手動變速器同步器精講

同步器一、概述二、常用同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理三、慣性式同步器理論分析四、鎖環(huán)式同步器的設計計算一、概述1886年卡爾.本次第一輛汽車1889年戴姆勒使汽車實現(xiàn)用齒輪換擋標致公司變速器研制成功1912年Humohries理論上提出用摩擦力實現(xiàn)同步1926年凱迪拉克正式在變速器內(nèi)裝上同步器二、常用同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理1、兩腳離合器時代

兩腳離合器的工作原理：以四檔變速器為例（圖一），汽車原來使用二檔行駛，現(xiàn)在轉(zhuǎn)變?yōu)槿龣n。換擋時VP3>VS3。如圖二，在tx時刻VP3=VS3.所以在此時可實現(xiàn)平穩(wěn)換擋。圖一圖二輸入輸出從二檔換到一檔：換擋時VS1>VS2，此時在踩離合后，齒輪S1和P1不會有共同的線速度。解決方法是踩離合器----掛入空擋----松離合器----踩油門（提升P軸速度）----VS2>VS1（圖三b點）----松油門----踩離合器----掛檔（圖三c點）

這就是兩腳離合器的工作原理。圖一圖三輸出輸入兩腳離合器的操作對駕駛員的駕駛技術有很高的要求，并且會耗費很多的體力，勞動強度較大。并且再優(yōu)秀的駕駛員也不能保證換擋時的完全同步，所以對變速箱的性能和壽命等等都有很大的影響。2、常壓式同步器常壓式同步器是早期的同步器，由于他不能完全解決同步的問題，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰。對常壓式同步器工作原理的了解，有助于對現(xiàn)代同步器的理解。常壓式同步器的工作原理圖四3結(jié)合齒圈5限制鋼球14齒轂16結(jié)合套換擋力----16結(jié)合套----鋼球----14齒轂----齒轂和齒圈的錐體接觸（產(chǎn)生摩擦力，在摩擦力矩的作用下逐漸實現(xiàn)同步）----換擋力克服彈簧彈力----鋼球從16結(jié)合套的凹槽中彈起----16結(jié)合套花鍵和3齒圈嚙合----完成換擋。常壓式同步器的問題在于，檔換擋力克服了彈簧的彈力，鋼球從結(jié)合套凹槽中彈起，此時不管兩錐面是否達到同步，結(jié)合套都將和齒轂結(jié)合。所以他仍然不能實現(xiàn)完全同步。常壓式同步器雖然不能完全的解決換擋時的同步問題，但是它的應用對駕駛員的駕駛技術要求沒有像兩腳離合器那么高，駕駛的舒適性有了很大的提高，并且變速箱的性能和壽命等都有了很大的提高。它的出現(xiàn)在汽車發(fā)展的歷史上有著重要的意義！3、慣性式同步器現(xiàn)代變速器中所用的同步器都是慣性式同步器（也叫慣性鎖止式同步器）。他們的結(jié)構(gòu)雖然有所不同，但是他們的理論依據(jù)都是一樣的。慣性鎖止式同步器能確保同步換擋。按照結(jié)構(gòu)，慣性鎖止式同步器可分大致分為鎖環(huán)式和鎖銷式兩類。1）、鎖環(huán)式慣性同步器鎖環(huán)式慣性同步器是最常用的一種同步器。圖五1-第一軸常嚙合齒輪3、7-齒圈4、6-鎖止齒5-滑塊8、10-第二軸二檔齒輪9-第二軸11、17-同步環(huán)13-彈簧14-齒轂16-嚙合套18-錐體此種同步器，結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸較小，使用可靠性、工藝性好。但摩擦錐面受其尺寸的限制不能太大，而齒輪的直徑比摩擦錐面直徑大，故有較大的轉(zhuǎn)動慣量，同步時間長。圖六鎖環(huán)式慣性同步器換擋過稱1、換當前2、換擋3、同步4、換擋完成圖七在換擋力的作用下，同步齒環(huán)的斜面受一個正壓力N，其軸向分力S=Nxcosβ，切向分力T=Nxsinβ。力S推動同步環(huán)，使同步錐面之間形成正壓力。由于轉(zhuǎn)速差的存在，兩錐面間產(chǎn)生摩擦力矩。力T則形成一個撥環(huán)力矩，撥環(huán)力矩力圖使同步環(huán)脫離鎖止面，但同步錐體上摩擦力矩卻要阻止同步環(huán)反轉(zhuǎn)。只要在設計時保證摩擦力矩Mf大于撥環(huán)力矩，就能保證鎖止面始終靠緊，從而阻止齒套移動。當換擋力的不斷增加，摩擦力矩也能克服輸入端的慣性時，兩錐體之間的速度差為零，此時摩擦力矩將變?yōu)榱?。在撥環(huán)力矩的作用下同步環(huán)轉(zhuǎn)動一個小的角度，使兩鎖止面分開，此時齒套就可以自由的通過同步環(huán)而與齒輪上的結(jié)合齒嚙合，完成換擋。2）、鎖銷式慣性同步器圖八鎖銷式慣性同步器1-第一軸齒輪6-鎖銷9-第二軸11-同步環(huán)14-齒轂16-嚙合套21-彈簧與鎖環(huán)式相比，鎖銷式同步器由于錐面半徑可以做的較大，所以它可具有較大的同步力矩，縮短同步時間。因此這種同步器多用于中型和重型載貨車上。同步過程圖九綜上所述，慣性式鎖止同步器有兩重意思，第一是鎖止，即在輸入端和輸出端的速度未達到同步之前，同步器中有一種鎖止機構(gòu)來組織他們做剛性結(jié)合；第二是慣性，即利用作用在同步器輸入和輸出端之間的慣性力矩來實現(xiàn)這種鎖止。這個慣性力矩就是作用在錐面上的摩擦力矩，也叫同步力矩。凡是利用慣性力矩使鎖止裝置起作用的同步器都叫慣性鎖止式同步器。4、其他常用同步器1）、雙錐面和多錐面鎖環(huán)式同步器2）、增力式同步器（又稱波舍式同步器）三、慣性式同步器理論分析1、慣性式同步器系統(tǒng)簡圖圖十Jc—輸入端一軸和離合器從動片等零件的轉(zhuǎn)動慣量Mc—離合器阻力矩ωc—輸入端角速度Mf—同步環(huán)摩擦力矩Mv—汽車行駛阻力矩ωv—輸出端角速度Jv—輸出端轉(zhuǎn)動慣量圖十從系統(tǒng)簡圖中：ωv不變，同步摩擦力矩Mf需克服輸入端零件的慣性力矩Jc×dωc/dt,從而改變ωc，直到輸入端與輸出端同步。根據(jù)動量矩定理可列出下列方程式：Jc×dωc/dt–Mf=0（1）即：Mf=Jc×dωc/dt（2）設輸入端與輸出端的角速度差為Δω，同步時間為t，則此時的平均角加（減）速度為Δω/t,(2)式可寫成：Mf=Jc×Δω/t（3）2、同步摩擦力矩Mf計算：圖十一Mf=P×μ×R錐/Sinα(4)式中：P—作用在同步錐面軸向力μ—同步錐面間摩擦系數(shù)R錐—錐面平均半徑α—同步錐角由（3）式可得：P×μ×R錐/Sinα=Jc×Δω/t(5)上式稱為：同步器計算基本方程式。3、撥環(huán)力圖十二前已述，要是同步器能達到完全同步，摩擦力矩Mf必須大于撥環(huán)力矩。保證實現(xiàn)鎖止作用的條件：Mf≥N×sinβ×r鎖（6）式中：β—齒端斜面的斜角。r鎖—鎖止斜面的作用半徑。（齒套分度圓半徑）四、鎖環(huán)式同步器的設計計算已知條件：

離合器從動片結(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。匹配發(fā)動機最大功率時轉(zhuǎn)速。1）轉(zhuǎn)動慣量Jc的計算：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)動慣量Jc的計算步驟是：首先計算上述相關零部件的轉(zhuǎn)動慣量，而后按不同的檔位轉(zhuǎn)換到被同步的檔位齒輪上去。

1．同步器理論設計計算：圖十轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)換：基本公式為J換=J×i=J×主動齒輪齒數(shù)/從動齒輪齒數(shù)各檔的總轉(zhuǎn)動慣量ΣJ，需要將各相應零件的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)到被同步的零件上。ΣJ=J+J換2）角速度差Δω的計算：在理論設計計算中，一般是按角速度差的最大值計算。所以只有假設在兩個角速度中有一個是相當為發(fā)動機最大功率時的轉(zhuǎn)速的值，才是同步過程中的最大角速度差。計算時根據(jù)各種換擋的情況，按發(fā)動機最大功率時的轉(zhuǎn)速，通過各檔的轉(zhuǎn)速比，計算出輸入端和輸出端的最大角速度差Δωmax。2.鎖環(huán)式同步器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、尺寸設計計算：

根據(jù)同步器計算基本方程式（5）：

P×μ×R錐/Sinα=Jc×Δω/t按已知條件：同步器輸入端轉(zhuǎn)動慣量Jc、角速度Δω均可計算出，而同步時間t一般在同步器設計時可取t=0.5（S）。根據(jù)式（3），即可計算出所需的同步摩擦力矩Mf值。根據(jù)式（4）：Mf=P×μ×R錐/Sinα

其中：換檔力

P—為了換檔輕便，力P應有所控制。按汽車行業(yè)標準QC/T29063—1992中的有關規(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)μ：在同步器設計計算時一般可取μ=0.1

同步錐角α：同步摩擦力矩Mf可隨著α角減小而增大，但α角的極限取決于錐面角避免自鎖的條件，即：tgα≥μs（見后說明）根據(jù)式（4）：可得

R錐=Mf×sinα/P×μ（7）同步環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸的確定：（圖十三）

D—分度圓直徑φ—同步環(huán)大端直徑α—同步環(huán)錐面角B—同步環(huán)錐面寬由圖十三可推算出：φ=2R錐+B×tgα（8）設計時可按下式初步確定同步環(huán)接合齒分度圓直徑：D=φ/0.8～0.85

（9）設計時推薦按下述經(jīng)驗公式確定同步錐面寬：B=（0.25～0.40）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α：由式（4）Mf=P×μ×R錐/Sinα

可知，α越小則摩擦力矩Mf越大。但α小到一定程度時，將發(fā)生兩個摩擦錐面抱死分不開的現(xiàn)象。圖十四在兩錐面達到同步以后，這時換檔力P還在作用著（圖十四），則：

P=N×sinα+μs×N×cosα

式中：μs—兩錐面間的靜摩擦系數(shù)當完成同步換檔同步環(huán)內(nèi)錐面應脫離同步錐體外錐面，此時摩擦力μs×N的方向就反過來了（圖十五）。它又阻止同步環(huán)脫開。只有在保證下列條件時，才能避免兩錐面間發(fā)生抱死分不開的現(xiàn)象。即N×sinα＞μs×N×cosαtgα＞μs（11）圖十五由于摩擦系數(shù)μ在設計計算時推薦采用0.10，arctg0.1=5.71°。而μs比μ要大故錐面角α一般可取6°～7°30′。2）同步環(huán)徑向厚度w。

徑向厚度w和錐面平均半徑R一樣受結(jié)構(gòu)限制不能取太大。但w的大小須能承受錐環(huán)所受的切向拉應力。在結(jié)構(gòu)和成本允許范圍內(nèi)盡可能將w取大些。3）同步環(huán)錐面上的螺紋槽（圖十六）通常泄油槽為6-12個，槽寬3-4mm圖十六4）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6～9個。5）同步錐環(huán)鎖止角β鎖：在鎖環(huán)式同步器中設置鎖止角的目的有兩個：一、通過鎖止角斜面將換檔力傳至同步錐面上。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。

前已述，要使同步過程順利進行，必須使摩擦力矩Mf大于拔環(huán)力矩。圖十七為鎖環(huán)式同步器同步過程的受力分析。圖十七由圖十七可知：T=N×cosβN=P/sinβ∴T=P/tgβ

Mo=T×r鎖=P×r鎖/tgβ（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β—鎖止角r鎖—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Mf＞Mo由式（4）、（12）：P×μ×R錐/sinα＞P×r鎖/tgβ整理后：tgβ≥r鎖/R錐×sinα/μ（13）

在鎖環(huán)式同步器設計時鎖止角β選取為：β=52°—60°圖十七若考慮到鎖止斜面間的摩擦力，則由圖