变速箱同步器设计对汽车换档性能的影响

变速箱同步器设计对汽车换档性能的影响

中国第一汽车集团哈尔滨变速箱厂发展开发部·佟晓刚

一、前言：

随着汽车市场竞争的日益激烈，用户对汽车性能要求的不断提高，变速箱的换档灵活性也就成为评定汽车性能的一个重要指标，那么如何对同步器进行设计，来提高变速器的换档性能，下面对此做一简要阐述。二、同步器的作用：

在以前普通的齿轮变速器中，从一个档位换到另一个档位时，由于换档时要进行啮合的一对齿轮或啮合套的线速度不相等，所以在啮合时要产生冲击，引起噪声，甚至损坏齿轮，故这种变速器现在已被淘汰．现在生产的变速器大多采用惯性锁止式同步器，它是利用要结合的转动件的转速不同时所产生的惯性力矩，来阻止它们的不同步啮合，只有要结合的转动件的转速相等时，才能啮合，同时，它还大大地缩短了换档时间。

三、惯性锁止式同步器的工作原理

以CA５－１６变速箱三档挂四档为例，见图：

CA5—16变速箱三四档同步器

当齿套3在拨叉的作用下摘下了3档,并挂4档时,同步器滑块4在支撑弹簧5的作用下跟随齿套3一起向左移动,从而同步器滑块4推动同步器锥环2靠在锥体1上。由于同步器锥体与同步环以不同的角速度运转(锥体转速大于同步环转速),锥体便对同步环产生一个摩擦力，在这个摩擦力的作用下,使同步环上的凸台紧靠在齿座6凹槽的端面上,这时齿套上的花键与同步环上的花键正好错开一个1/4齿距,从而阻止了不同步啮合(见图1)。在拨叉力的作用下,同步环与锥体产生的摩擦力使锥体1及相连各件逐步与同步环的转速达到同步,这时锥体与同步环间的摩擦力消失,在锥体以同步环相接触的锁止角斜面间产生了一个拨正力矩,拨动同步环转动一个角度,在齿套轴向力的作用下,齿套3压下同步器滑块4,并越过同步环与锥体,从而达到同步换档（见图2）。

图1 图2

三、 同步过程的理论分析

一般汽车变速器中的同步器可由以下简图表示：

同步器系统简图

图中Ｊｃ－第一轴和离合器从动片等零件转化到轴１上的当量转动惯量

ωｃ－输入角速度

Ｍｃ－离合器及变速器阻力矩

Ｊｖ－汽车惯量转化到轴２上的当量转动惯量

ωＶ－输出角速度

ＭＶ－汽车行驶阻力矩

ＭＳ－同步力矩

由于汽车的质量很大，所以把汽车转化到二轴上的当量转动惯量Ｊｖ当做无穷大，而汽车行驶阻力矩可当做无穷小，输出角速度ωＶ则为常数。

根据牛顿第二定律 t J M ∆∆=ω

①

式中Ｍ－同步力矩，Ｊ－系统的转动惯量

Δω－角速度的变化量，Δｔ－时间变化量．

所以同步力矩和同步时间的关系可用下式表示：

±ＭＳ＋ＭＣ＝ωＪＣ（ｒ－１）／Δｔ ②

或Δｔ＝ωＪＣ（ｒ－１）／（±ＭＳ＋ＭＣ） ③

式中ＭＳ－同步力矩，ＭＣ－离合器阻力矩

ω－变速器输出端（二轴）的角速度

ＪＣ－离合器及第一轴等件转化到二轴上的当量转动惯量

Δｔ－同步时间

ｒ＝同步器输入端的初角速度/ 同步器输出端的初角速度=同步器输出端档位传动比/同步器输入端档位传动比

＂＋＂号用于低速变高速，＂－＂号用于高速变低速

五、提高变速器换档性能的途径

现在人们对汽车的换档性能要求越来越高,也就是以较小的换档杆推力得到较小的Δｔ值。

由式③可知:

变速器输出端(二轴)的角速度ω一般不因设计而变动,所以只有改变JC、r、MS、MC四个参数才能改变同步时间Δｔ,下面就这四个参数分别做以阐述:

1、尽量降低当量转动惯量JC

由于JC=ΣmR2·i2

mR2为被同步各件的实际转动惯量,i为各件转化到二轴上的速比.所以档位越低,JC越大,同步时间越长,即挂低档比高档困难。

由于mR2和i受变速器的固有特性的影响,一般不能随意改变,只有减少被同步件的数量才能降低当量转动惯量JC。如我厂生产的CA5-23和CA5-16相比，CA5-23变速箱二轴五速、中间轴五速、倒车惰轮、二轴倒车齿轮都不参加常啮合,少了四个件的转动惯量,因此CA5-23在换档性能上要优越于CA5-16，见图。

2.相邻两档速比的比值r不能取太大,一般应取1.25-1.7。对于重型变速箱,由于JC的增大,只有降低r,才能改善换档性能,一般是通过增加变速箱档位数来降低r,重型汽车的档位一般采用6-10个前进档。

3.降低离合器及变速箱的阻力矩MC

变速箱在从高档挂低档时,阻力矩MC起负作用,要尽量减小阻力矩。变速箱的阻力矩主要受润滑油的阻力和轴承的摩擦阻力的影响。因此,二轴与中间轴上下布置比水平布置所受的阻力要小,另外,润滑油在保证润滑的情况下,尽量要小。对于使用圆锥滚子轴承的变速箱,轴承间隙的调整要适当,预紧力不能过大。

M

4.增大同步力矩MS及拨正力矩

1

同步力矩MS=FR2(cosβ-μ2sinβ)/(sinβ+μ2cosβ)

F-叉轴上的换档力, R2-齿套分度圆半径

μ2-齿套与同步环间的摩擦系数,β-齿套锁止角

换档力F受变速箱换档性能的要求,不能增大,齿套与同步环间的摩擦系数μ2是材料的固有特性,可当做常数,所以可加大齿套分度圆直径和减小锁止角β。但同步力矩MS不能任意增大,它必须小于锁止力矩M1,即MS

M1=Fμ1R1/sinα

F-叉轴上的换档力, μ1-同步环与锥面间的摩擦系数

R1-锥面平均半径, α-同步环锥角

因此,要提高同步力矩MS,必须提高锁止力矩M1,可采用以下设计方法:

①尽量减小同步环锁止角α

而tgα<μ,否则会出现同步环与锥体抱死分不开现象,因此,同步环锥角一般取6-7°。

②同步环与锥体间必须保证有稳定的摩擦系数,否则会出现换档冲击或抱死现象。可通过在同步环上开螺纹及排油槽,严格控制锥体的圆度、锥度、和表面粗慥度等方法保证。

③增大锥体平均半径R1

一般变速器中的同步器采用的是滑块式同步器,由于结构所限制锥体平均半径R1小于齿套分度圆半径R2,因此限制了锁止力矩M1。而锁销式同步器由于摩擦锥面的平均半径可以作得较大,所以它可以产生较大的锁止力矩,从而可获得较大的同步力矩,中、重型汽车低速档一般都采用锁销式同步器。

④增加摩擦锥面的数量

单锥面同步器虽然具有结构简单紧凑、使用可靠、造价低等优点,但其同步力矩必定有限,因此可通过增加同步器摩擦锥面数量的方法来提高同步力矩,一般双锥同步器可提高同步力矩一倍,三锥同步器可提高同步力矩二