一种无锁止齿的锁环式同步器同步理论分析

2014-12-31张发勇

机械工程与自动化 2014年5期

张发勇

（陕西法士特集团公司汽车传动工程研究院，陕西西安 710119）

0 引言

传统锁环式同步器利用同步环外周均布的几十个锁止齿来实现可靠锁止，以满足同步器的基本功能，但是这使得同步环的加工制造难度大大增加，加工成本也居高不下。在这种背景下，开发了一种无锁止齿的锁环式同步器，从而解决同步环加工制造成本高、结构复杂的问题。

1 无锁止齿同步器的组成

如图1、图2所示，无锁止齿同步器由滑套、齿毂、结合齿圈、同步器压簧、摩擦环、锁块和分度块组成。与传统的锁环式同步器不同的是：其摩擦环没有锁止齿，而锁止和分度功能由锁块（如图3所示）与分度块组件完成。

图1 无锁止齿同步器组成和结构

2 无锁止齿同步器的工作原理

如图1所示，结合齿圈B与结合齿圈A分别通过其相应花键与输出轴1档齿轮和2档齿轮（图中未示出）相连接，作为发动机动力的输入端；齿毂C通过花键与输出轴相连接。下面以变速器1档升2档为例来说明同步器的工作原理。

2.1 同步前的准备过程

升档前，与变速器输出轴相连的齿毂转速n1小于结合齿圈A的转速n2，于是由于摩擦副间润滑油的粘连作用使得摩擦环伸入齿毂凹槽的凸爪逆时针转向D面（见图2），使得分度块右侧斜面与锁块右侧斜面贴合，进入锁止状态。

图2 同步器的3D结构图

图3 锁块的结构

2.2 同步过程

当滑套从1档摘到空档后，锁块在弹簧力的作用下回位（即回到滑套的V型凹槽内），此后滑套在换档力的作用下继续向2档齿轮侧轴向移动，使得滑套V型槽的右侧斜面与锁块的相应斜面压紧，换档力通过该斜面上的正压力和摩擦力传递到锁块上，锁块一方面通过右侧的斜面周向压紧分度块，另一方面通过左侧平面轴向压紧分度块，将轴向的换档力传递到分度块，再通过分度块传递给摩擦环，从而在摩擦锥面上产生摩擦同步力矩。

图4为锁块A点的受力分析，图5为锁块B点的受力分析，图6为分度块的受力分析。锁块在A点的轴向平面和B点（见图3）的径向平面力的作用下平衡。基于图4，在水平方向上（轴向）有：

其中：Fn为滑套与锁块间的正压力；Ff为滑套与锁块间的摩擦力；Fa为分度块作用的换档力的反作用力。

基于图6，在水平方向（圆周方向）上有：

其中：F′n1为锁块与分度块间的正压力；F′f1为锁块与分度块间的摩擦力；fs为摩擦锥面间产生的摩擦力。

图4 锁块A点的受力分析（轴向平面内）

结合图4和图5，在竖直方向（径向）上有：

其中：Fn1，Ff1分别为F′n1，F′f1的反作用力；Fs为弹簧作用在锁块上的弹力。

由摩擦力公式有：

其中：μ0，μ1，μ分别为滑套与锁块间、锁块与分度块间和摩擦锥面间的摩擦系数；α为摩擦锥面的锥角。

由Fn1＝F′n1，Ff1＝F′f1和式（1）～式（6）可得：

由于Fs≪Fa，所以有：

式（7）即为可靠锁止条件。由式（7）可知，通过设计合适的角度α，β，γ可以实现同步器的可靠锁止。在初步设计时，由于μ0，μ1通常在0.1左右，可以忽略，故式（7）可简化为：

当α＝8°、β＝50°、γ＝50°、μ＝0.12、μ0＝μ1＝0.1时，式（8）为1.03＞0.84，式（7）为1.26＞1.03，均满足同步器的可靠锁止条件。

当同步完成后，由于锥面间摩擦力消失，分度块在F′n1和F′f1的作用下后退，这使得F′n1和F′f1迅速减小，此时Fn和Ff克服弹簧力Fs，从而使得滑套越过锁块开始自由穿越过程，穿过摩擦环。

由于在自由穿越过程中，搅油阻力、轴承阻力等拖曳扭矩的存在，使得结合齿圈A与滑套间再次产生转速差，但由于穿越过程极短，所以转速差一般也很小。但当油温较低和轴承等其他部件间的摩擦阻力较大时，则会产生较大的转速差，在滑套结合到结合齿圈时产生较大的二次拨环冲击。因此，应严格控制自由穿越阶段的时间，否则过大的冲击会造成滑套和结合齿圈的早期失效。二次拨环结束后，滑套强行进入结合齿圈，完成挂档过程，此时，变速器完成了从1档升入2档的操作。

图5 锁块B点的受力分析（径向平面内）

图6 分度块的受力分析

3 无锁止齿同步器的特点

与传统的锁环式同步器相比，无锁止齿同步器具有以下优点：①同步器摩擦环、齿毂、滑套等主要零件的结构更加简单，加工更为容易；②因为同步器零件加工工艺的简单化，使得制造成本大幅降低；③减小了摩擦环等零件的质量、转动惯量和拖曳阻力，从而提高了传动效率，节约了材料和燃料；④因为同步器结构的简化，降低了换档过程的功率损失，也增强了零件的可靠性，从而提高了同步器的效率和使用寿命；⑤同步器摩擦环可以采用诸如粉末冶金等的低成本方法来生产和制造。