的23倍。以鋼質(zhì)為基體的同步環(huán)不僅可以節(jié)約銅，還可以提高同步環(huán)的強(qiáng)度。3鎖止角鎖止角選取的正確，可以保證只有在換檔的兩個(gè)部分之間

20、角速度差達(dá)到零值才能進(jìn)行換檔。影響鎖止角選取的因素主要有摩擦因數(shù)擦錐面的平均半徑R,鎖止面平均半徑和錐面半錐角。已有結(jié)構(gòu)的鎖止角在2646范圍內(nèi)變化。4同步時(shí)間t同步器工作時(shí)，要連接的兩個(gè)部分達(dá)到同步的時(shí)間越短越好。除去同步器的結(jié)構(gòu)尺寸，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)同步時(shí)間有影響以外，變速器輸入軸，輸出軸的角速度差及作用在同步器摩擦追面上的軸向力，均對(duì)同步時(shí)間有影響。軸向力大，同步時(shí)間減少。而軸向力與作用在變速桿手柄上的力有關(guān)，不同車型要求作用到手柄上的力也不相同。為此，同步時(shí)間與車型有關(guān)，計(jì)算時(shí)可在下屬范圍內(nèi)選?。簩?duì)轎車變速器高檔取0.150.30s,低檔取00.80s;對(duì)貨車變速器高檔取0.300.80s，低檔取1.001.50s.5轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算換檔過程中依靠同步器改變轉(zhuǎn)速的零件統(tǒng)稱為輸入端零件，它包括第一軸及離合器的從動(dòng)盤，中間軸及其上的齒輪，與中間軸上齒輪相嚙合的第二周上的常嚙合齒輪。其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算：首先求得各零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然后按不同檔位轉(zhuǎn)換到被同步的零件上。對(duì)已有的零件，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值通常用扭擺法測出;若零件未制成,可將這些零件分解為標(biāo)準(zhǔn)的幾何體,并按數(shù)學(xué)公式合成求出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。四. 同步器的計(jì)算同步器的計(jì)算目的是確定摩擦錐面和鎖止角的角度，這些角度是用來保證在滿足連接健角速度完全相等以前不能進(jìn)行換檔時(shí)所應(yīng)滿足的條件，以及計(jì)算摩擦力矩和同步時(shí)間。換檔第一階段，處于