同步器设计手册

1、同步器设计手册前 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。 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，通俗易懂。内容包括：同步器结构

2、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、生产、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 结构参数设计对换档性能的影响第三节 同步器摩

3、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，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. 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。2. 较高的传动效率。3. 应有空档和倒档。4. 换档操纵迅速轻便、工作可靠，噪声小。在手动机械式变速器中（Manual Transmis

4、sion 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。S1 现以一个五档变速器为例，说明同步器在换档中的作用。图1图2P1 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 在良好的路面行驶，驾驶员此时要改善汽车行驶的经济性，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

5、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不变，则Vp3VP2。同理，由于第二轴上的齿轮S3的直径小于S2的直径，VS3VS2。如果在时间t内踩离合器，由于第二轴与驱动桥、后轮、整车相连，转动惯量很大，齿轮的速度不可能很快降下来。这样，在时间t内，齿轮S2和S3的圆周线速度不相等，见图2所示。要经过相当长的时间tx，等后轮轴停止后，齿轮S2和S3的圆周线速度相等，同时为零。 对于中间轴，是齿轮A、B随第一轴即离合器而转动。由于这一段的转动惯量小，离合器分离后，会在很短时间tx内 停止转动，Vp3和VP2很快随第一轴的停止而趋于零。 当中间轴与第二轴以不同的

6、速度降低的过程中，齿轮P3和S3圆周线速度相等，驾驶员就要巧妙地抓住这段时间，把齿轮P3和齿轮S3接合上。所以在低档换高档的过程中，全靠驾驶员的熟练操作和丰富经验，同时注意力也要特别集中。 对于二档换一档的退档过程中，同理是齿轮P1和S1的减速度要比齿轮P2和S2要大。所以高档换低档是极其复杂的。在分开二档齿轮之前，齿轮S1的圆周线速度VS1比齿轮S2、P2、P1要大，如图3所示，齿轮P2和P1在 tx时趋于零，齿轮S2和S1在 tx时趋于零，他们之间相距很大。根本不能相交，齿轮P1和S1圆周线速度永远没有相等的时间。所以，要想在瞬间内使这两个齿轮直接相啮合是不可能的。必须采取一种辅助方法使齿

7、轮P1和S1圆周线速度接近。这就是通常的做法“两脚离合器”：第一步踩下离合器踏板；第二步将排档杆移至空档位置； 第三步再松开离合器踏板，稍加油门从ab，使齿轮p1速度增高并超过齿轮S1的速度线。第四步再踩下离合器踏板bC，使齿轮p1速度迅速下降，在C点迅速换档。这样就找到了时间t 2点，使齿轮P1和S1圆周线速相等。在这个过程中，驾驶员不但要有高超的实践经验和操作技能，而且劳动强度也很大。汽车机械式变速器安装了同步器之后，就不需要“两脚离合器”的操作。减轻了驾驶员的劳动强度，减少换档时齿轮间的撞击，能准确无误地换档，增加了舒适性。同步器发展仅有数十年的历史。自1912年奥地利的Humohrie

8、s提出了采用摩擦式同步器之后，直到1926年才装到美国凯迪莱克汽车上。从此之后使用范围不断扩大，到目前为止凡是手动机械式汽车变速器都使用了同步器。同步器自问世以来，结构在不断变化，工作性能也在日趋完善。近些年来国外在同步器研究、设计、制造方面发展很快。我们在自主研发、制造与国外相比还存在很大差距，同步器的性能和可靠性还不能满足使用要求。因此我们要加强同步器方面的研究，缩小差距，力争赶超和超过国外先进水平。第一章 同步器的结构型式及其特点汽车变速器中使用同步器，可以保证换档时齿轮不受冲击，延长齿轮的使用寿命，使汽车在起步、换档时的加速度和经济性得到改善。换档时加在齿套上的轴向力经柱销（或滑块）推

9、动同步环使锥面相接触产生摩擦力矩，借此改变被啮合齿轮的转速以达到同步。 早期开发的同步器为常压式同步器，有锥形和片式两种。由于它不能保证被啮合齿轮在同步状态（即角速度相等）下实现换档，不能从根本上解决换档时啮合冲击问题，所以这种同步器目前已被淘汰。目前汽车上广泛使用的惯性式同步器，主要有：锁销式同步器；锁环式同步器；锁环式多锥面同步器。除此以外还有增压式同步器。由于这种同步器对材料、热处理及制造精度均要求较高，目前国内采用较少。近几年来国外还开发了一种杠杆式同步器，主要用于倒档。这种同步器还处于试验状态中。下面分锁销式同步器、锁环式同步器、锁环式多锥面同步器逐一介绍。第一节 锁销式同步器的结构

10、特点锁销式同步器一般用于中型载货汽车上，图1是我公司生产的LC6T46二档同步器。同步器内锥盘2与二档齿1焊接成一整体，锁销4与二档同步环3以及同步器保持环6（一档不带同步器，所以一档这一侧用了同步器保持环，）铆接成一整体，齿套5穿过三个锁销4和三个同步器导向柱8安装在齿毂9上，齿毂则通过花键与二轴7相连接。在齿套的导向柱孔内，安装了三只与导向柱相垂直的同步器弹簧和钢球，整个同步器有十五个零件组成。换档时，拨叉拨动齿 套5带动有弹簧卡住的同步环3压向与被同步的齿轮连接成一起的同步器内锥盘2的内锥面。由于力F的作用以 及转速差的存在，内外锥面一经接触就产生摩擦力矩。在摩擦力矩刚产生的同时，齿套5

11、开始转动（齿套上的柱销孔与同步器柱销直径存在一定的差值），柱销4偏移压向齿套与柱销的共同斜面上，当摩擦锥面上产生摩擦力矩后，被同步的齿轮开始减速（或加速），在同步锥面上有摩擦。 两个锥面接触后，加在换档手柄上力仍在增加，齿套克服弹簧力继续移动。由于同步器柱销相对于齿套转过了一个角度，使锁销斜面紧压在孔的斜面上，如图2所示。在力F的作用下，锁销斜面上受到的正压力W分解成轴向力S=Wcos /2 和切向力Ft=Wsin /2, 而S=F。在力S的作用下，锥面上产生摩擦力矩，在力Ft的作用下形成拨环力矩。这个拨环力矩力图使锁销连同同步环反转而脱离锁止斜面，而同步环锥面上的摩擦力矩却阻止同步环反转，只

12、要摩擦力矩大于拨环力矩，两个些面始终压在一起，阻止齿套移动。图2 随着力F的不断作用，摩擦力矩不断增加，此时的惯性力矩也在不断变化。当摩擦力矩等于惯性力矩时，即被连接两端的角速度相同，摩擦力矩等于零。这时力F仍在起作用，由于拨环力矩存在，使同步器柱销转动一个角度，锁止面脱开，齿套5可顺利通过锁销，完成换档过程。 锁销式同步器最大的特点是摩擦半径较大，与相同空间的单锥环比摩擦半径大30%左右，同时在同步环锥面上粘接摩擦系数较高的材料，使同步器有较大的容量，多用于低速档上。缺点是结构比较复杂。随着同步器技术的不断发展，特别是多锥面同步器，摩擦锥面多，容量更大，锁销式同步器正在被多锥面同步器所代替。

13、 第二节 锁环式同步器的结构特点锁环式同步器是目前应用最广泛的一种同步器，无论是小型车、中型车还是重型车都在使用。图3是一种典型的锁环式同步器。齿毂6与第二轴用花键连接，三只滑块3分别安装在齿毂的三个滑块槽内，靠两只环形弹簧5支撑，滑块中部凸台与齿套4中部的凹槽相结合,接合齿环1与齿轮通过电子束焊成一整体，同步环2浮套在接合齿的锥面上。这种同步器结构紧凑，尺寸较小，使用可靠，制造工艺性好。但是，这种同步器锥面平均摩擦半径由于受到其结构尺寸限制不能太大，同步器的容量较小。 图3图4限位台阶1.齿套。齿套是一个环状体，外面有一个槽与拨叉配合，内部是内花键与齿毂配合，花键的两端倒角。倒角有两个作用，

14、一是在没有同步前与同步环上的齿倒角构成锁止角，二是同步后容易进入接合齿。在花键的两端侧面有倒锥角，起防止跳档作用。花键的齿数是3的被数，这样可以保证三个滑块槽均布。中部有限位台阶。有的齿套在均分三处各有一个齿槽不加工，两端分别向里铣深一定的尺寸，齿毂的对应处去除一齿，这样起到挂档限位作用，防止挂档时越程。2.齿毂。齿毂的内花键与轴配合，外花键与齿套配合，定位方式大多数采用齿侧定位，也有一部分采用大径定位。 配合性质为间隙配合，固定齿毂或齿套，另一件在手的作用下，能非常轻松的滑动。齿毂的内外花键之间为轮辐，给同步环和接合齿环留出了空间。在外花键的圆周上分三等份分别铣出三个槽，是安装滑块用的，槽的

15、中心与所在的齿槽中心应重合。3.滑块。是被安装在齿毂的滑块槽内，靠弹簧支撑，中间凸起的部分与齿套中部的凹槽处紧紧地贴在一起。换档时齿套带动滑块移动，滑块又推动同步环移动。滑块的形状多种多样，但基本的功能是一致的。有的轿车同步器则用一根异型钢图5 丝圈套在同步环上代替滑块作用。如图6所示5.同步器弹簧。.同步器弹簧是用来支撑滑块的，滑块不同，弹簧也不同。形状有用方钢丝制成的环形；有用圆钢丝制成的螺旋弹簧等。如图7所示。图6 图76.同步器齿环。同步器齿环是同步器中的一个重要零件。内孔是锥面，与接合齿的外锥面配合。整个内锥面上是螺距等于0.6左右的螺纹，用来破坏外锥面上的油膜，提高它们之间的摩擦系

16、数。内锥面沿轴向开有一些槽，便于流出被两锥面之间挤出的油。轮齿靠近齿套端有倒角。倒角有两个作用，一是在没有同步前起锁止作用，二是同步后便于齿套进入。倒角角度的大小与齿套相同。齿环的外圆处，有三个均布的方槽（或三个凸台），是滑块推动同步环的位置，方槽（或凸台）中心应与所在齿槽中心重合，方槽（或凸台）宽度与滑块（或齿毂上的槽）宽度的差等于二分之一齿距。同步器齿环目前一般用铜合金精锻而成，内锥面及螺纹精车而成。有的为了增加锥面间的摩擦系数，在内锥面上喷钼，或粘接碳纤维，或喷碳颗粒等（凡粘接摩擦材料的不需要螺纹）。 图87.接合齿环。接合齿环一般是与齿轮做成一个整体，或与齿轮焊为一体，或与齿轮用花键连

17、接，经热处理淬火后有较高的硬度。外锥面磨削后与同步器齿环内锥面配合，接合齿端倒角，倒角角度90度105度之间。为了防止脱档，接合齿齿侧做成倒锥形，锥度在4度8度。图9 有的接合齿在外径的后端高出一个台阶，起到限位作用。有的接合齿只留几个完整齿厚，其余在非工作齿侧面削薄，有的是保留几组齿数相同的完整齿厚，把各相邻完整齿组之间相同齿数的 齿侧削薄。目的是齿套进入接合齿更加轻便 。 例如MSC-5S二轴五档接合齿环只保留三个完整齿厚 ，其余齿在非工作齿侧削薄0.550.65；5T97二轴三档接合齿环总共42个齿，分成5-9-5-9-5-9，其中5个齿为完整齿厚，9个齿为齿侧削薄0.30.4。 换档时

18、在力F的作用下，齿套滑动。滑块由于弹簧力的的作用，滑块上端始终顶在齿套的凹槽中。齿套轴向移动带动滑块也作轴向移动，推动同步器齿环轴向移动使得内外锥面接触。由于力F的作用和转速差的存在，锥面一经接触立即产生摩擦力矩，使同步环相对于齿套旋转一个角度，旋转的方向取决于转速差的方向。同步环内锥面上的螺纹像刀口一样迅速将锥面上的油膜刮向螺旋槽内，并沿着轴向油槽流出去，摩擦面的摩擦系数很快提高。这时，加在换档手柄上的力仍在增加，齿套克服滑块与齿套凹槽之间的摩擦力继续移动。因为同步环相对于齿套已经旋转了一个角度，齿套的齿端倒角面正好压住同步环齿端斜面。（如图10） 此时，在力F的作用下，同步环齿端斜面受到一

19、个正压力W，其轴向分力图10图9S=W .cos，（S=F），切向分力F1=W. sin。力S使同步锥面上形成正压力而产生摩擦力矩，而力F1形成一个拨环力矩，力图使同步环反转而脱离齿套齿端倒角面，但同步环锥面上的摩擦力矩却要阻止同步环反转。只要设计上保证摩擦力矩大于拨环力矩，则两个斜面始终顶住，阻止齿套移动，从而保证了只有同步后才能换档的主要特性。随着力F的不断作用，工作锥面上的摩擦力矩不断增加。当摩擦力矩达到输入端的惯性力矩时，被连接两端的角速度相等，惯性力矩消失，摩擦力矩为零。但轴向力仍在起作用，在拨环力矩的作用下，将同步环连同输入端零件转动一角度，使锁止面脱开。齿套即可自由地通过同步环进

20、入接合齿完成换档。（如图11）锁环式同步器的另一种是短程同步器。如图12所示。它与传统的同步器比，是将滑块做成圆柱滚子，两相邻同步环之间的距离 图11 是滚子直径、滚子与两档同步环端间隙和两同步环宽度之和。一般滑块长度是20mm左右，而短程同步器的滚子直径只需8mm。因此与相同容量的同步器相比，短程同步器至少要短4mm。此外，短程同步器的同步环与齿套之间的原始位置设计得比较紧凑。在未换档时，齿套和同步环接合齿之间的间隙为b，同步环与滚子之间空档时单边间隙为a。当移动齿套带动滚子推压同步环时，齿套与同步环接合齿尖部仍有间隙a-b。不致于造成同步环在没有转动一个角度之前与齿套锁止面贴合。短程同步器

21、能够有效地缩短变速器的轴向尺寸，使得变速器的内部变得更加紧凑。 图12第三节 锁环式多锥同步器锁环式多锥同步器是指两个或两个以上的摩擦副所组成的锁环式同步器。其工作原理同锁环式同步器，只是结构上有所不同。 图12图12是我公司生产的5T80一二档双锥同步器。齿套、齿毂、滑块、弹簧等没有什么变化，同步环变成了三个环组成。外环。外环与单锥环比，在后端多了几个均匀分布的槽，是用来卡住内环的。见图13。外圆柱面上有三个凸台，被卡在齿毂的三个槽中，随齿毂一起转动。 槽图13中环。中环是一个内外都是锥面的圆锥体，外锥面与外环的内锥面结合，内锥面与内环的外锥面结合，大端面有46个爪子，插入到接合齿相对应的孔

22、中。如图 14，它跟随齿轮一起转动。爪子图14内环。内环是一个圆环状，内孔是圆柱面，直径比与此配合的外径大1毫米左右。外锥面与中环的内锥面配合。在小端面有几个分布均匀的凸台，与外环的槽配合。大端面有几道油槽。如图15在空档位置时，三个环浮套在接合齿凸台与齿毂之间。换档时，滑块推动外环移动，使外环的内锥面与中环的外锥面接触推动中环移动，中环的内锥面与内环的外锥面接触推动内环移动。内环的端面与接合齿端面一经接触，由于换档力的作用和转速差的存在，这时产生摩擦力矩，同步过程开始。 在材料上，中环有的使用轴承钢，有的使用中碳钢图15。商用卡车上内外环一般使用低碳合金结构钢，精锻成型后渗碳淬火而成。为增加

23、摩擦系数，同步环必须也只能在摩擦副的一个锥面上可喷钼、烧结铜、粘接碳纤维、喷碳颗粒等耐磨且摩擦系数大的材料。在乘用车上内外环使用铜合金较多，也有的使用低碳合金结构钢对于内外环是铜合金的，大多数是将锥面加工成螺纹状。 三锥同步器，是在双锥环的基础上把内环的内圆柱面设计成锥面，在接合齿上增加一个与其相配合的外锥面即可。在相同的空间下，多锥同步器有较大的容量，不论是商用车还是乘用车，都得到了广泛的应用。特别是在低速档位上，同步力矩大，使用多锥面同步器，使得换档力变小，换档轻松自如，增加了换档的舒适性。到目前为止，最多也只是三锥环。三锥环同步器，零件多结构复杂，锥面的润滑条件差，容易抱死，设计上要特别

24、注意。图16图19是一组三锥同步器图片三个爪子卡在齿毂对应的孔中 内外锥面上粘贴了耐磨材料接合齿上增加了外锥面腰形孔用来卡中环爪子的 图16 齿轮与接合齿合件 图17 内环铜合金材料，内锥面有螺纹图18 中环 图19 外环 第二章 同步器工作原理惯性同步器工作原理：换档时，使接合锥面上产生摩擦力矩，以加速（或减速）被接合零件，使之在最短时间内达到同步状态。换档时，驾驶员首先踩下离合器踏板，操纵换档杆使之脱离原档位，置于空档位置。这时的变速器输入端和输出端的转速有差异，而同步时的转速却是一个新的转速。但考虑到变速器的输出端连接的是整车，因而具有相当大的转动惯量。故在一般情况下，假设输出端的转速在

25、换档瞬间是不变的，而输入端则靠同步器摩擦副作用来达到与输出端同步，如图1所示21 图1假设2不变，摩擦力矩TC克服输入端零件的惯性力矩,从而改变1直到同步。 据此，可以根据动量矩定理列出下列方程：（1）式中：J1同步器输入端零件的转动惯量（gcms2） 1同步器输入端零件的角速度（1/s） t 同步时间（s） TC同步器工作面上的摩擦力矩，又名同步力矩此动力学方程式不包括输入端零件上的轴承摩擦力矩及齿轮油的阻力矩。把（1）式改写成，设输入端和输出端的角速度差为，在时间t内同步，则这时的平均角减（加）速度为，则（2）另一方面，在换档过程中，当变速操纵杆上的力一定时，在同步器工作锥面上产生的摩擦力

26、矩为： （3）式中：作用在锥面上的轴向分力（N）；一般情况下（齿套上轴向力） 工作锥面间的摩擦系数； 锥面平均半径； 锥面半角。 假定同步时间t后，即所需的摩擦力矩TC在一定条件下，才能达到同步，同步时的摩擦力矩方程是： （4）公式（4）是同步器计算的基本方程，也是同步器工作机理的依据。对于多锥同步器，如三锥同步器，其锥面上产生的摩擦力矩为: （5） 假如三锥同步器的所有锥角都等于单锥同步器的锥角，那么三锥同步器的摩擦力矩就是单锥同步器的3倍左右。第三章 同步器设计参数及其计算根据惯性摩擦式同步器的工作原理，其结构参数有：锥面宽度b、平均锥面半径、锁止角、锥面半角及转动惯量；性能参数有锥面摩擦

27、系数、换档力F和同步时间t。假如同步器的结构参数一定时，又假定值在工作时不变，那么同步器性能的好坏完全取决于F和t这两个参数。设计要求换档轻便，同步时间在0.5秒以内，而换档力又不宜过大，从同步器基本方程不难看出，在其他参数一定时F和t成反比。要解决个问题，我们就要从惯量、速度变化、摩擦系数和同步时间这些方面来系统讨论。第一节 转动惯量及其转换变速器内每一个转动零件的物理特征是转动惯量，它通常是用扭摆法求得，如图1所示：式中：t摆动周期（s） 金属丝常数（扭角按扭矩给定）图1假如零件还未制成，通常是把零件分解成标准的几何体，并用数学法合成求出转动惯量。对于圆柱体盘式零件的转动惯量公式为：实心：

28、 空心： 式中： Q零件重量（kg） L零件厚度（m） D零件外径（m） 材料比重（钢： kg/m3） d零件内径（m） g重力加速度（9.8m/s2 ） 以前提及，换档过程中依靠同步器改变转速的零件统称为同步器的输入端零件，在定轴式变速器结构中，它包括：离合器从动片、一轴、中间轴、与中间轴齿轮啮合的二轴上的齿轮。它的转动惯量计算是先求得相关零件的转动惯量，然后再按不同的档位转换到被同步的零件上去。 转换公式为： 式中： 转换转动惯量（） 各零件的转动惯量（） 总转动惯量：现以一个四档变速器为例来进行计算，如图2所示。图2换直接档：需要将相应零件的转动惯量转换到一轴上。二轴上三档和二档齿轮转换

29、到中间轴上： 中间轴上的转动惯量和为： 将转换到一轴上的转动惯量为： 换直接档时，总的转动惯量为：第二节 同步力矩 Tc及同步时间一. 同步力矩 Tc ：对于惯性摩擦式同步器的同步力矩（摩擦力矩）值，是锥面上的摩擦力在平均半径处的扭矩值。假如同步器是单锥的，则产生的扭矩为： 式中：同步力矩 锥面平均半径 锥面半角齿套上受到的水平推力 工作锥面上的动摩擦系数这个力矩形成齿轮系和离合器从动片的加速（或减速），因此同步力矩应该是：式中： 被同步齿轮的角加速度 阻力矩，包括润滑油的阻力矩、轴承阻力矩和离合器阻力矩二. 同步时间：当同步器的基本功能关系得到满足后，关键是在同步时间内能否使同步力矩有效的产

30、生，以及与零件最大速度的变化和阻力矩的函数关系V= f（TD）。也就是说，同步时间是同步力矩、换档转动惯量、齿轮及同步环的相对速度和阻力的函数。同步时间和换档力是司机十分关注的两个量值。在结构参数和使用条件一定的情况下，换档冲量和摩擦系数成反比。其值可用 “力和时间”曲线下的面积求得，即。式中：ts为同步时间。也就是说，可以用面积S的大小来估计平均摩擦系数值，剩下的主要问题就是同步时间。据力学公式： 式中： 同步时间 同步轮系的转换转动惯量 被同步齿轮的加速度换档前被同步齿轮的角速度换档后被同步齿轮的角速度第三节 拨环力矩拨环力矩又被称为分度力矩或闭塞力矩。是由齿套（拨叉）上的轴向力F通过齿套

31、齿端的倒角面作用于同步环齿端的倒角面形成的。同步时，拨环力矩作用方向与同步力矩相反。下面根据不同类型的同步器来分析瞬时运动的拨环力矩。一锁环式同步器的拨环力矩如图3所示齿套在轴向力F的作用下，同步环和齿套的倒角面受到正压力W； 从而产生法向分力和轴向分力。同时在倒角面上产生摩擦力，同理摩擦力也分解成轴向分力和法向分力 。由上图3可得齿套上的轴向力F为： （1）切向分力（2） 将（1）代入（2）得到 （3）拨环力矩 （4）式中：TB拨环力矩（Nm） RB锁止倒角面上的节圆半径（mm） 节圆半径上同步环倒角面与齿套倒角面之间的夹角 倒角面间的静摩擦系数 F 齿套上的水平推力二锁销式同步器的拨环力矩

32、如图4所示，在锁销斜面上受到一个法向力W和摩擦力。这两个力形成了一个切向分力F，从而对同步环的轴心线产生了拨环力矩TB，力图使同步环反转而使齿套通过。假如大于，则同步器锁不住，就会产生换档冲击现象。下面对图5中的同步器进行受力分析：从而：而切向力 由此锁销式同步器的拨环力矩为：图4图5三. 多锥同步器的拨环力矩多锥同步器的同步力矩与倒角面上的拨环力矩之比必须保持在适度的范围内，如图6所示：同样可得出拨环力矩TB 式中：RB倒角面节圆半径 倒角面间静摩擦系数 齿套上的轴向力 节圆半径上同步环倒角面与齿套倒角面之间的夹角倒角面之间的夹角否则同样产生齿轮碰撞声和上重冲击现象。 图6图6如果锥面摩擦力

33、矩增大，就要采用较小的倒棱角来保证力矩平衡。但是如果倒棱角太小，则会引起齿轮接合齿在啮合中断裂或因接触容量过小而跳动。所以拨环力矩应在极限值以内，同时同步力矩也应当适度。第四节 计算实例现以LC6T160三档换二档为例计算转动惯量、转动惯量转换、同步力矩和同步时间以及拨环力矩。1、转动惯量：由于齿轮等零件是非圆柱形状的零件，计算转动惯量很困难，现借助三维制图软件得到各个齿轮的转动惯量，单位： 离合器盘:135000 一轴:9753 主一齿:104589主二齿 :64995 主三齿:36493 主四齿:16027主倒齿:87317 中间轴整体:158260 倒档双联齿:289582、转动惯量转换

34、现利用公式将2档以外的各个齿轮的转动惯量转换到中间轴上来。主一齿转换： 主三齿转换： =24091.3 主四齿转换： =27407一轴转换 式中经过2次换算，即先将倒档齿转换到倒档双联齿，然后再由倒档双联 齿转换到中间轴。 所有齿轮的转动惯量转换到中间轴的转动惯量则为上述值的和再将转换到中间轴的转动惯量与中间轴的转动惯量转换到主二齿上， 主二齿上所有要被同步的转动惯量则为3、同步力矩和同步时间根据下列2个公式组合得出：一般以最大承受能力来计算，所以此处取发动机最高转速2200rpm则36.44按卡车同步换档的参考时间 设=0.5秒；2/3档同步环为双锥环，取平均半径R=75mm；2/3档同步环

35、锥角；同步器摩擦系数 ；将上述条件代入， 式中2为两个摩擦面；得出：此处为拨叉处的受力，将其转换到换档臂上， 其中为换档头长度为65mm；为换档摇臂长度75mm由于6T160是气缸助力换档，所以手柄上的力是(=126N可以被驾驶员所接受)式中： x-汽车驾驶操纵的杠杆比，x=6 -气缸助力，=1233N综合上面的计算结果可得同步力矩4、拨环力矩将上面的结果代入下列公式有=1478N则拨环力矩为式中：为同步器齿套分度圆半径；为锁止角 =38.5°第四章 结构参数设计第一节 结构参数一、锥面的平均摩擦半径R锥、同步环的径向厚度W和工作面宽度B R锥和W的大小，都受到变速器齿轮中心矩和相关

36、零件结构及空间尺寸的限制。设计时应在许可范围内，R锥和W都应越大越好。R锥越大则同步摩擦力矩Mf也就越大。而W大小则与同步锥环的强度和刚度有关。W越大则锥环的强度就越大，不容易变形，保证锥环在长期工作中不易损坏。在设计工作面宽度B时，应考虑B大会影响同步器轴向尺寸加大，B的大小还直接影响到锥环为散热和耐磨损能否提供足够大的面积。一般在设计时，R锥越大则B也要相应大一些。推荐一个经验公式做参考：B（0.250.40）R锥图1与同步环配合的锥面宽度应比同步环的工作宽度略宽一些，从而可以避免在使用中同步环的锥面会磨出台阶，使锥面接触不良，导致不同步啮合。如图1二、锥面上的螺纹线和轴向排油槽1.螺纹顶

37、宽：锥面上加工螺纹线的目的是为了能把锥面间已有的齿轮润滑油油膜很快的切割破坏并刮走。油膜破坏得越快，摩擦力提高的也就越快。螺纹顶宽设计得越窄，切割刮走油膜的速度越快。但螺纹顶宽过尖，则接触面上的压强大磨损快，同步器失效快。一般推荐螺纹顶宽在0.050.22之间。另一方面要求螺顶的表面的粗糙度要好，且不允许留有切削刀痕。所以螺顶表面增加最后一道研磨工序是十分必要的。2.螺距及螺纹角：螺距的大小要保证螺纹之间的间隙足以容纳被挤出来的油量。但螺距也不能过大，否则锥面的接触面积要变小，磨损快。一般螺距推荐取0.6左右。螺纹角一般取40°60°，螺纹深可取0.250.5。表1中所列是

38、我公司部分产品同步器螺纹尺寸。表1序号产品型号同步器螺距螺纹顶宽螺纹角螺纹深15T803/4档0.60.0550.145°0.2125T801/2档内环0.60.170.2340°0.436T1606档0.60.1540°0.5146T463/4档0.70.090.1760°0.456T465/6档0.70.060.1460°0.46MF86A倒档、5档0.60.050.1260°0.357MF70B1/2档内环0.60.180.2240°0.48MF70B倒档0.60.140.1845°0.43.轴向排油槽：在螺

39、纹线上开轴向油槽的主要目的是尽快地把油排掉，以尽快地提高提高摩擦力。一般油槽宽可取3mm，槽深要稍大于螺纹底径。油槽数按锥面直径大小可选取915个。三、锥面角和锁止角 1. 锥面角：在计算摩擦力矩的公式里可知，越小则摩擦力矩Mf越大。但小到一定程度时，将发生两个摩擦锥面抱死分不开现象。图2在两个锥面达到同步以后，这时换档力P还在作用着，则： P = N×sin+s×N×cos式中： s - 两锥面间的静摩擦系数当完成同步换档且换档力P=0 时，同步环锥面应脱离，此时摩擦力s×N的方向就反过来了。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。只

40、有在保证下列条件时，才能避免两锥面间发生抱死分不开现象。即 N×sin s×N×cos tg s 试验表明，钢与铜之间的摩擦系数s在0.080.1之间，其他材料之间的的摩擦系数s也不会超过0.11，故锥面角一般可取6°30或7°，对于双锥面同步器锥面角可取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.锁止角锁：在锁环式同步器中设置锁止角的目的有

41、：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，过大拨环力矩将变小，影响顺利啮合。锁止角过小还会影响齿套和接合齿的有效啮合长度。推荐锁止角锁取： 45°60°一般情况

42、下，齿套、同步器齿环取同一值，稍大些，接合齿可以取不同值，偏小一些。如图3所示。表2所列是我公司部分产品同步器齿套、同步器齿环的锁止角、接合齿的倒角。图3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步环的锁止角大12°。LC6T1602/3档就是这样，齿套取53°，同步环取51°30。见图4图4现在还有一种做法，把齿套的锁止面做成圆弧形，圆弧的半径较大，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。如图5所示（到目前为止，作者没有见过实物）。图5表2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°305

43、2°3045°22/3档52°3052°45°34/5档52°3052°3045°46T463/4档60°1460°42°55/6档60°2160°42°65T801/2档46°3045°45°7345档56°3055°3045°8倒档53°51°3045°9MF86A1/2档50°50°45°103/4档57°57°

44、53°115/倒档57°57°53°（5档）126T1602/3档53°51°3045°134/5档60°3058°3055°146档60°3058°3055°15MF70B1/2档50°49°3045°163/4档60°59°3045°175/倒档57°3057°45°（5档）四、同步环滑块槽宽度（或凸台宽度）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

45、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6b、）。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6）。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图6坏或换档困难。同步环产生转角的大小是和滑块的宽度（如果是凸台则与齿毂上的滑块槽宽度）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×齿距如果同步环上是凸台，则滑块宽度与凸

46、台的宽度的差值： h - H =0.5×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0.05左右，接合齿的齿厚要小0.1左右，同步环的齿厚要小0.5左右。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步器齿套与齿毂配合采用花键大径配合，那么大径的平均差值在0.07左右。六、滑块、同步环、齿套、接合齿之间的轴向间隙图7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

47、21，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：1=0.51.02-1=0.200.30 考虑到同步器齿环的锥面磨损，同步器齿环的端面与接合齿端面之间应有一定的间隙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。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0.9不大于2.0，重型卡车不小于1.2不大于2.2。第二节 结构参数对换档性能的影响 对任何摩擦式同步器来说，均可用换档力F和同步时间ts的乘积（称换档

48、冲量）来评价其性能的好坏。很明显，最理想的同步器是既省力又能快速实现同步换档的过程。也就是说，冲量值越小，同步性能越好。降低换档冲量的途径是： 1.增加同步器的平均摩擦半径Rc。通常，锁销式同步器的D/A(D锥面平均摩擦直径；A锁销孔中心距)约在1.01.2范围内；而锁环式同步器的锥面平均摩擦直径与锁止面平均直径的比值只有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

49、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“力时间”曲线下的面积求得， 。也就是说，可

50、以用面积S的大小来评估平均摩擦系数c的数值，进而评价同步器的性能。图8 同步器换档力的时间历程曲线若用二次函数F=Fmax近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为边长的长方形面积图9图10 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，以SST作为评价同步器结构完善程度是可行的。图11 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。图12 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，