同步器设计手册

1、页眉内容同步器设计手册、八前言汽车变速器中采用同步器，可以保证换档操作迅速、轻便无冲击，延长齿轮和 传动系统的使用寿命，提高汽车在换档和加速起步时的动力性和经济性，改善驾驶 舒适性的有效措施。同步器技术目前被广泛应用于各种车型上。同步器的应用是机 械变速器发展过程中一次质的飞跃， 在我国汽车行业标准 QC/T29063 中明确规定轻 型汽车变速器前进档必需装有同步器结构，中型汽车除一档、倒档外，其余各档也 必需装有同步器结构。随着同步器技术不断发展，对于提高变速器传动性能，具有 十分重要的经济技术意义。生产、本手册是在综合同步器理论和实践研究的基础上编写而成。本书结构新颖，文 字简洁，图文并茂

2、， 通俗易懂。 内容包括：同步器结构形式， 工作原理，设计参数， 结构参数， 以及影响同步器性能的因素。 本手册可供从事汽车变速器的设计、 维修人员参考。本手册经 等人员审阅并提出修改意见，在此表示感谢。由于作者水 平有限，难免有不足之处，请广大员工提出宝贵意见。作者2007/11/16目录绪论第一章 同步器的结构形式及其特点第一节 锁销式同步器第二节 锁环式同步器第三节 锁环式多锥同步器第二章 同步器工作原理第三章 同步器设计参数及其计算第一节 转动惯量及其转换第二节 同步力矩 Tc 及同步时间第三节 拨环力矩 TB第四节 计算实例第四章 结构参数设计第一节 结构参数设计第二节 结构参数设计

3、对换档性能的影响第三节 同步器摩擦材料第五章 影响同步器性能的因素第一节 润滑油对同步器性能的影响第二节 其他对同步器性能的影响 第六章 同步器试验绪论汽车变速器是汽车传动系中的一个重要部件，它的功能是在不同的使用条件 下，改变由发动机传到驱动轮上的转矩和转速， 使得汽车得到不同的牵引力和车速，页眉内容以适应不同的使用条件。同时也可以使发动机在最有利的工况范围内工作。为保证变速器具有良好的工作性能，对变速器提出以下基本要求：1.2.3.4.应有合适的变速档位数和传动比，保证汽车具有良好的动力性和经济 性指标。较高的传动效率。 应有空档和倒档。换档操纵迅速轻便、工作可靠，噪声小。在手动机械式变速

4、器中（Manual Transmission 简称MT ），同步器是改善换档 性能的主要零部件。对减轻驾驶员的劳动强度，使操纵轻便，提高齿轮及传动系统 的使用寿命，提高汽车行驶安全性和乘坐的舒适性，改善汽车起步时的加速性和经 济性起着重要作用。现以一个五档变速器为例，说明同步器在换档中的作用。AA1 S11口JLP1_ P1图1假如汽车正在二档 位置上行驶，则变速器 通过发动机传来的动 力，经过第一轴上的齿 轮A和中间轴常啮合齿 轮B、齿轮P2传递给第 二轴上的齿轮S2,使动 力输出。这时齿轮P2和 齿轮S2的圆周线速度 相等，VS2=VP2。当汽车P3在良好的路面行驶，驾驶员此时要改善汽车行

5、驶的经济性，要从二档换到三档上行 驶，这时驾驶员就要把齿轮S2和P2分开，而把齿轮 S 3和P3接合上。此时中间轴上的齿轮P3的直径要比P2大。由于 中间轴传动角速度3不变，则Vp 3VP2。同理，由于第二轴上的齿轮S3的直径小于 S2的直径，VS3 a sX N X cos atga a s试验表明，钢与铜之间的摩擦系数a s在0.080.1之间，其他材料之间的的摩擦系数a s也不会超过0.11，故锥面角a般可取6 30或7 ,对于双锥面同步器锥面角a可取 7 30，对于三锥面同步器由于锥面间的润滑条件差，锥面 角a可取8或8 30。有的采取不同的角度：内环的内外锥面和中环的内锥面 由于润滑

6、条件差，可取 10，中环的外锥面由于润滑条件较好，可取6 30。2.锁止角B锁：在锁环式同步器中设置锁止角的目的有：一是通过锁止角斜面 将换档力传到锥面上。二是阻止在没有同步前齿套越过同步环进行挂档。三是通过 锁止角斜面将换档力分解一切向分力，从而产生一拨环力矩。此力矩将会使同步环 转动一角度而脱离齿套的锁止面，齿套可以继续前移与接合齿接合完成挂档。设计 上一定要保证，同步摩擦力矩Mf始终应大于此拨环力矩。只有当两啮合件达到同步，Mf等于0时，拨环力矩才可将同步环转动一角度，使齿套前移完成挂档过程。锁止角应取大一些，可以避免发生“不同步啮合”的不正常现象。但锁止角也 不能过大，过大拨环力矩将变

7、小，影响顺利啮合。锁止角过小还会影响齿套和接合图3齿的有效啮合长度。推荐锁止角B锁取: 45 60一般情况下， 同一值，稍大些， 偏小一些。如图 公司部分产品同步 的锁止角、接合齿的倒角。齿套、同步器齿环取接合齿可以取不同值， 3所示。表2所列是我 器齿套、同步器齿环就是这样，齿套取 53，同步环取5130。见图4为了避免角的棱边先接触锁止面而划伤锁止面，可以将齿套的锁止角比同。LC6T1602/3 档步环的锁止角大12现在还有一种做法， 把齿套的锁止面做成圆弧形， 圆弧的 大，这样就是锁止角度稍差些也能保证齿套的棱角不会划伤锁止面。 目前为止，作者没有见过实物）。半径较如图5所示（到当完成同

8、步换档且换档力p=0时，同步环锥面应脱离，此时摩擦力a sx N的它有阻止同步环脱开，或者是说有使两锥面之间互相抱死的趋势。才能避免两锥面间发生抱死分不开现象。即序号产品型号同步器齿套锁止角同步器齿环锁止角接合齿15T971档52 3052 304522/3档52 30524534/5档52 3052 304546T463/4档60 14604255/6档60 21604265T801/2档46 3045457345 档56 3055 30458倒档5351 30459MF86A1/2档505045103/4档575753115/倒档575753（ 5 档）126T1602/3档5351 30

9、45134/5档60 3058 3055146档60 3058 305515MF70B1/2档5049 3045163/4档6059 3045175/倒档57 305745（ 5 档）四、同步环滑块槽宽度（或凸台宽度）H同步环的锁止面和齿套的锁止面贴靠的好坏，对能否顺利地同步换档影响很 大。而同步环上的滑块槽（有的是凸台）宽度能允许同步环产生转角的大小，起着 十分重要的作用。在设计上应予以控制，该转角过大或过小都会使两锁止面接触位 置不良（图6 b、c）。在锁止位置时，两个锁止面彼此之间贴靠的位置对齐最为 有利（图6a）。如果锁止面之间贴靠的位置不当，会导致同步环上的齿过早的损坏或换档困难。同

10、步环产生转角的大小是和滑块的宽度h（如果是凸台则与齿毂上 的滑块槽宽度B）有关。为了使滑块槽（或凸台）的位置准确，一般同步环上的滑块槽（或凸台）的中 心与齿槽中心重合，齿毂上的滑块槽也与齿槽中心重合。同步环上的滑块槽宽度与 滑块的宽度的差值：H-h=0.5 X齿距如果同步环上是凸台，则滑块宽度与凸台的宽度的差值：h - H =0.5 X齿距（滑块与齿毂上的滑块槽配合为小间隙配合）五、齿套、齿毂、同步环和接合齿的花键配合一般情况下，齿套的齿槽宽最大。如果以齿套为基准，齿毂的齿厚要小 左右，接合齿的齿厚要小0.1左右，同步环的齿厚要小要是重卡变速箱的同步器，则上述差值还要大一些。有的轿车变速箱的同

11、步器齿套与齿毂配合采用花键大径配合，0.5左右。0.05那么大径的平均差值在0.07左右。图7六、滑块、同步环、齿套、接合齿之间的轴向间隙 滑块、同步环、齿套、接合齿之间的轴 向间隙是否正确，对同步器能否正确工作十 分有关，正确的设计应该是齿套与同步环之 间的间隙应大于滑块与同步环之间的间隙， 即5 25 1,见图7。否则会出现摩擦锥面 尚未接触，还没有产生使同步环锥面相对齿 套转动一角度并形成锁止位置的摩擦力矩 时，齿套在没有同步前就可能通过同步器齿 环，导致不同步就换档，形成换档冲击。一 般设计可取：5 1=0.51.05 2-5 1=0.200.30考虑到同步器齿环的锥面磨损，同步器齿环

12、的端面与接合齿端面之间应有一定的间隙5 3,使同步器齿环锥面的磨损在一定程度内不影响正常的同步作用和拨环 效果。5 3称为磨损裕量，又称同步器的后备量。通常取：1.4左右，轿车不小于第二节对任何摩擦式同步器来说， 来评价其性能的好坏。很明显， 过程。也就是说，冲量值越小，降低换档冲量的途径是：1. 增加同步器的平均摩擦半径 擦直径；A 锁销孔中心距）约在 直径与锁止面平均直径的比值只有0.9不大于2.0,重型卡车不小于1.2不大于2.2。结构参数对换档性能的影响均可用换档力F和同步时间ts的乘积（称换档冲量） 最理想的同步器是既省力又能快速实现同步换档的 同步性能越好。Rc。通常，锁销式同步器

13、的 D/A（D 锥面平均摩1.01.2范围内；而锁环式同步器的锥面平均摩擦0.9左右，所以锁销式同步器比锁环式同步器具有较大的容量。多锥面同步器的锥面平均摩擦直径要比单锥同步器的锥面平均摩擦 直径大接近一倍。它的容量又要比锁销式同步器大，所以多锥面同步器在低速档上 得到广泛的使用。2. 降低输入端的转动惯量 J1。有可能的话，将同步器设计到中间轴上，使转动惯量大大降低。如我公司的6T160变速器就把六档同步器设计到中间轴上。3. 降低输入、输出端的转速差。一般是通过减小相邻档位的传动比级差来实现。4. 减小锥面角。锥角越小则同步力矩越大，但锥角过小时，容易产生粘附和楔 死现象。要严格控制锥面的

14、粗糙度和锥面之间的配合精度严格控制制造公差。用量 规检查时，接触面积应不小于 80%。5. 增大锥面间的摩擦系数。这是一个非常复杂的因素，而且是影响同步器性能 的关键，摩擦系数的大小与摩擦副的材料、润滑油的种类、同步器的结构以及加工 质量等有密切关系。在结构参数和使用条件一定的情况下，换档冲量与摩擦系数成反比。换档冲量的数值可由“力一时间”曲线下的面积求得，s tSFdt。也就是说，可以用面积S的大小来评估平均摩擦系数 卩c的数值，进而评价同步器的性能。若用二次函数F近Is2tF=Fmax ts似地描述换档力的时间 历程（其中Fmax为最 大换档力），见图8,则 有：式中St表示Fmax和ts

15、为边长的长方形面积閩C图91厂S-&0%St图8 同步器换档力的时间历程曲线r mil图9 图11分 别是三 种车型 的同步 器换档 力的时 间历程 曲线。由 图可见，2以SW ST作为评价同步器结构完3善程度是可行的。从图12试验表明，换档力在某 一范围内变化时，S的数值并不是保 持不变，而是随着换档力的增加，S值相应下降。这说明摩擦系数相应增加，一般以 中等换档力时的 S值为100%，其误差约在 10% 的范围内。同步器锥面的粗糙度是影响摩擦系数的重 要因素。粗糙的锥面会得到较大的摩擦系数。但 容易加速同步环的螺纹的磨损而导致同步器过 早失效。若金属波峰相对尖锐，则将刮下的同步 环上的小片

16、金属。由于金属不断刮下，同步器很 快磨损，金属趋于自身焊位，接合齿的锥面上就 会变成涂上一层同步环材料的外衣。因此，光滑的锥面表面粗糙度一般为Ra0.4,螺纹表面粗糙度一般为Ra3.2。为了减少金属波峰,页眉内容 通常是螺纹加工好后，增加一道研磨工序，最好是内外锥面互相配磨。第三节同步器摩擦材料同步器的材料是影响同步器性能的一个重要因素。目前多数同步器都是使用铜基合金，在铜中加入 Si、Fe、Al、Ni、Co、Zn等微量金属元素，增加了材料的耐 磨性和摩擦系数。在选材上要注意以下几个方面：便于加工，如锻造、机加工；锥面上的螺纹和齿端锁止面的耐磨性；两个摩擦 锥面“抱死”倾向小；强度高，不易裂；

17、抗疲劳强度高；弹性模量高；摩擦系数高 而稳定。铜基合金有以下特点： 锰青铜（含锰量不超过 3% ）锻造的同步环用的较多。它的优点是强度高， 机加工性能好，易车削螺纹线。 铝青铜（含铝量8.5%11.0%）多用于压铸法加工的同步环。它的耐磨性好,强度高。它和锰青铜相比，摩擦系数较大，锥面“抱死”倾向小。铝青铜也能使用 锻造工艺加工，锻造加工的铝青铜锻件疲劳强度比锰青铜好。它的缺点是价格高， 锻模的使用寿命较短。硅锰青铜（含硅量 0.6%1.5%，含锰量2%4% ）的性能和锰青铜相仿。这 种合金中的硅化锰有极好的耐磨性。这些材料一直沿用至今。由于这种材料制造工艺简单、成本低，目前还广泛应 用在各种

18、同步器上。近些年来，无论是乘用车还是商用车，大大小小的车上都使用 同步器，加上人们对换档手感的舒适性要求越来越高，使得同步器的容量加大，促 进了同步器摩擦材料的发展。1. 挤制铜合金。这种材料是在铸造铜合金的基础上，没有改变材料的化学成分，而是将铸造铜合金加热经过模具挤压而成。挤压后的材料组织致密度高，同时材料挤帘彌合金铸造铜合金在挤压过程中形成金属流， 再经过精锻而成的同步器 环，耐磨性能高，不会因使 用时间长而使得摩擦系数下 降，影响同步器性能。试验 证明，挤制铜合金的耐磨性 要比铸造铜合金的耐磨性高 出好几倍。左边的图表是同 步器的磨耗性能试验，在相 同的条件下，磨耗10000次 后所得

19、的结果。可以看出， 挤制铜合金的同步环后备量0.48mm。AT-3E、CSM-3ME、只减少了 0.08mm，而铸造铜合金的同步环后备量却减少了目前国外已大量使用挤制铜合金，例如日本的牌号有KMS-2E、AT-1E等，我国在这方面刚刚起步，几个大的同步器公司都在上挤制材 料的设备，预计在几年内可赶上或超过国外先进水平。适用2. 钢基喷钼。用低碳合金钢所加工的同步环，经渗碳淬火后，在锥面上喷钼， 喷钼层厚度在0.1mm左右。它的特点是耐磨性极强，摩擦系数也比铜合金高，于要求同步器容量较大、耐磨性要求高的大型汽车的变速器中。我公司的LC6T160页眉内容变速器2/3档同步器就是用的这种同步环。它的缺点是制造成本高， 喷钼工艺复杂，在使用过程中一旦喷钼层磨去后就会造成同步器早期失效。3. 钢基树脂环。一般是用在锁销式同步器上。用