锁环式同步器弹簧的设计

吴利霞

(中国重汽集团 大同齿轮有限公司，山西 大同 037305)

锁环式同步器弹簧的设计

吴利霞

(中国重汽集团 大同齿轮有限公司，山西 大同 037305)

介绍了变速器用锁环式同步器弹簧的设计，详细讲述了弹簧强度和弹簧锁销力的计算方法，根据该方法设计了两组弹簧并进行了台架对比试验，为设计和改进同步器弹簧提供了一种计算方法。

同步器；弹簧；计算；试验

0 引言

为了消除换档冲击、延长齿轮和传动系寿命，实现可靠平稳迅速而又轻便的换档，汽车变速器普遍采用了同步器。锁环式同步器就是其中的一种，而同步器弹簧是同步器结构中的重要零件，它不但决定着变速器静态换档力的大小，还对同步器阻止性能有着重要的影响。

1 锁环式同步器弹簧的作用

锁环式同步器主要由齿座、齿套、同步器锁销、同步器锁销座、同步器弹簧、同步器总成和齿轮锥环等零件组成，如图1所示。

图1 锁环式同步器结构

同步器弹簧与拨叉轴自锁弹簧共同反映静态换档力的大小，挂档时，同步器锁销要想爬出齿套槽，必须要克服弹簧产生的锁销力，如果弹簧设计太硬，静态换档力沉重，但同步器去油效果好，有利于同步，却不利于同步后阻止面的分离；如果弹簧设计太软，静态换档力轻便，但同步器去油效果不好，容易延长同步时间，如果为气动换档，就会出现未同步就挂档造成接合齿的冲击，所以，设计同步器弹簧时，需要综合考虑上述因素，并且要保证弹簧强度足够。

2 锁环式同步器弹簧的设计

2.1 弹簧强度计算

同步器弹簧材料一般选用碳素弹簧钢丝，采用C级中应力弹簧设计结构参数。弹簧的基本参数包括弹簧丝直径d、弹簧中径D2、有效圈数n、自由长L和弹簧刚度Kp等。校核同步器弹簧强度时必须满足弹簧工作时最大剪切应力τmax小于许用应力τA。

同步器弹簧工作时主要受到轴向力P和扭矩T，工作时最大轴向力为：

Pmax=KpHmax.

(1)

其中：Hmax为弹簧工作时的最大压缩量。

扭矩值为：

Tmax=PmaxD2/2.

(2)

根据式(1)和式(2)得出同步器弹簧工作时的剪应力τ为：

(3)

(4)

设计同步器弹簧时，要保证足够的弹簧强度，须满足τA/τmax>1。

2.2 弹簧力计算

设计同步器弹簧时，除了应保证弹簧强度足够外，还应有合适的弹簧力，因为弹簧力是静态换档力的主要影响因素，而静态换档力的大小又影响同步器的性能，所以合理的设计弹簧力至关重要。图2为同步器锁销和齿套受力分析图。

图2 同步器锁销及齿套受力图

锁销受到弹簧力P、锁销座的支持力f1、齿套斜面的支持力W的作用，由力平衡关系得：

P+Wμcosθ+f1μ=Wsinθ.

(5)

f1=Wcosθ+Wμsinθ.

(6)

其中：μ为齿套与锁销接触面摩擦因数；θ为齿套斜面角度。弹簧力P可以根据式(1)求出，μ和θ为已知量。

齿套受到挂档力F、锁销对齿套的反作用力W1、齿座的支撑力f2。由力平衡关系得：

F=W1cosθ+W1μsinθ.

(7)

W1sinθ=W1μcosθ+f2.

(8)

W与W1为作用力与反作用力，W=W1。由式(5)～式(8)可以计算出换档力F、齿套斜面的支持力W、锁销座的支持力f1及齿座的支撑力f2。换档力F为：

F=P·{(1-μ2)cosθ+2μsinθ}/

{(1-μ2)sinθ-2μcosθ}.

(9)

由式(9)可知，换档力值与弹簧力P、斜面角度θ及摩擦因数μ有关系。在换档力的作用下，锁销逐步从齿套槽的斜面上爬出齿套，在此动态过程中，弹簧的压缩量在不断变化，因此弹簧力P也在不断变化，进而换档力也随着时间在变化，这一过程中必有一最大值Fmax，该值影响着同步器去油效果的好坏及同步器分离条件的成立。所以，设计弹簧时，需要选择合适的参数，以便满足同步器的性能要求。

3 试验验证

按照上述同步器弹簧的设计方法，本文设计了两种不同规格的同步器弹簧，并进行台架对比试验。

设计的弹簧1为：τA/τmax=0.9，单个换档力F=14.2 kg；弹簧2为：τA/τmax=1.2，单个换档力F=15.8 kg。

图3为根据式(9)计算出的两个弹簧随着锁销爬出槽过程中不同位移所产生的换档力变化曲线。

图3 换档力随位移变化曲线

分别将两种弹簧装入变速箱进行15万次同步器试验。第一组弹簧同步器试验进行到9.86万次时，高档出现一只弹簧疲劳折断，且齿套和锥环接合齿有轻微冲击，说明弹簧强度不足并且由于弹簧力小造成同步器阻止性能不足。第二组弹簧是在第一组弹簧的基础上增大了弹簧强度和弹簧力，完成试验要求的15万次后，拆解发现弹簧正常，没有变形，刚度没有衰减，齿套接合齿正常。因此，设计锁环式同步器弹簧时，需要综合考虑弹簧强度和弹簧力两个因素，同时满足同步器同步性能和阻止性能。

4 结语

许多典型的故障如挂档接合齿冲击、同步器弹簧变形或断裂等都与弹簧设计不合理有关，本文所提供的同步器弹簧的设计方法，在变速箱设计或改进时都有着非常重要的实际指导意义。

[1] 刘选.变速器锁销式同步器的设计计算[J].机械工程与自动化，2006(10):160-161.

[2] 谭庆昌，赵洪志，曾平.机械设计[M].长春:吉林科学技术出版社，2000.

Design of Lock Ring Synchronizer Spring

WU Li-xia

(China National Heavy Duty Truck Group Datong Gear Co.,Ltd., Datong 037305, China)

This paper introduced the design of the lock ring synchronizer spring, described the calculation method of the spring strength and the spring force. Two springs were designed by use of this method, and the relevant bench tests were carried out. This work provided a calculation method for the design and improvement of the synchronizer spring.

synchronizer; spring; calculation; test

1672- 6413(2015)06- 0094- 02

2015- 05- 08；

2015- 10- 18

吴利霞(1981-)，女，山西大同人，工程师，硕士，主要从事变速箱设计。

U463.212+.41

A

山西省科技成果推广计划项目(2011071071)