同步器设计论文

湖北汽车工业学院毕业论文
摘要
随着汽车工业的不断发展，舒适性日益成为人们选购汽车的重要标准，车辆运行时，为保证挂档平顺，操作简便，减轻驾驶员的劳动强度，一般均采用同步器进行工作。

本篇论文主要阐述了变速箱同步器的作用、工作原理，结构特点、主要参数及常见故障，并进行了DF5S470变速箱1/2档同步器的设计与校核。

Abstract
With the continuous development of automobile industry, comfort is becoming an important criterion for people to buy vehicles, vehicle operation, in order to ensure the hanging file smooth, easy operation, reducing the driver's labor intensity, generally work with synchronizer. This thesis elaborates the gearbox synchronizer role, working principle, structural features, the main parameters and common faults, and had DF5S470 gearbox 1 / 2 File Synchronization Design and Verification. Online translation would not have made up the
关键词：同步器参数设计结构特点性能的影响
目录
摘要 (1)
Abstract (1)
目录 (2)
前言 (3)
一、同步器的作用 (4)
二．同步器的工作原理及换挡过程 (6)
三．同步器的结构及其特点
3.1滑块式同步器的结构特点 (8)
3.2双锥同步器的结构特点 (11)
四．同步器的主要参数及对同步性能的影响
4.1、同步器的主要参数： (12)
4.2 结构参数对同步器性能的影响 (12)
4.3 其他因素对同步器性能的影响 (13)
五．同步器常见故障 (14)
六．实例：DF5S470变速箱1/2档同步器的设计
6.1整车参数的确定 (17)
6.2同步器参数的确定 (18)
6.3同步器的主要参数 (22)
6.4同步惯量J的计算 (24)
总论 (28)
致谢 (29)
参考文献 (30)
附件 (31)
前言
东风汽车变速箱有限公司（59厂）是东风汽车有限公司下属的零部件子公司，是中国最大的汽车变速箱生产企业之一。

公司拥有各类工艺设备1300余台套，年综合生产能力达16.5万辆份。

公司先后通过了TS16949质量体系认证和ISO14001环境体系认证。

与东风汽车工程研究院联合成立了变速箱研发中心，不断开发适应性产品满足用户的需求。

DF5S470系列变速箱，额定输入扭矩400—500N.m。

本篇论文主要阐述了变速箱同步器的作用、工作原理，结构特点、主要参数及常见故障，并进行了DF5S470变速箱1/2档同步器的设计。

一、同步器的作用
随着汽车工业的不断发展,舒适性日益成为人们选购汽车的重要标准车辆运行时，为保证挂档平顺，操作简便，减轻驾驶员的劳动强度，一般均采用同步器进行工作。

同步器的作用是：使离合器与待啮合齿圈迅速同步，缩短换挡时间，同时防止啮合时齿间的冲击。

过去的旧式变速器的换档要采用"两脚离合"的方式，升档在空档位置停留片刻，减档要在空档位置加油门，以减少齿轮的转速差。

但这个操作比较复杂，难以掌握精确。

1、无同步器时变速器的换档过程：一般采用移动齿轮或接合套换档，为使换档平
顺，应使待啮合的轮齿的圆周速度必须相等（同步）。

·下面以无同步器的五档变速器中四、五档的互换过程为例加以说明：
图中：
1—第一轴；2—第一轴常啮齿轮；3—接合套；4—第二轴五档齿轮
5——第二轴；6——中间轴五档齿轮
（1）从低速变高速—四档变五档
1）四档时，V3= V2；欲挂五档，离合器分离接合套3右移，先进入空挡。

2）3与2脱离瞬间， V3= V2而V4 > V2， V4 > V3，会产生冲击，应停留。

3）因汽车传动系惯性质量大V3下降较慢，而V4下降较快，必有 V3= V2时，此时挂档应平顺
（2）从高速变低速—五档变四档
1）五档时，V3= V4；欲挂五档，离合器分离，接合套3左移，先进入空挡。

2）3与2脱离瞬间， V3= V4而V4 > V2， V3 > V2，会产生冲击，应停留。

3）因 V2 比V 3下降快，必无 V3= V2时，此时应使离合器接合，并踩一下加速踏板使V2 > V3，而后再分离离合器待V3= V2时平顺挂档
因此设计师创造出"同步器"，通过同步器使将要啮合的齿轮达到一致的转速而顺利啮合。

二．同步器的工作原理及换挡过程
图为惯性齿环式同步器
的安装内部截面视图，其中
主要零件如图中所示：
1、同步器滑动齿套
2、
同步环
3、同步锥环
4、
固定齿座
5、同步器弹簧
6、
７、同步器推块
同步器推块穿过弹簧镶
嵌在固定齿座中（每套同步
器中有三组），同步器推块头
部卡在滑动齿套的环形槽
内，驾驶员换档时拨动滑动
齿套轴向运动，首先要克服
同步器推块和槽的阻力，然
后克服在行进过程中同步器推块通过弹簧施以的顶力，带动同步环和同步锥环摩擦同步，以达到换档柔和、清晰的效果。

避免了猛挂上档的齿面磕碰的噪音。

下图为同步器的整个换档过程
拨叉拨叉拨叉
开始换档，锁止位置换档过程中换档终止
该同步器利用制作在啮合齿端面上的倒角斜面，在没有达到同步以前，对啮合
件施加惯性锁止作用，以防止不同步啮合。

当滑动齿套环形槽脱离同步推块
以后，加在滑动齿套上的推力，通过啮
合齿套右端面和滚柱对顶着的状态传
给同步环，加在拨叉上的力越大，则同
步环内锥面和同步锥环之间的摩擦力
就越大，同步过程就进行的越快。

当两
个摩擦锥面的转速达到同步时，则同步
环和同步锥环及轴的摩擦力就降低到零，这时加在滑动齿套上的轴向推力Pa就能通过作用在同步环上的斜面齿和滑动齿
套齿对顶着的锁止面上的切向分力Pc，把同步环略转一个角度，转到它的中央位置，
如下图所示，从而使滑动齿套能继续推过去，使其与同步锥环啮合，进而带动齿轮
转动，完成整个换档.
三．同步器的结构及其特点
通常同步器分为常压式和惯性式两类。

常压式同步器有锥形和片式两种。

由于它不能保证被连接零件完全同步后才能换挡，故不广泛使用。

目前汽车上广泛采用的是惯性式同步器，它有：滑块式同步器（borg—waner）、锁销式同步器（pin型）、多锥式同步器（smith）以及短程式同步器和开尾销式同步器等。

3.1滑块式同步器的结构特点
滑块式同步器是目前在小客车和轻型汽车上用得极为广泛的一种同步器。

在中型载货汽车上也采用。

图4是一种典型的滑块式同步器。

啮合座7与轴的花键连接，内装三根弹簧6和钢球5（擎），滑块3穿过钢球装在啮合座7上。

被啮合的外锥齿轮1是浮套在第二轴上。

同步环2安装在外锥齿圈1上。

接合套4在滑块3上，通过钢球5定位在空挡位置。

总共有七个零件组成。

这种同步器结构紧凑、尺寸较小，弹簧的稳定性能好；使用可靠。

制造工艺好。

但是，锥面的平均摩擦半径受到其尺寸的限制不能太大，而齿轮尺寸大。

故有较大的转动惯量，同步时间稍长。

同时，由于滑块式同步器的滑转时间长，也增加了同步环锥面的磨损。

当变速杆拨动接合套带动由弹簧定位的钢球和滑块一起推动同步环压倒被同步齿轮的锥面时（如图5）
由于力F的作用和转速差的存在，两个锥面一经接触即产生摩擦力矩，使同步环相对于接合套转动一个角度。

由于同步器锥面开有尖齿顶的螺旋槽，齿顶像刃口一样将锥面上的润滑油刮向螺旋槽内，并沿着垂直的沟槽流出去，摩擦面的摩擦系数很快提高。

当两个同步锥面接触之后，加在换挡手柄上的力仍继续增加，接合套
克服压紧钢球的弹簧力使滑块继续前移，因为同步环已经相对于接合套转动了一个角度，使接合套的齿端斜面压住同步环的齿端斜面（如图6）。

随着力F的不断作用，工作锥面上的摩擦力矩不断增加，当摩擦力矩达到等于
输入端的惯性矩时，被连接两端的角速度相同，惯性力矩消失，摩擦力矩即刻为零。

但轴向力Fa仍起作用亦即在拨动力矩的作用下，将同步环连同输入端零件转动一角度，使锁止面脱开。

接合套即可自由地通过同步环进入齿轮的接合套完成换挡。

如图7。

滑块式同步器的另一种型式是目前南京汽车厂生产的依维柯（IVECO）变速器采用的短程同步器，见图8所示。

它与传统的滑块式同步器的区别：在于短程同步器相邻两档的同步环之间的距离，是滚子直径，滚子与两档同步环端隙和两同步环宽度之和。

而滑块式同步器的相邻两档同步器之间的距离比较长，其值取决于滑块长度，滑块和两同步器之间端
隙和两同步环之间端隙和两同步环剩余宽度之和。

滑块式同步器长度需要20mm左右，而短程同步器的滚子直径只需8mm。

因此与相同容量的同步器相比，短程同步器比滑块式同步器至少要短4mm。

此外，短程同步器的同步环与接合套两接合齿之间的原始位置设计得比较紧凑。

在未开始换挡时，接合套和同步环接合齿之间的间隙为B，而当移动接合套带动滚子压推同步环时，接合套与同步环接合齿尖部之间仍有a—B的间隙（a为滚子和同步环之间的空当位时的单边间隙）。

不致于造成在分度前与接合齿锁止面贴合。

在短程同步器的同步环上，不但采用钢质喷钼材料，提高了摩擦系数。

而且还合理地开有24条刮油槽，提高了同步环的使用性能。

同时在齿轮接合齿圈锥面上，采用螺距大、齿顶宽、齿槽深的螺旋槽。

使摩擦面积增加，不易过热。

现将短程同步器与滑块式同步器螺旋槽参数比较尖表1
3.2双锥同步器的结构特点
双锥同步器，解决了现有技术中单环同步器容量小、结构庞大、可靠性差的问题。

双锥同步器从外到内由外环、中间环、内环构成，中间环与外环、内环的配合面皆为锥面，中间环上沿圆周方向均布有六个凸爪，安装在齿轮端面的六个凹槽中，本技术方案中同步环的摩擦介质材料可为树脂、钼及粉末冶金，适应不同的工况使用。

双锥同步器与现有技术的单环同步器相比结构紧凑、容量大，使用可使变速箱整体结构变小、重量减轻、经济性提高。

四．同步器的主要参数及对同步性能的影响
4.1、同步器的主要参数：
4.2结构参数对同步器性能的影响
，对任何摩擦式同步器来说，均可用换档力F和同步时问t；的乘积(称换档冲量)来评价其性能的好坏。

很明显，最理想的同步器是既省力又能快速实现同步。

也就是说，冲量值越小，同步器的性能越好
4.2.1减小锥面角锥角越小则同步力矩Tc越大。

但锥角过小时，容易产生粘附和楔死现象。

通常取“一6度～7.5度。

可是6度锥角，若锥面粗糙度没有严格控制，则有粘着和楔死的危险。

7度锥角在相同粗糙度产生相同摩擦系数情况下，很少产生楔死现象。

所以同步环的内锥面应与锥毂的锥面精确配合，严格控制制造公差。

用量规检查时，其接触面积应不少于总面积的80％。

4．2.2．增加同步器平均摩擦半径R。

通常，锁销式同步器的D/A(D一锥面平均摩擦直径；A一变速器孔中心距)约在1.0—1.2范围内；而滑块式同步器只有0.9
—1.0，个别达到1.1。

所以一般说来锁销式同步器具有较大的扭矩容量。

4 .2.3增大摩擦系数。

这是一个非常复杂的因素，而且是影响同步器性能的关键。

平均摩擦系数的大小与率擦副的材料、润滑油的种类、同步器的结构以及加工质量等密切相关。

前已提及，在结构参数和使用条件一定的情况下，换档冲骷与摩擦系数成反比。

4.3 其他因素对同步器性能的影响
润滑油对同步器性能影响极大。

变速器的阻力矩和同步器的摩擦系数受润滑油的影响。

润滑油常常由一种矿物油作基剂加上专用的添加剂组成。

润滑油的粘度影响同步初期的刮油速度。

粘度过大时，同步环的螺纹不能及时破坏工作表面上的油膜。

因此，不能快速提供足够大的摩擦系数而导致撞击。

冷变速器在向上换高档时，也常出现撞击现象就是这个原因。

此外，粘度过大必然增加换挡阻力，为向下换低档带来困难。

由于搅油产生的阻力矩是同步器必须消耗的功率。

搅油消耗常常使齿轮系转得慢些。

因此，再换高档时，搅油损耗扭矩常常有助于齿轮同步。

而换低档时，齿轮系速度增加。

在给定的油的粘度、数量（升）和温度时搅油损耗扭矩的增加与驱动小齿轮的转速成正比。

搅油损耗也随着变速器内油量的增加而增大。

大多数变速器加油到中间轴小齿轮半径的1/3~1/2处。

考虑到齿轮噪音和边界润滑，油位在具体的变速器中是各不相同的。

另外，变速器的加油量对温升也很敏感，高油面温升大。

由于油过热后会变质，不能承受压力，同时添加剂也会分解，降低变速器使用寿命。

五．同步器常见故障
同步器的结构复杂，失效的形式很多，主要有：A）、同步环断裂（图1）
B）、同步器散架﹙图2﹚
C）、琐销断裂﹙图3﹚
D）锁环断裂﹙图4﹚
E）、同步器磨损﹙图5﹚
同步环断裂（图1）
、同步器散架﹙图2﹚
锁销断裂﹙图3﹚
锁环断裂﹙图4﹚
同步器磨损﹙图5﹚
六．变速箱1/2档同步器的设计
6.1整车参数的确定：（已知条件）
1.发动机转速：2200r∕min
2.从动盘的转动惯量：49000Kgmm²
3.汽车的总质量：10t
3整车操纵杠杆比、传动效率：6.54; 0.8
4、变速箱参数：速比，各档齿数
超速档速比：
主4 I8 0.79 主3 I7 1.00 主2 I6 1.53 主1 I5 2.33 副低档I4 3.24
I3 4.10
I2 6.28
I1 9.56 超速档各档齿数：
直接档速比：
主4 I8 1.000 主3 I7 1.336 主2 I6 1.916 主1 I5 2.893 副低档I4 3.776
I3 5.045 I2 7.233
I1
10.924
直接档齿数：
6.2同步器参数的确定
1.磨擦锥角（α，约7-8度，α应大于磨擦角θ，tg θ=μ） 2．磨擦材料及其磨擦系数
同步器锥环材料为 铜环：0.06—0.10 钢-铜 μ为0.08—0.12 3．锥面半径R *sin *Mm a R F μ=
如果R 的数值较大，超出了变速器的允许可能，则需要改变同步器方式或采用双锥同步器。

4．同步环的宽度B
根据磨擦体的许用压应力[p]来定：
2
2[]Mm
B p R πμ=
青铜：[p]=1~1.5MPa 喷钼：[p]=1.2~2MPa
也可以用经验公式：B=（0.25~0.4）R 锁环式 B=（0.14~0.2）R 锁销式
5．锁止角β——接合齿侧两端部倒角 同步器的锁止条件：Mm>M T
在同步过程中，要Mm 始终大于拨环力矩M T ，防止齿套 过。

图三所示为接合齿面接触时受力分析图
换档力F ，由接合齿面上的正向压力W 和面角β表示： 即为：
sin cos (sin cos ) (1)
t t F W F W βμβ
βμβ=+=+
此时切向力Ft 可以用下式表达：
cos sin (cos sin )..............(2)t B t B F W W F W βμβ
βμβ=-=-
从（1）中可以得到
(sin cos )...............(3)t F
W M ββ=+
将（3）代入（2）得：
(cos sin )
sin cos B T T F F βμββμβ
-=
+
则有在F T 作用F 产生的分力矩M T
(cos sin )
sin cos B B T T B B FR M F R βμββμβ
-==
+
设μ
B =0，
cos
(4)
sin
B
T
FR
M
β
β
=
图四为锁环式同步器的工作情况
锁止角β的作用，就是防止在没有同步时在M
T
的作用下，使锥环转动而失效。

则应有Mm>M
T
，同步力矩大于拨环力矩，使之不能转动。

故设：
cos cos sin
B
FR
F R
a
βμ
β
=
故：
sin
B
R a tg
R
β
μ
=
2105~125
β=︒︒之间
8°的前角（图五）
注意：
1）、β过小，产生冲击
2）、β过大，会造成锁式换档困难
3）、锁环和齿套的倒角要一致。

6.3同步器的主要参数：
6.3.1同步器主要结构参数
6.3.2同步器输入端各转动零件的转动惯量转换为第一轴的转动惯量
6.4同步惯量J的计算
变速器内每一个转动零件的物理特性是转动惯量，它通常是用扭摆法求得，如图27所示
J=t².τ／4π²
式中：t—摆动周期（s）
τ—金属丝常数（扭角按扭矩给定）
倘若零件还未制成，通常是把零件分解为标准的几何体，并用数学法合成求出转动惯量值。

对圆柱体盘式零件的转动惯量公式为：
实心：J=QD²∕8g=r.π∕32g.D².L(g.cm.s²)
空心：J=Q∕8g（D²-d²）=r.π∕32g(D²+d²)（D²-d²）；(gsms²)
式中：Q—零件的质量（g）
D—零件的外径（cm）
d—零件的内径（cm）
g—重力度（980cm／s²）
t—材料重度（对于钢件r=7.85g／s²）
L—零件的长度（cm）
前已提及，换挡过程中依靠同步器改变转速的零件统称为输入端零件。

通常在固定轴式变速的结构中，它包括第一轴，装在第一轴上的离合器从动片，中间轴以及与中间轴齿轮相啮合的第二轴上的常啮合齿轮。

它们的转动惯量计算是首先求得
有关零件的转动惯量，然后再按不同的档位转换到被同步的零件上。

JR=Jji²
式中：JR—转换转动惯量（g.cm²）
Jj—零件的转动惯量gcms2
总转动惯量：
∑J=∑Jj+JR
现以四档变速箱为例对其一档转动惯量进行计算：
一档： J=QD²∕8g=r.π∕32g.D².L(g.cm.s²)
J=QD²∕8g
J=2540×(2×67)²∕8×980
J=2966.07
其他计算同理可得：(见表一)
表一
同步器输入端各转动零件的转动惯量转换为第一轴的转动惯量（见表二）：（注：公式JR=Jji²）
表二
总论
时间过的很快，不知不觉三个月的毕业设计就结束了。

从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。

历经了两个多月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。

回想这段日子的经历和感受，让我感慨万千，我的毕业课题有幸在东风变速器有限公司做，这次的毕业设计使我拥有了无数难忘的回忆和收获，在整个过程中，使我受益匪浅。

在与朱老师的交流讨论中我的题目定了下来，是：DF5S470变速箱同步器的设计，当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。

我将这一困难告诉了朱老师师，在朱老师细心的指导下，终于使我对自己现在的写作方向和方法有了掌握。

在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。

在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成形。

脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。

我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也对我未来的学习和工作打下了坚实的基础。

在这次毕业设计中也使我和同学关系更进一步了，他们都热心的帮助我，有什么不懂的大家在一起商量，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

在此更要感谢我的导师朱海涛老师和汽车教研室的杨主任，是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。

在我的论文写作过程无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。

杨主任的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。

从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。

在此我要向我的老师师致以最衷心的感谢和深深的敬意。

致谢
通过两个多月的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，由于经验的缺乏，有许多考虑不全的地方，如果没有朱海涛老师的细心指导和同学们的帮助，我想这次的论文完成会有很大的难度。

在这里首先要感谢我的导师朱海涛老师。

朱老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从题目的确定到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，绘制零件图等整个过程中都给予了我细心的指导直到论文的完成。

我的设计较为复杂烦琐，但是朱老师仍然细心地为我纠正错误。

除了朱老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

在此致以衷心的感谢和崇高的敬意!
其次要感谢汽车教研室杨主任的帮助和支持，还要感谢和我一起完成这次毕业设计的同学，他们在本次的毕业设计过程中勤奋的工作，互相帮助，完成了很多的工作量，并且对我提出了很多的宝贵意见，加快了论文的完成速度和质量。

如果没有他们的努力工作，此次设计的完成将变得非常困难。

最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示衷心感谢和崇高的敬意！
参考文献
（1）东风变速器网：http∥www．Dfmbsx．com
（2）陈家瑞．汽车构造，（第三版）下册，机械工业出版社（3）公司内变速箱设计技术文件，东风变速箱有限公司技术开发部（4）技术中心设计技术文件，东风汽车公司工程研究院
（5）高维山. 变速箱，人民交通出版社
（6）马超圣．汽车变速器同步器
（7）东风汽车公司变速箱资料
（8）赵应勋，汽车检测与诊断技术，机械工业出版社
（9）机械式变速箱与整车匹配的探讨，网上论文
（10）汽车论坛，网上资料。