變速器氣動(dòng)副箱同步器的設(shè)計(jì)

喬湘鶴，方向進(jìn)，周德龍

（浙江萬里揚(yáng)變速器股份有限公司研究院，浙江金華321000）

變速器氣動(dòng)副箱同步器的設(shè)計(jì)

喬湘鶴，方向進(jìn)，周德龍

（浙江萬里揚(yáng)變速器股份有限公司研究院，浙江金華321000）

分析多擋變速器副箱同步器工況，選擇鎖銷同步器作為副箱同步器，對(duì)同步器進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并給出臺(tái)架試驗(yàn)中需要重點(diǎn)關(guān)注的地方，以驗(yàn)證同步器設(shè)計(jì)是否合理。

變速器；同步器

0　前言

為滿足車輛經(jīng)濟(jì)性的要求，多擋變速器越來越多地被應(yīng)用。在重載卡車變速器中，一般都是以主副箱倍擋組合的形式構(gòu)成多擋變速器（圖1）。在國內(nèi)的卡車變速器中還是MT占據(jù)統(tǒng)治地位，主箱采用手動(dòng)換擋，副箱一般采用氣動(dòng)換擋，為保證使用性能，副箱換擋必須使用同步器換擋，且該同步器的使用與主箱同步器因工況的不同，使得氣動(dòng)副箱同步器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與普通主箱同步器也有較大的區(qū)別。

1　副箱同步器工況

1.1輸入端慣量

因?yàn)楦毕湓趽Q擋時(shí)，主箱按要求都是在空擋位置，也就是同步器輸入端需要同步的慣量其實(shí)比主箱所要同步的慣量（從動(dòng)盤）要明顯小，特別是雙中間軸變速器主箱不帶同步器的變速器中，副箱同步器輸入端只有一根主軸和幾個(gè)滑移齒套，這樣使得副箱同步器高擋端同步容量可以相對(duì)而言設(shè)計(jì)較小。

1.2副箱速比

為了變速器整體速比的合理性，副箱速比一般較大，在3～5之間，高低擋角速度差比普通同步器要明顯偏大，使得低擋同步器所要同步的慣量經(jīng)過大速比的轉(zhuǎn)換后，會(huì)較類似中心距的主箱同步器所需要同步的慣量大好幾倍，這就需要低擋同步器容量能夠盡可能地大。

1.3換擋力

因?yàn)楦毕渫狡骰径紴闅鈩?dòng)換擋，與主箱的手動(dòng)換擋相比，同步器受到一個(gè)明顯的沖擊力，且因?yàn)楦毕鋼Q擋經(jīng)常是在主箱選擋過程中完成，所以需要副箱換擋更為迅速，使得副箱的氣動(dòng)換擋力大小一般是手動(dòng)換擋的幾倍。

2　副箱同步器選擇

2.1結(jié)構(gòu)模式的選擇

現(xiàn)在常用的慣性同步器主要有2種結(jié)構(gòu)，分別為鎖環(huán)式結(jié)構(gòu)和鎖銷式結(jié)構(gòu)，鎖環(huán)式換擋更為輕便，且更容易實(shí)現(xiàn)多錐模式，但是一般要求兩端同步環(huán)大小相同，且同步環(huán)的外徑受齒套的約束，在同樣數(shù)量錐面的情況下，同步器容量較鎖銷同步器小。

副箱高低擋切換，速度差的方向總是一致，采用鎖銷同步器可以根據(jù)這一特點(diǎn)在鎖銷處增加一個(gè)沿同步環(huán)圓周方向的彈簧，可以保證同步環(huán)鎖止面（鎖銷同步器為鎖銷鎖止面）與齒套鎖止面的時(shí)刻接觸，并緩沖因?yàn)閾跷磺袚Q而造成的沖擊。所以選擇鎖銷同步器作為氣動(dòng)副箱同步器。

2.2同步環(huán)材料的選擇

采用氣動(dòng)換擋，沖擊力較大，所以同步環(huán)的基體材料一定要采用鋼基或者與鋼基機(jī)械性能類似的粉末冶金材料。表面摩擦材料選擇編織碳材料，這樣可以使得摩擦因數(shù)達(dá)到0.11左右，可以在同等同步環(huán)錐徑時(shí)，有效增大同步器容量。同時(shí)有資料表明：編織碳可以在一定程度上緩沖，減緩?fù)狡髟跉鈩?dòng)換擋中所受的沖擊力。

3　同步器計(jì)算

同步系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見圖2。

圖中：Jc為輸入端一軸和離合器從動(dòng)片等零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Mc為阻力矩；

ωc為輸入端角速度；

Mf為同步環(huán)摩擦力矩；

Mv為汽車行駛阻力矩；

ωv為輸出端角速度；

Jv為輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

換擋時(shí)首先要脫離原來的擋位，在處于空擋的瞬間，變速器輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)速理論上均應(yīng)有所改變，同步時(shí)的轉(zhuǎn)速則是一新的轉(zhuǎn)速。但實(shí)際上輸出端所連的是整車，因而具有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在通常行駛條件下，可以假定輸出端的轉(zhuǎn)速在換擋瞬間是不變的。而輸入端轉(zhuǎn)速則需靠同步摩擦力矩作用來達(dá)到與輸出端同步。根據(jù)這一假定，從系統(tǒng)簡(jiǎn)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?chǔ)豤，直到輸入端與輸出端同步。根據(jù)動(dòng)量矩定理可列出下列方程式：

3.1角速度差Δω的計(jì)算

在理論設(shè)計(jì)計(jì)算中，一般是按角速度差的最大值計(jì)算。所以只有假設(shè)2個(gè)角速度中有一個(gè)是相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速的值，才是同步過程中的最大角速度差。

（1）低擋換高擋。此時(shí)汽車處于加速過程，可以假定與整車相連的輸出端（二軸及同步器齒套）換擋時(shí)轉(zhuǎn)速不變，仍為換擋前的低擋轉(zhuǎn)速。而輸入端（被同步齒輪）的轉(zhuǎn)速則高于輸出端轉(zhuǎn)速。輸入端需要減速才能同步。只有假定換擋前輸入端的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的轉(zhuǎn)速nN，才能得到角速度差的最大值Δωmax。所以：

（2）高擋換低擋。此時(shí)汽車處于減速過程，亦可以假定與整車相連的輸出端（二軸及同步器齒套）換擋時(shí)轉(zhuǎn)速不變，仍為換擋前的高擋轉(zhuǎn)速。而輸入端（被同步齒輪）的轉(zhuǎn)速則低于輸出端轉(zhuǎn)速。輸入端需要加速才能同步。只有假定換擋前輸入端的轉(zhuǎn)速是相應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的轉(zhuǎn)速nN，才能得到角速度差的最大值Δωmax。所以：

3.2同步慣量

換擋過程中依靠同步器改變轉(zhuǎn)速的零部件包括：主箱二軸、副箱中間軸、與中間軸齒輪相嚙合的副箱輸入齒輪，統(tǒng)稱為同步過程的輸入端。而輸入端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jc的計(jì)算步驟是：首先計(jì)算上述相關(guān)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而后按不同的擋位轉(zhuǎn)換到被同步的擋位齒輪上去。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)換基本公式為

3.3同步器摩擦力矩

如圖3所示，根據(jù)公式可以計(jì)算出同步器摩擦力矩Mf：

式中：P為作用在同步錐面軸向力；

μ為同步錐面間摩擦因數(shù)；

R錐為錐面平均半徑；

α為同步錐角。

3.4 同步時(shí)間計(jì)算

根據(jù)同步器計(jì)算基本公式：

可以計(jì)算出同步時(shí)間t，在氣動(dòng)副箱中為保證換擋的靈敏，需要保證換擋時(shí)間小于通常手動(dòng)換擋同步器0.5 s，并且因?yàn)楦毕鋼Q擋過程要在主箱選擋的過程中完成，則理論上副箱換擋時(shí)間越短，對(duì)整個(gè)變速器的換擋越好。

3.5鎖止角設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所述，在氣動(dòng)換擋的副箱中，采用鎖銷同步器主要是利用高低擋角速度差方向一致，從而在鎖銷同步器中增加緩沖彈簧，如圖4所示。

緩沖彈簧因?yàn)槭亲饔迷阪i銷上，所以它對(duì)同步器的鎖止會(huì)產(chǎn)生影響，所以這種副箱同步器不能采用傳統(tǒng)的鎖止角設(shè)計(jì)方法 “T摩擦≥T撥環(huán)”。

當(dāng)鎖銷不受緩沖彈簧力時(shí)，鎖銷鎖止面受力情況如圖5所示。

式中：F為齒套所受的力，在氣動(dòng)副箱中，則為氣缸所產(chǎn)生的力。

而因?yàn)橛幸粋€(gè)圓周方向的緩沖彈簧力，所以這個(gè)彈簧力會(huì)在掛擋時(shí)產(chǎn)生一個(gè)鎖止增力，即彈簧力與齒套所受的切向分力同向。

即掛擋時(shí)，同步器的撥環(huán)扭矩為：

式中：F彈為緩沖彈簧的作用力；

Rc為緩沖彈簧的作用圓半徑，在設(shè)計(jì)中，可以與自身鎖銷分布圓不處于同一分布圓上。

帶緩沖彈簧的副箱同步器，高低擋環(huán)分別有各自的3個(gè)作用鎖銷，而且從經(jīng)濟(jì)性考慮，高擋采用摩擦內(nèi)錐，低擋采用摩擦外錐，摩擦力矩不同。

4　同步器試驗(yàn)以及反饋設(shè)計(jì)

同步器設(shè)計(jì)完需要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)于氣動(dòng)副箱同步器特別是以下幾個(gè)方面需要驗(yàn)證：

（1）同步器參數(shù)中各同步環(huán)寬度和同步環(huán)摩擦力矩與撥環(huán)力矩的比值需要通過同步器試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，必須保證不會(huì)因摩擦力矩與撥環(huán)力矩比值過大造成換擋遲緩。

（2）同步環(huán)的寬度在滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，也需進(jìn)行試驗(yàn)，確保磨損次數(shù)和時(shí)間能夠符合要求。

【1】吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

【2】劉維信.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

Design of Transmission Pneumatic Auxiliary Box Synchronizer

QIAO Xianghe，F(xiàn)ANG Xiangjin，ZHOU Delong
（Transmission Research Institute，Zhejiang Wanliyang Transmission Co.，Ltd.，Jinhua Zhejiang 321000，China）

The working conditions of auxiliary box synchronizer of multi gear transmission were analyzed.Lockpin synchronizer was chosen as the auxiliary box synchronizer.Parameters calculation and structure design for the synchronizer were done.Notices in bench test were presented to validate the design rationality of the synchronizer.

Transmission；Synchronizer

2015-03-16

喬湘鶴，男，本科，工程師，研究方向?yàn)樽兯倨髟O(shè)計(jì)。E-mail:wind_q@sina.com。