第五节 同步器的设计

(3-22)
F2 为 因 锁 止 面 倾 斜 而 产 生 的 力 F2 F tan
式中， r 为锁止面平均半径； 为锁止面锁止角。 将 式 (3-22)、 式 (3-23)代 人 式 (3-21)中 得 到 (3-23)
FfR F tan r sin
因此，欲保证锁止和滑动齿套不能继续移动，必须满足如下条件
第五节 同步器设计
同步器有常压式、惯性式和惯性增力式三种。常压式同步器结构虽然简单，但有不能保 证啮合件在同步状态下(即角速度相等)换挡的缺点， 现已不用。 得到广泛应用的是惯性式同 步器。 一、惯性式同步器 惯性式同步器能做到换挡时两换挡元件之间的角速度达到完全相等之前，不允许换挡， 因而能完善地完成同步器的功能和实现对同步器的基本要求。 按结构分，惯性式同步器有锁销式、滑块式、锁环式、多片式和多锥式几种。虽然它们 的结构不同，但都有摩擦元件、锁止元件和弹性元件。 图3—17a所示锁销式同步器的摩擦元件是同步环2和齿轮3上的凸肩部分， 分别在它们的 内圈和外圈设计有相互接触的锥形摩擦面。锁止元件位于滑动齿套1的圆盘部分孔中做出的 锥形肩角和装在上述孔中、 在中部位置处有相同角度的斜面锁销4。 锁销与同步环2刚性连接。 弹性元件是位于滑动齿套1圆盘部分径向孔中的弹簧7。在空挡位置，钢球5在弹簧压力作用 下处在销6的凹槽中，使之保持滑动齿套与同步环之间没有相对移动。滑动齿套与同步环之 间为弹性连接。 图3—17b所示锁环式同步器摩擦元件， 是通过滑动齿套8及锁环9上的锥面来 实现的。 作为锁止元件是锁环9的内齿和做在齿轮10上的接合齿端部。 齿轮10和锁环9之间是 弹性连接。
2．同步环主要尺寸的确定 (1)同步环锥面上的螺纹槽 如果螺纹槽螺线的顶部设计得窄些，则刮去存在于摩擦锥面之间的油膜效果好。但顶 部宽度过窄会影响接触面压强，使磨损加快。试验还证明：螺纹的齿顶宽对 f 的影响很大，
f 随齿顶的磨损而降低，换挡费力，故齿顶宽不易过大。螺纹槽设计得大些，可使被刮下
来的油存于螺纹之间的间隙中，但螺距增大又会使接触面减少，增加磨损速度。图3—20a 中给出的尺寸适用于轻、中型汽车；图3—20b则适用于重型汽车。通常轴向泄油槽为6～12 个，槽宽3～4mm。 (2)锥面半锥角 摩擦锥面半锥角 越小，摩擦力矩越大。但 过小则摩擦锥面将产生自锁现象，避免 自锁的条件是tana≥ f 。一般取 =6°～8°。 =6°时，摩擦力矩较大，但在锥面的表面 粗糙度控制不严时，则有粘着和咬住的倾向；在 =7°时就很少出现咬住现象。 (3)摩擦锥面平均半径R R设计得越大，则摩擦力矩越大。R往往受结构限制，包括变速器中心距及相关零件的尺 寸和布置的限制，以及R取大以后还会影响到同步环径向厚度尺寸要取小的约束，故不能取 大。原则上是在可能的条件下，尽可能将R取大些。 (4)锥面工作长度b 缩短锥面工作长度b(图3—17)，便使变速器的轴向长度缩短，但同时也减少了锥面的工 作面积，增加了单位压力并使磨损加速。设计时可根据下式计算确定b ，
上所示的锁止位置。此时锁止面接触，阻止了滑动齿套向换挡方向移动。第二阶段：来自手 柄传至换挡拨叉并作用在滑动齿套上的力F，经过锁止元件又作用到摩擦面上。由于，ω3 和ωl不等，在上述表面产生摩擦力。滑动齿套1和齿轮3分别与整车和变速器输入轴转动零 件相连接。于是，在摩擦力矩作用下，滑动齿套1和齿轮3的转速逐渐接近，其角速度差 Δω=|ω1-ω3|减小了。在Δω=0瞬间同步过程结束。第三阶段：Δω=0，摩擦力矩消失， 而轴向力F仍作用在锁止元件上，使之解除锁止状态，此时滑动齿套和锁销上的斜面相对移 动，从而使滑动齿套占据了换挡位置。 三、主要参数的确定 1．摩擦系数 f 汽车在行驶过程中换挡，特别是在高挡区换挡次数较多，意味着同步器工作频繁。同 步器是在同步环与连接齿轮之间存在角速度差的条件下工作，要求同步环有足够的使用寿 命，应当选用耐磨性能良好的材料。为了获得较大的摩擦力矩，又要求用摩擦因数大而且性 能稳定的材料制作同步环。另一方面，同步器在油中工作，使摩擦因数减小，这就为设计工 作带来困难。 摩擦因数除与选用的材料有关外，还与工作面的表面粗糙度、润滑油种类和温度等因素 有关。作为与同步环锥面接触的齿轮上的锥面部分与齿轮做成一体，用低碳合金钢制成。对 锥面的表面粗糙度要求较高， 用来保证在使用过程中摩擦因数变化小。 若锥面的表面粗糙度 差，在使用初期容易损害同步环锥面。 同步环常选用能保证具有足够高的强度和硬度、耐磨性能良好的黄铜合金制造，如锰黄 铜、铝黄铜和锡黄铜等。早期用青铜合金制造的同步环因使用寿命短，已遭淘汰。 由黄铜合金与钢材构成的摩擦副，在油中工作的摩擦因数 f 取为0.1。 摩擦因数 f 对换挡齿轮和轴的角速度能迅速达到相同有重要作用。摩擦因数大，换挡省 力或缩短同步时间；摩擦因数小则反之，甚至失去同步作用。为此，在同步环锥面处制有破 坏油膜的细牙螺纹槽及与螺纹槽垂直的泄油槽，用来保证摩擦面之间有足够的摩擦因数。
Mm
( b a ) J r Jr t t
(3-16)
1 Jr ( e e ) t ik 1 i k
J r e 1 1 ( ) t ik 1 ik
(3-17)
式中， J r 为离合器从动盘、第一轴和与第二轴常啮合齿轮连接在一起转动的齿轮的转 动惯量； e 为发动机的角速度； a 为在第K挡工作时变速器输出轴角速度； b 为第k+1挡 wenku.baidu.com输出轴上齿轮的角速度； ik 、 ik 1 为变速器第k和k+1挡的传动比。 另一方面， 设换挡时作用在变速杆手柄上的法向力为 FS ， (对轿车和大客车， 取 FS =60N； 对货车，取 FS =100N)，变速杆手柄到啮合套的传动比为 i gs ，则作用在同步器摩擦锥面上的 轴向力 F 应为
锁止角 选取的正确，可以保证只有在换档的两个部分之间角速度差达到零值才能进行 换档。影响锁止角 选取的因素主要有摩擦因数 f 擦锥面的平均半径 R,锁止面平均半径和 锥面半锥角 。已有结构的锁止角在 26˚~46˚范围内变化。 4．同步时间 t 同步器工作时，要连接的两个部分达到同步的时间越短越好。除去同步器的结构尺寸， 转动惯量对同步时间有影响以外， 变速器输入轴， 输出轴的角速度差及作用在同步器摩擦追 面上的轴向力，均对同步时间有影响。轴向力大，同步时间减少。而轴向力与作用在变速杆 手柄上的力有关，不同车型要求作用到手柄上的力也不相同。为此，同步时间与车型有关， 计算时可在下属范围内选取：对轿车变速器高档取 0.15~0.30s,低档取 0~0.80s;对货车变速器 高档取 0.30~0.80s，低档取 1.00~1.50s. 5．转动惯量的计算 换档过程中依靠同步器改变转速的零件统称为输入端零件， 它包括第一轴及离合器的从 动盘，中间轴及其上的齿轮，与中间轴上齿轮相啮合的第二周上的常啮合齿轮。其转动惯量 的计算：首先求得各零件的转动惯量，然后按不同档位转换到被同步的零件上。对已有的零 件， 其转动惯量值通常用扭摆法测出;若零件未制成,可将这些零件分解为标准的几何体,并按 数学公式合成求出转动惯量。
b
Mm 2pfR 2
（5）同步环径向厚度与摩擦锥面平均半径一样，同步环的径向厚度要受机构布置上的 限制，包括变速器中心距及相关零件特别是锥面平均半径和布置上的限制，不宜取很厚，但 是同步环的径向厚度必须保证同步环有足够的强度。 轿车同步环厚度比货车小些， 应选用锻件或精密锻造工艺加工制成， 可提高材料的屈服 强度和疲劳寿命。货车同步环可用压铸加工。段造时选用锰黄铜等材料。有的变速器用高强 度，高耐磨性的钢配合的摩擦副，即在钢质或球墨铸铁同步环的锥面上喷镀一层钼（厚约 0.3～0.5mm） ，使其摩擦因数在钢与铜合金摩擦副范围内，而耐磨性和强度有显著提高。也 有的同步环是在铜环基体的锥空表面喷上厚 0.07～0.12mm 的钼制成。喷钼环的寿命是铜环 的 2～3 倍。以钢质为基体的同步环不仅可以节约铜，还可以提高同步环的强度。 3．锁止角
(3-20)
以图3-21所示同步器结构为例，分析研究同步器应满足的锁止条件。 为防止连接件在转动角速度相等以前接合换挡，必须满足下述条件
F1 F2
(3-21)
式 中 ， F1 为 由 摩 擦 力 矩 M m 产 生 的 ， 用 来 防 止 过 早 换 挡 的 力
F1
Mm FfR r r sin
F FS i gs
式中， 为换挡机构传动效率。 由此可算得工作面上的摩擦力矩 M m 为
(3-18)
Mm
FfR sin
(3-19)
式中， 为摩擦锥面半锥角； f 为工作锥面间的摩擦因数；R为摩擦锥面平均半径。 同步时的摩擦力矩方程式为
J FfR 1 1 = r e ( ) sin t ik 1 ik t J r e sin 1 1 ( ) FfR ik 1 ik
四. 同步器的计算
同步器的计算目的是确定摩擦锥面和锁止角的角度， 这些角度是用来保证在满足连接健 角速度完全相等以前不能进行换档时所应满足的条件， 以及计算摩擦力矩和同步时间。 换档 第一阶段，处于空当瞬间，考虑到润滑油阻力在常温下对齿轮转速的降低作用可忽略不计， 并假设汽车在阻力不大的道路上行驶， 同时时间不大于一秒， 则认为在该瞬间汽车速度保持 不变，即变速器输出端转换于换档瞬间不变，而输入端靠摩擦作用达到与输出端同步。如上 所述，换档时为保证没有冲击的将齿轮和轴连接起来，必使它们的转动角速度相等。摩擦力 矩 M m 计算如下
由于锥表面的有效摩擦面积成倍地增加， 同步转矩(在同步器摩擦锥面上产生的摩擦力 矩)也相应增加，因而具有较大的转矩容量和低热负荷。这不但改善了同步效能，增加了可 靠性，而且使换挡力大为减小。若保持换挡力不变，则可缩短同步时间。多锥式同步器多用 于重型货车的主、副变速器以及分动器中。 惯性增力式同步器又称为波舍(Porsehe)式同步器，见图3—19。它能可靠地保证只在同 步状态下实现换挡。 只要啮合套和换挡齿轮之间存在转速差， 弹簧片的支承力就阻止同步环 缩小，从而也就阻止了啮合套移动。只有在转速差为零时，弹簧片才卸除载荷，于是对同步 环直径的缩小失去阻力，这样才可能实现换挡。波舍式同步器的摩擦力矩大、结构简单、工 作可靠、轴向尺寸短，适用于货车变速器。 二、同步器工作原理 同步器换挡过程由三个阶段组成。第一阶段：同步器离开中间位置，做轴向移动并靠在 摩擦面上。摩擦面相互接触瞬间，如图3—17a所示，由于齿轮3的角速度ω3，和滑动齿套1 的角速度ωl不同，在摩擦力矩作用下锁销4相对滑动齿套1转动一个不大的角度，并占据图
在惯性式同步器中b弹性元件的重要性仅次于摩擦元件和锁止元件，它用来使有关部分 保持在中立位置的同时，又不妨碍锁止、解除锁止和完成换挡的进行。 锁销式同步器的优点是零件数量少，摩擦锥面平均半径较大，使转矩容量增加。这种同 步器轴向尺寸长是它的缺点。锁销式同步器多用于中、重型货车的变速器中。 滑块式同步器本质上是锁环式同步器，它工作可靠、零件耐用；但因结构布置上的限制， 转矩容量不大，而且由于锁止面在同步锥环的接合齿上，会因齿端磨损而失效，因而主要用 于轿车和轻型货车变速器中。 多锥式同步器的锁止面仍在同步环的接合齿上，只是在原有的两个锥面之间再插入两个 辅助同步锥，如图3—18所示。
tan
fR r sin
(3-24)