同步器及同步器齿环的设计探讨

于毅



同步器及同步器齿环的设计探讨

于毅

（武汉协和齿环有限公司，湖北 武汉 430056）

论文介绍同步器及同步器齿环设计开发流程、设计参数的确定、同步性能核算指标及标准、同步器单体性能和变速箱台架试验验证等。

同步器；同步器齿环；同步性能核算与验证

1 同步器的组成

同步器是手动（包括双离合、AMT和新能源减速机）变速箱内的核心部件，一方面承担扭矩及转速的传递；另一方面对换挡可靠性、舒适性等有重要的影响，其结构与转速传递示意图如所示。

图1 变速箱解剖

这是同步器的组成，包括结合齿、同步器齿环（组件）、齿毂、齿套、滑块等几大部件。

图2 速度传递路径

图3 完整的同步器结构

2 同步器齿环

同步器齿环是同步器的重要组成部件，有单锥齿环、双锥齿环及三锥齿环三种结构。基本工作原理是：受来自齿套的轴向力的作用，在齿环与齿轮锥间慢慢建立起摩擦力矩（预同步过程），齿轮转速迅速降低（或升高）直到齿环与齿轮逐渐同步旋转、相对转速为零（同步完成），齿环失去惯性力矩，随着一个自动拨环过程， 齿套穿越齿环花键与结合齿完成啮合。

图4 单锥、双锥、三锥同步器齿环结构

目前同步器齿环的工艺中主要有四种摩擦介质：铜螺纹（Brass）、喷钼(Molybdenum)、烧结铜（Powder metal）及贴碳(Carbon)，我们可以根据产品同步性能计算的结果灵活选择那种摩擦方式，也可以在台架及路试完成后再做调整。

三种摩擦材料的性能指标对比如下：

表1 摩擦性能对比

随着客户对换档性能的要求逐步提高，碳材料的应用日渐增加，得益于良好的动摩擦系数、耐磨性能及油品的兼容性。

3 同步器及同步器齿环开发的流程

（1）变速箱厂或整车厂会根据变速箱结构及空间尺寸大小给出同步器轴向或径向的边界尺寸以及对同步器总成的性能要求；比如：

同步器边界尺寸要求：

表2 客户空间尺寸要求

换挡寿命要求：

（2）选择适当的花键参数与客户给定空间尺寸匹配；

（3）进行同步性能核算，客户的性能要求得到满足的情况下尽量增加同步容量；

（4）根据核算输出进行概念设计，建立同步器的初步数模，确定同步器及同步器齿环的主要尺寸，尤其是相关间隙的确立，是保证同步器正常工作的重点；

（5）与客户技术交流，进一步完善设计方案；

（6）数模完善、CAE分析及二维图的建立；

（7）原型样件的试制及验证（单体台架、变速箱试验）；

（8）图纸的最后确认及工装样件的试制与验证（变速箱、整车路试等）。

表3 客户性能要求

4 同步器设计中关注的几个主要参数及参考标准

表4 同步器设计参数推荐

5 同步器齿环设计中关注的几个主要参数

表5 同步器齿环设计参数

6 同步性能核算结果的判断标准

6.1 通常情况下，性能核算的一些基本条件

（1）手动档箱加在手球上的换挡力：1/2档80N，其它档位60N；

（2）DCT/AMT加在齿套上的换挡力：1000-1200N

（3）发动机升/降档速度，舒适性换挡：3000RPM/3000 RPM；运动型换挡：6000RPM/6000RPM

（4）拖曳力矩：手动档箱2/4，自动档7-10（干/湿离合器差异）

6.2 摩擦材料性能参数

表6 材料性能推荐

（1）除了前面同步设计中提及的相关标准外，同步性能核算后的结果必须满足上表材料性能要求；

（2）在跨档试验或超负荷试验中允许适当超出上表要求，但，换挡次数需要得到有效控制；

6.3 同步时间的常规要求

表7 同步时间推荐

7 同步器及同步器齿环的设计验证

同步器及同步环的试验验证通常包括同步器单体试验、变速箱台架试验及变速箱路试几种方案

7.1 同步齿环单体磨耗试验

在给定的惯量、转速和换挡力矩和油温的条件下进行同步器齿环的耐磨性、油品适应性验证，同时可以进行摩擦系数的检测。

图5 同步器齿环单体台架

图6 磨耗及摩擦系数

7.2 同步器单体台架试验

在给定的惯量、转速和换挡力矩和油温的条件下进行模拟同步器总成在变速箱里的运行方式，考察某一个档位的齿环、齿套、结合齿及拨叉等的工作状态，力矩、位移、转速差、同步时间、摩擦系数等都能实时展示。

图7 同步器总成单体台架

图8 台架耐久测试数据

7.3 变速台架试验

在给定的试验条件，油温、换档力、电机转速等，考察变速箱各个档位及手球、拉索、拨叉、换挡机构等工作状态，包括性能试验和耐久试验等模式。

图9 变速箱台架试验

图10 箱换档曲线

通过上述的试验验证，分析测试数据及换挡曲线能了解间隙设计是否合理、摩擦材料的选择是否正确、同步时间及换挡力等是否符合设计预期；当出现换挡卡滞等换档性能变差时我们也能及时发现同步器那些位置、尺寸、参数需要进一步优化。

8 结语

同步器及同步器齿环的设计是一个很系统、很复杂的工程，在给定的条件下通过不断优化、完善达到客户最终的性能要求。本文给出的一些设计参数都是笔者实际工作中的一些经验总结，在众多项目中有过充分的应用与验证，相信能对同行尤其是新进入这一领域的同事有所帮助的。

由于篇幅问题，许多更详细的内容就无法一一介绍，请谅解。

[1]【德】Harald Naunheimer 等.汽车变速器理论基础、选择、设计与应用[M].机械工艺出版社.

[2] 高维山,张恩浦.汽车设计丛书变速器[M].人民交通出版社.

[3] Oscar Yang.WET Friction Material[M].SGL Group.

[4] Ottmar Back.Basics of Synchronizers.Hoerbiger.

Design of Synchronizer and Synchronizer Ring

Yu Yi

( Wuhan Xiehe Tooth Ring Co., Ltd., Hubei Wuhan 430056 )

This article introduces the synchronizer and synchronizer ring’s development process, parameter determine, synchronization calculation and criteria, verification after designing by synchronizer test bench and gearbox test bench.

synchronizer;synchronizer ring;calculation of synchronization& Verification

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1671-7988(2019)09-98-04

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于毅（1968.12-），男，高级工程师职称，硕士学位，现就职于武汉协和齿环（中日合资）有限公司，负责技术及质量等方面的工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.032