同步器环簧刚度优化与截面尺寸分析
2016-05-30刘洋
刘洋
摘要：提出了一种改善环簧刚度特性的结构方案，确定了环簧的周向定位结构，通过研究环簧截面尺寸对其刚度的影响，优化了环簧的结构设计。
关键词：同步器；环簧刚度；换挡力
1 引言
环簧式同步器存在换挡力偏大的固有缺点，其原因是：在换挡过程中，接合套高齿压缩并越过环簧所需的轴向力明显大于滑块式同步器接合套越过滑块凸起部分所需的轴向力。由于环簧式同步器与其他各类同步器相比具有零件数量最少、结构最简单、且性能稳定等特点，因此，若能见效环簧式同步器的换挡力，环簧式同步器必将成为极具竞争优势的同步器。
2 环簧式同步器的结构
环簧式同步器包括接合套1、花键毂2、环簧3、锁环4和接合齿5等，如图1所示。接合套的内花键中沿圆周方向均布有三组高齿，高齿与环簧接触可以将加在接合套上的换挡力通过环簧传至锁环。
3 环簧刚度优化
换挡过程中，接合套高齿压缩并越过环簧后，接合套的齿才能与锁环的齿接触，环簧刚度过大是导致换挡力偏大的主要原因之一，因此需优化环簧刚度。
接合套高齿加在环簧上的轴向力必须能够保证接合套与锁环接触之前，锁环相对于接合套转过—个角度，完成其周向定位。故需确定锁环相对于接合套转过相应角度所需的轴向力。
式中：J为锁环和环簧的转动惯量，μ为锁环与接合齿间的摩擦系数，Fα为作用在锁环上的轴向力，R为锁环的平均半径，α为摩擦锥面的半锥角。
△t一般在0.01s至0.1s之间，将相关数据导入Matlab，绘制Fα随△t变化的曲线图，如图2所示。当△t=0.01s时，计算作用在锁环上的轴向力Fα=7.1811N。环簧刚度下限值应保证接合套高齿在压缩环簧的过程中，作用在环簧上的轴向力不得小于7.1811N。
现根据某微型车一二挡同步器三维模型，借助Abaqus动力学仿真，计算接合套越过环簧所需的轴向力。
开口环簧比封闭环簧的刚度小得多，因此可在环簧上设置合适的开口来达到减小刚度的目的，如图3所示。接合套越过环簧所需轴向力的计算结果如表1所示。
结果表明，变形前后环簧开口端面沿其周向的运动量约为1.473mm，即当环簧的开口角度大于或等于2.664度时，接合套越过环簧所需的轴向力几乎不会变化，且满足环簧刚度下限的要求。
4 环簧周向定位
环簧与锁环是间隙配合安装的，在工作过程中会产生周向转动，为了保证环簧开口处不与接合套高齿接触，必须对环簧进行周向定位，其定位方案有如下二种。
为了便于加工，在锁环凸起部分设置一个挡块，挡块高度略低于环簧高度，如图3所示。
方案1加工简单，成本低，但挡块占用部分开口空间，需要增大开口角度；工作过程中，环簧开口端面会频繁与挡块相互作用，如此会影响环簧的使用寿命。
在锁环凸起部分上设置限位槽，环簧上需设置与之对应的内凸起结构，凸起与凹槽间隙配合，如图4所示。
方案2需同时改变环簧和锁环的结构，加工稍复杂，但不会额外增大环簧的开口角度。
方案1需要设置约5度的开口角度，且环簧的使用寿命会受到一定的影响；方案2则只需要设置约3度的开口角度，环簧与锁环之间无机械冲击。因此，优选方案2。
5 环簧截面尺寸分析
环簧截面径向尺寸为1 40±0.05mm，轴向为1.50±0.05mm，若其实际尺寸小于基本尺寸，环簧可能会因刚度不足而无法提供锁环转过相应角度所需的轴向力，致使同步过程无法顺利进行。
环簧径向实际尺寸极小值为1.35mm，轴向实际尺寸极小值为1.45mm，据此计算接合套越过环簧的过程中作用在环簧上的轴向力为13.229N，满足其下限值需求。因此，当环簧开口角度为3度时，环簧在加工误差范围内能够正常工作。
6 总结
针对环簧式同步器换挡力偏大的问题，提出了环簧刚度优化方案和周向定位方案，分析了环簧截面尺寸对其刚度的影响。具体如下：
（1）在满足环簧功能要求的前提下，环簧开口角度不得小于2.664度，推荐设置开口角度为3度。
（2）对比二种环簧周向定位结构，在锁环凸起部分开槽更能保证环簧的使用寿命，有利于同步器性能的稳定性。
（3）开口角度为3度的环簧在加工误差范围内能够正常工作。
