CATS5-16變速器的同步器設計

高 敏，歐淑紅

同步器是汽車手動機械式變速器中實現(xiàn)行進間快速和無噪聲換檔、避免滑動齒套端部受到損壞、使操縱輕便省力最常用的結構.微型卡車所采用的CATS5-16變速器鎖環(huán)式同步器額定輸入扭矩160 Nm、中心距75 mm、有五個前進檔和一個倒檔，具體結構見圖1，除倒檔外，各檔位都采用同步器.

1 同步器的工作原理

1.滑動齒套；2.同步器滑塊；3.同步器錐環(huán)；4.同步器椎體圖1 CATS5-16同步器摩擦鎖止階段

1.滑動齒套;2.同步器滑塊;3.同步器錐環(huán);4.同步器椎體圖2 CATS5-16同步器摩擦同步階段

同步器是利用同步錐產(chǎn)生的摩擦力矩克服相關制件的慣性力矩，達到同步器兩端沒有相對速度.換檔過程由三個階段組成：第一階段——摩擦鎖止階段.同步器空檔時的狀態(tài)如圖1所示，換檔時換檔力由變速叉?zhèn)鬟f到滑動齒套1，1離開中間位置做軸向移動，同步器滑塊2在1的帶動下向左做軸向移動并推動同步器錐環(huán)3向左移動，使3內摩擦錐面與齒輪上的同步器錐體4的外摩擦錐面接觸.摩擦力矩在鎖止面上產(chǎn)生的力F1大于換檔力在鎖止面上產(chǎn)生的力F2，阻止1向換檔方向移動，使鎖止可靠；第二階段——摩擦同步階段.繼續(xù)施加換檔力，摩擦副產(chǎn)生的摩擦力矩使兩摩擦錐面的角速度逐漸接近，當摩擦力矩克服了被結合部分的慣性力矩后，兩摩擦表面間的轉速差消失，完成同步過程如圖2所示；第三階段——換檔結束.在同步過程結束的同時，角速度差Δω=0，同步摩擦力矩迅速減小并消失.

換檔力隨同步時間變化情況，如圖3所示.由圖3可知，第一階段換檔力有些增加；第二階段1被鎖止，換檔力急驟增加出現(xiàn)第一個峰值，當輸入、輸出端角速度差Δω=0時，換檔力急驟下降；當1越過3向換檔方向移動時，兩摩擦錐面分開，齒輪與齒套兩錐面之間又產(chǎn)生相對轉動，換檔力出現(xiàn)第二個峰值.設計同步器既要重點控制換檔力的最大值，也要控制第二個峰值，它主要受同步器錐環(huán)的后備行程δ影響：太小影響錐環(huán)的使用壽命；δ太大則換檔力的第二個峰值增高、影響整車的舒適度.

圖3 換檔力隨同步時間變化情況

2 同步器主要尺寸參數(shù)的選定

2.1 滑動齒套外徑、花鍵孔大徑及花鍵參數(shù)

為了使同步器的容量盡量大一些，滑動齒套的外徑要根據(jù)變速器的結構空間來選取.以3檔、4檔、5檔同步器為例：中心距a=75 mm，與3檔、4檔位置對應的中間軸雙聯(lián)齒輪直徑d=45 mm，取滑動齒套外徑與雙聯(lián)齒輪之間的間隙為1.5 mm，則滑動齒套外徑ds=(75-45/2-1.5)×2 mm=102 mm.

令換檔叉環(huán)槽深H=4 mm，與花鍵孔大徑之間的壁厚為3 mm，則花鍵孔大徑應小于或等于102 mm-(4×2+3×2)mm=88 mm.為使三個滑塊均勻分布，花鍵齒數(shù)應為3的整數(shù)倍；為使同步后快速嚙合，花鍵模數(shù)要取得小一些，令m=2 mm，根據(jù)GB/T3478，當 齒數(shù)Z=42、分度圓直徑D=84 mm時，同步器滑動齒套花鍵大徑Dei=87 mm可滿足要求，如表1所示.

表1 3、4 、5 檔同步器漸開線花鍵參數(shù)

2.2 摩擦錐面參數(shù)的選定

2.2.1 錐面半錐角α和摩擦系數(shù)f

摩擦錐面半錐角α是同步器主要參數(shù)之一.同樣換檔力，α越小，錐面上的正壓力越大、同步力矩也越大.為增大同步器容量，α值應取小一些，但α過小，摩擦錐面將產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象即同步器錐環(huán)與齒輪的同步器錐體脫不開，為避免自鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生，α應滿足

tgα≥f，

(1)

公式中：f為錐面的摩擦系數(shù)，同步器錐環(huán)為銅、錐體為鋼，通常f在0.08～0.11之間，當f=0.11時，α≥6.28°，實際應用中α常取6.5°～8°，在CATS5-16變速器中α=7°.

2.2.2 錐面大端直徑及有效直徑

同步環(huán)錐孔大端直徑根據(jù)花鍵齒的分度圓直徑來確定，一般二者之差為15 mm～19.5 mm.錐孔直徑過小，同步器容量也小；而孔徑過大，同步環(huán)的壁厚太薄、強度不足.CATS5-16的同步環(huán)錐孔大端直徑為

3檔、4檔、5檔：DW=84 mm-16 mm=68 mm

1檔、2檔：DW=90 mm-16 mm=74 mm

同步環(huán)有效半徑由式

(2)

確定，公式中：Di為同步環(huán)錐孔小徑，CATS5-16變速器中根據(jù)結構尺寸，摩擦工作面的長度b=9 mm.由于α=7°，3檔、4檔、5檔Di=DW-(2·b·sinα)mm=65.8 mm；1檔、2檔Di=DW-(2·b·sinα)mm=71.8 mm.

3檔、4檔、5檔同步環(huán)有效半徑R=33.45 mm；1檔、2檔同步環(huán)有效半徑R=36.45 mm.同步器錐面工作長度b與摩擦材料、表面壓力、表面形狀等因素有關.其關系式為

(3)

公式中：p為摩擦面上的許用壓力，對鋼—銅摩擦副，p=1.5 MPa；Mm為同步器產(chǎn)生的摩擦力矩；同步器可以產(chǎn)生的摩擦力矩數(shù)值為：3檔、4檔、5檔9.491 Nm；1檔、2檔11.269 Nm.

2.3 同步環(huán)鎖止角和滑動齒套及同步器錐體齒端倒角

2.3.1 同步環(huán)鎖止角β

為防止滑動齒套與齒輪轉動角速度相等以前接合換檔，必須滿足條件

F1>F2，

(4)

公式中：F1為由摩擦力矩產(chǎn)生的，用來防止過早換檔的力，

(5)

r為鎖止面平均半徑(取分度圓半徑)；F2為因鎖止面傾斜而產(chǎn)生的分力，

F2=F·tgβ，

(6)

β為鎖止面鎖止角.

以1檔、2檔為例，r= 45 mm時，tgβ<0.6646，則β<33.6°，CATS5-16的1檔、2檔同步器的鎖止角取33°.

2.3.2 滑動齒套及同步器錐體齒端倒角

當采用銅合金同步環(huán)時，滑動齒套齒端倒角βs=180°-2β=114°，以保證鎖止面接觸良好、減小同步環(huán)的磨損.齒端倒角一般采用βc=90°～110°；該角過小，對快速嚙合有利，但會使接合齒接觸長度減小，容易磨損、引起掉檔，CATS5-16變速器βc=110°.

2.4 防脫檔倒錐齒

將同步器錐體的接合齒和滑動齒套的接合齒工作面加工成斜面形成倒錐齒，能有效地使接合齒面貼合后產(chǎn)生阻止滑動齒套自動脫檔的軸向力.一般單邊斜度為μ=2°30′～3°.CATS5-16變速器的同步器錐體倒錐半角取μ=3°.

2.5 同步環(huán)錐孔刮油螺紋及軸向泄油槽

同步環(huán)錐孔具有刮油螺紋和軸向泄油槽時，錐面上的潤滑油膜可以很快被刮去，摩擦系數(shù)可以較快達到最大值，有利于縮短同步時間.螺紋槽的齒頂寬過大，會使摩擦系數(shù)下降，影響同步效果.CATS5-16變速器同步錐刮油螺紋尺寸如圖4所示，軸向泄油槽槽寬2 mm、深0.5 mm，在每個避開滑塊槽的120°范圍內，開3個槽、間距30°、數(shù)量共9個.

圖4 同步錐刮油螺紋尺寸

2.6 同步器后備行程δ

輕型車中一般取δ=1.3 mm～1.7 mm，CATS5-16變速器取δ=1.5 mm，考慮到零件的制造誤差，實際的后備行程為1.4 mm～1.85 mm，在磨損后減小到0.2 mm時，既應更換同步環(huán)，此時同步環(huán)單邊磨損量為0.14 mm.

3 同步器計算

3.1 同步器計算的目的

為了確定摩擦錐面和鎖止面的角度，保證滑動齒套和齒輪角速度完全相等前，不能進行換檔.假設汽車在阻力不大的道路上行駛，同步時間不大于1秒，則認為在該瞬間汽車速度保持不變，即變速器輸出端轉速在換檔瞬間不變、輸入端靠摩擦作用達到與輸出端同步.

3.2 同步器產(chǎn)生的摩擦力矩Mm

換檔時作用在操縱桿手柄球上的法向力為Fs，操縱桿手柄球到滑動齒套的傳動比為is，則作用在同步器摩擦面上的軸向力F應為

F=Fs·is·η，

(7)

公式中：η為換檔機構效率.取η=0.7，(比實際的低，計算出的性能指標偏于安全).is=415/50=8.3；輕型車的操縱力Fs=50 N；F=50×8.3×0.7=290.5 N .

摩擦錐面上的摩擦力矩Mm為

(8)

公式中：α為摩擦錐面半錐角；f為摩擦錐面間的摩擦系數(shù)；R為摩擦錐面平均半徑.

3檔、4檔、5檔同步器Mm=(290.5×0.1×33.45/sin7°)N·m≈7.97 N·m

1檔、2檔同步器Mm=(290.5×0.1×36.45/sin7°)N·m≈8.69 N·m

與前面計算的摩擦力矩3檔、4檔、5檔9.491 Nm和1、2檔11.269 Nm比較，為合理數(shù)值.

3.3 過早換檔現(xiàn)象

在滿足F1>F2的條件下，不會發(fā)生過早換檔現(xiàn)象.

3檔、4檔、5檔同步器：F1=Mm/r=7973.5 N/42=189.8 N

F2=F·tgβ=290.5 N×tg33°=188.65 N

符合F1>F2的條件.

1檔、2檔同步器：F1=Mm/r=8 688.5 N/45=193 N

F2=F·tgβ=290.5 N×tg33°=188.65 N

符合F1>F2的條件.CATS5-16變速器各檔均不會發(fā)生過早換檔現(xiàn)象.

3.4 計算同步時間

為保證無沖擊地將齒輪和軸連接起來，同步器必需的摩擦力矩為

(9)

公式中：Jr為離合器從動盤、常嚙合齒輪連接在一起的轉動慣量；t為同步時間；Δω為輸入軸、輸出軸的角速度差.根椐同步器的工作原理Mm=Mm′，摩擦力矩為

(10)

同步時間t為

(11)

當由三檔換直接檔，發(fā)動機轉速為2 800 r/min時，三檔傳動比i3=(23/30)×(24/29)=0.634，根據(jù)公式(12)得Δω=107.3(rad/s)，

(12)

直接檔的轉動慣量和為Jr=0.033 5 kg·m2，由(11)得t=0.452 s.一般貨車變速器高檔t取0.3 s～0.8 s、低檔取1 s～1.5 s.根椐CATS5-16變速器的使用情況，同步器的同步時間在合理的范圍.

4 結 論

經(jīng)過校核，CATS5-16變速器的同步器摩擦錐面半角α=7°時，同步環(huán)不會與同步器錐體產(chǎn)生抱死現(xiàn)象；同步環(huán)鎖止角β=33°時，不會出現(xiàn)過早換檔；同步器的同步時間在合理范圍內.由此可知，CATS5-16變速器的同步器設計合理，可以實現(xiàn)快速、無噪聲換檔且換檔過程輕便、舒適.