重型商用車的三錐面同步器的設(shè)計(jì)方法研究

成 崎，陳繼紅

(綦江齒輪傳動(dòng)有限公司， 重慶 401420)

1 引言

對于變速器來說，尤其是機(jī)械式齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的變速器，同步器是不可或缺的零部件之一。安裝同步器的機(jī)械式變速器具有一般同步器沒有的優(yōu)點(diǎn)，包括換擋更加柔和、換擋噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，而且由于換擋時(shí)的齒輪沖擊減少，同時(shí)也能增加齒輪使用壽命。對于同步器的設(shè)計(jì)，最好能在不增加尺寸和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，同時(shí)使同步器具有更大的同步容量。目前6擋變速器普遍采用的一二擋同步器是雙錐面的同步器。

但是重型商用車的使用條件和要求較高，普通雙錐面同步器不能達(dá)到使用要求。因此，本文將探索三錐面同步器相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化方面，以達(dá)到縮短一二擋同步時(shí)間，降低換擋力，提升同步器使用壽命等目的。

2 三錐面同步器的設(shè)計(jì)

2.1 同步器工作原理及錐面結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)牛頓第二定律以及動(dòng)量矩定理：

(1)

(2)

其中:為 力矩;為角加速度;為同步器輸入端零件的角速度;為同步器輸入端零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;為同步時(shí)間;為同步器工作錐面上的摩擦力矩。

(3)

另一方面，在換擋時(shí)，當(dāng)換擋力的大小不發(fā)生改變時(shí)，則同步器工作錐面上的摩擦力矩如下式所示:

(4)

式中：為作用在錐面上的軸向分力,一般情況下為接合套上的軸向力；為工作錐面上的摩擦系數(shù)；為 錐面平均摩擦半徑；為摩擦錐面的錐面角。

想要完成同步這一過程，需要同步提供的摩擦力矩大于克服轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所需的力矩，即

(5)

變形得：

(6)

對于多錐同步器，其同步摩擦力矩方程式應(yīng)該是：

(7)

如果選擇三錐同步器，式(5)變形得

(8)

由式(6)、式(7)可以得出結(jié)論：錐面越多，可以產(chǎn)生更大的摩擦力矩，換擋所需的力和時(shí)間的乘積將成倍降低，提高換擋輕便性。

在重型變速器，特別是在低擋位中，由于受中心距和尺寸結(jié)構(gòu)限制，無論怎樣優(yōu)化各種參數(shù)，同步器容量還是不能滿足需要，這并不是同步器本身的問題，此時(shí)應(yīng)考慮的是采用多錐面同步器。

2.2 技術(shù)方案

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別將同步環(huán)2、錐轂3、中間環(huán)4、內(nèi)環(huán)5組成3套摩擦副，固定在2個(gè)擋位齒輪9、10上。見圖1。

圖1 三錐同步器的結(jié)構(gòu)示意圖

換擋時(shí)，齒套1移動(dòng)，帶動(dòng)同步推塊7，壓緊同步環(huán)2、錐轂3、中間環(huán)4、內(nèi)環(huán)5等4個(gè)零件，通過錐面接觸， 3套摩擦副產(chǎn)生摩擦力矩，克服慣性力矩，最后撥環(huán)力撥動(dòng)同步環(huán)2，并通過同步環(huán)，完成換擋。

2.3 性能指標(biāo)

在同步器設(shè)計(jì)時(shí)，我們有很多評價(jià)指標(biāo)來評價(jià)同步器是否滿足設(shè)計(jì)要求。常用的指標(biāo)有：換擋力、同步時(shí)間，比摩擦功、極限壓強(qiáng)等等。

換擋力和同步時(shí)間是是同步器設(shè)計(jì)時(shí)最重要的指標(biāo)，也是用戶使用時(shí)唯一能感受到的指標(biāo)。由于每輛車的換擋操縱桿系不同，導(dǎo)致?lián)Q擋的杠桿比不一樣，所以理論計(jì)算時(shí)常以同步滑套上的力來判定，由于同步器的換擋力和換擋時(shí)間成反比，所以行業(yè)內(nèi)常常用換擋沖量這個(gè)概念來評價(jià)換擋性能，換擋沖量是指在換擋過程中，提供的換擋力與時(shí)間之積。其大小直接關(guān)系著換擋性能的好壞。

主要是以摩擦功和錐面極限壓強(qiáng)來評判，其值越小，代表壽命越安全。

表1為三錐面同步器性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果，通過與雙錐同步器計(jì)算性能指標(biāo)對比，換擋沖量值大幅降低，換擋性能提升明顯。摩擦功和錐面極限壓強(qiáng)均明顯降低，使用壽命提高。

表1 雙錐和三錐同步器的性能指標(biāo)

2.4 換擋卡滯等問題分析和優(yōu)化

對換擋卡滯進(jìn)行分析，根據(jù)動(dòng)態(tài)換擋全過程圖分析，卡滯分為換擋卡滯和退擋卡滯。

..換擋卡滯優(yōu)化方案

換擋卡滯一般主要體現(xiàn)在圖2中的2次沖擊區(qū)域，評價(jià)指標(biāo)為2次沖擊力，在這個(gè)區(qū)域，主要有2個(gè)進(jìn)擋卡滯點(diǎn)，如圖3所示。

圖2 動(dòng)態(tài)換擋過程曲線

第一進(jìn)擋卡滯點(diǎn)是錐轂與齒套(如圖4所示)的鎖止面接觸產(chǎn)生的沖擊。減小鎖止角1有利于降低2次沖擊力。降低卡滯感。

第二進(jìn)擋卡滯點(diǎn)是同步完成后，同步環(huán)與齒套倒錐的過渡導(dǎo)向角2接觸產(chǎn)生的沖擊,加大過渡導(dǎo)向角2,有利于同步環(huán)順利通過，降低卡滯感。

圖3 進(jìn)擋卡滯點(diǎn) 1和進(jìn)擋卡滯點(diǎn)2示意圖

圖4 齒套示意圖

因此，針對換擋卡滯，調(diào)整鎖止角1和過渡導(dǎo)向角2的尺寸，可以降低換擋卡滯感。見表2。

表2 雙錐和三錐同步器的換擋卡滯角

..退擋卡滯優(yōu)化方案

主要體現(xiàn)從2個(gè)方面考慮，一方面是倒錐角度的選擇。一般的倒錐角，主要有1∶9-1∶11、1∶14 -1∶16、1∶18-1∶23三種規(guī)格，分別是5°，4°，3°左右，倒錐角度太小，容易跳擋，倒錐角度太大，容易產(chǎn)生退擋卡滯感，本次三錐面同步器倒錐角度綜合考慮退擋卡滯感和跳擋因素，最終選擇1∶14 -1∶16。

另一方面是同步器結(jié)構(gòu)的原因。目前普遍采用的雙錐同步器的齒座的齒的寬度較窄，只有12 mm，開始退擋時(shí)，齒頂?shù)牡菇桥c齒套倒錐的導(dǎo)向角，剛好接觸，容易產(chǎn)生卡滯，見圖5。在試驗(yàn)過程，有時(shí)退擋會(huì)有輕微的卡滯感。本次三錐同步器設(shè)計(jì)時(shí)，加大齒座的齒寬到18 mm，這樣，退擋時(shí)，齒座齒頂?shù)牡菇钦梦挥邶X套的中部，從設(shè)計(jì)上避免了退擋時(shí)，齒座的倒角與齒套倒錐的導(dǎo)向角的沖擊，見圖6。

圖5 普通雙錐同步器示意圖

圖6 三錐同步器示意圖

無論何種卡滯，偏擺量的減少可以改善齒座與滑套工作時(shí)的對中性，可以降低卡滯感，因此對齒座與齒套偏擺量的控制，是很重要的。經(jīng)檢測，新設(shè)計(jì)的三錐同步器的偏擺量遠(yuǎn)小于雙錐同步器，見表3。

表3 雙錐和三錐同步器的偏擺量

3 三錐面同步器的試驗(yàn)

換擋性能測試結(jié)果見表4。

表4 換擋性能測試結(jié)果

從圖7中可以看出，雙錐同步器2擋換1擋和1擋換2擋，均有較明顯的卡滯點(diǎn)，而三錐同步器無明顯卡滯點(diǎn)。說明本次三錐同步器卡滯測試無明顯卡滯感，優(yōu)與雙錐同步器。

圖7 動(dòng)態(tài)換擋性能測試曲線

對三錐面同步器1、2擋進(jìn)行換擋壽命試驗(yàn)，總共完成了109365次換擋試驗(yàn)，在試驗(yàn)結(jié)束后該同步器仍具有正常使用功能，使用壽命高于Q/QJC8—2011《汽車機(jī)械式變速器總成技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)。

從性能測試結(jié)果可以看出：碳纖維三錐同步器相比碳纖維雙錐同步器性能有較大提升，最大提升達(dá)到30.8%。

從壽命試驗(yàn)結(jié)果可以看出：壽命試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到109 365次，高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1、2擋同步器壽命8萬次指標(biāo)要求，且試后同步器仍具正常使用功能。

綜上所述，本次試驗(yàn)的1、2擋三錐同步器，其換擋性能提升明顯，同步器壽命達(dá)到并超過Q/QJC8—2011《汽車機(jī)械式變速器總成技術(shù)條件》的指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

以某商用車變速器為研究對象，對1、2擋使用的雙錐面及三錐面同步器進(jìn)行了研究，對其參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。解決了一般同步器換擋過程中的換擋卡滯和退擋卡滯，通過臺架試驗(yàn)表明，采用優(yōu)化后的三錐面同步器可以有效的降低商用車在換擋時(shí)的噪聲和齒間沖擊，該同步器具有較高的疲勞強(qiáng)度，使用壽命遠(yuǎn)高于國標(biāo)對變速器同步器的要求，具有良好的性能。