手动变速器原理及应用-变速器研究所

1、变速器研究所变速器研究所目目 录录11 1、变速器基本功能及要求、变速器基本功能及要求2 2、选换挡性能指标、选换挡性能指标3 3、同步器工作原理及实际应用、同步器工作原理及实际应用4 4、同步器结构分析、同步器结构分析5 5、换挡定位方式、换挡定位方式6 6、防脱档结构、防脱档结构7 7、换挡系统结构分析、换挡系统结构分析8 8、换挡故障模式分析、换挡故障模式分析21 1 变速器基本功能及要求变速器基本功能及要求1）保证汽车具有良好的动力性与经济性；2）设置空档，使发动机与传动系分离；3）设置倒档，实现倒车功能；4）操纵简单、可靠、方便、迅速、省力；5）传动效率高，工作平稳、低噪声；6）体积

2、小，质量轻，承载能力强，工作可靠；档位数：档位数：影响发动机功率的利用率、燃料的经济性；最大速比：最大速比：影响动力性及爬坡性；最小速比：最小速比：影响汽车的最高车速及经济性；整车动力性、经济性计算实现整车功能需要；实现整车功能需要；简单、方便：简单、方便：整车布置要求；可靠：可靠：变速器不得有跳档、脱档、乱档等现象； 迅速、省力：迅速、省力：对变速器选换挡性能性能提出的要求； 传动效率高传动效率高：整车经济性提出的要求；工作平稳、低噪声工作平稳、低噪声：整车对变速器提出的性能性能要求；体积小、质量轻：体积小、质量轻：整车对变速器提出的性能性能要求；承载能力强承载能力强, ,工作可靠：工作可靠

3、：整车对变速器提出的功能要求;同步器工作原理及计算齿轮强度计算轴承寿命分析32 2 选换挡性能指标选换挡性能指标1）选换挡力适中；2）选换挡过程无卡滞，具有吸入感；3）换挡无抖动、异响，脱档、乱档等现象；1）各弹性元件取力适中； 2）同步器锁止角合理；1）各运动元件活动间隙合理；2）同步器滑动灵活； 3）选档准确定位；4）同步环准确分度； 1）合理调整换挡定位行程、齿套运动行程的关系；2）同步环活动间隙合理（轴向/径向）； 3）设置防脱档结构:结合齿/同步器齿套； 4）设置自锁、互锁、五倒档互锁装置；换挡力 轿车、微型车变速器300N; 轻、中型货车变速器400N;43.1 3.1 同步器工作

4、原理同步器工作原理预同步锁 止滑 移穿 越结 合拨叉受F作用力推动齿套带动滑块+弹簧前移消除同步环活动间隙，在摩擦力矩的作用下同步环发生偏转。同步器弹簧，分度同步器弹簧，分度同步器齿套在F的作用下继续前移，由于同步环偏转使得齿套锁止角面受阻产生摩擦力矩、拨环力矩,摩擦力矩摩擦力矩, ,拨环力矩拨环力矩当摩擦力矩等于拨环力矩时，使得齿套在同步环锁止面上滑移， 0当=0时，摩擦力矩消失，齿套脱离同步环随机进入结合齿齿套内花键进入结合齿外花键实现结合， =0 换挡困难、冲击、打齿换挡困难、冲击、打齿1 1）摩擦锥面锥角）摩擦锥面锥角 摩擦锥面锥角过小，导致铜环与齿轮锥面脱不开抱死，导致换挡困难。根据

5、右上图模型可推导出: atan 其中，摩擦系数，一般取0.1 0.12。 在实际应用中一般取6.5102 2）同步器弹簧工作力）同步器弹簧工作力P P及刚度及刚度: : P过小，预同步过程中使同步环发生偏转的摩擦力矩小，容易产生换挡冲击，严重情况下（快速换挡）出现换挡打齿；P过大，容易造成同步器齿套及滑块过早磨损导致同步器失效。同时，由于P过大导致静摩擦力过大导致换挡困难、卡滞等现象。在实际应用中，同步器弹簧工作里一般取8 15N.3 3）同步器结构尺寸）同步器结构尺寸 如右下图，在实际应用中，一般 X1X2,其中： X2同步环有效活动间隙； X1锁止尖角距离； 若X2大于X1,则容易出现预同

6、步预同步过程中，摩擦锥面尚未接触，还没有产生使同步环发生偏转并形成锁止位置的摩擦力矩时，同步器齿套就穿越同步环，导致不同步啮合造成换挡打齿及换挡冲击冲击。 在设计过程中，一般同步环活动间隙为0.7mm, X1-X2=0.2 0.3mm.5 前提条件前提条件整车条件下，从动盘与压盘彻底分离3.2 3.2 同步器实际应用同步器实际应用3.2 3.2 同步器实际应用同步器实际应用 换挡困难、冲击、打齿换挡困难、冲击、打齿4 4）同步环接近尺寸、分度尺寸）同步环接近尺寸、分度尺寸 接近尺寸Z同步环偏转角度后，同步器齿套相对滑块开始轴向移动时，同步器齿套与同步环倒角之间的轴向距离； 分度尺寸a同步环偏转

7、角度后，同步器齿套与同步环花键齿中心线的距离； 接近尺寸应大于0，一般为0.2 0.3mm;分度尺寸一般等于花键齿的1/4周节，即同步环旋转圆周方向的间隙。6 右图为非对称结合齿同步器结构升档过程完成预同步过程的状态(1 2),同步过程完成预同步过程、产生摩擦力矩之后同步环反方向发生偏转一定角度，齿套结合齿接近同步环结合齿，其中齿套与同步环倒角轴向距离即为接近尺寸Z,齿套结合齿中心与同步环中心之间距离即为分度尺寸a.在换挡过程中，已发生的动作有： 齿套受力轴向移动齿套带动滑块推动同步环锥面形成摩擦力矩Tc 同步环发生反向偏转； 在此阶段同步器滑块停留在齿套凹槽内。1 齿轮结合齿 25 同步环

8、3 同步器齿套 4 同步器滑块7 右图同步器完成预同步之后，齿套在换挡力的作用下继续前移，由于1 2在摩擦力矩的作用下使得同步环沿1 1方向方向偏转。在换挡力F的作用下，同步环锁止角的斜面受一个正压力N，其轴向分力S=Fcos（S=F），切向分力T=Fsin。 力S推动同步环，使同步锥面之间形成正压力。由于转速差的存在，两锥面间产生摩擦力矩Tc。 力T则形成一个拨环力矩，拨环力矩使同步环脱离锁止面，但同步锥体上摩擦力矩却要阻止同步环反转。只要在设计时保证摩擦力矩Ti大于拨环力矩，就能保证锁止面始终靠紧，从而阻止齿套移动。 右图换挡状态：1） 1 2 ；2） Tc Ti ；3）齿套受阻静止在同步

9、环锁止面上。 换挡时不产生换挡冲击，在同步后才能换的锁止条件是： Tc Ti (1)其中：F作用在齿套上的正压力；摩擦系数；R摩擦锥面有效半径； r锁止节圆半径；锥面角度； 锁止角度（2）（3） 换挡困难、冲击、打齿换挡困难、冲击、打齿5 5）同步器锁止角）同步器锁止角 同步环锁止角一般在5262之间，其中，1）多锥同步器结构比单锥结构的同步环锁止角要小；2）齿套、同步环、结合齿锁止角的关系为： 齿套 同步环 结合齿3.2 3.2 同步器实际应用同步器实际应用当量转动惯量、换挡力、换挡时间计算当量转动惯量、换挡力、换挡时间计算 其中，称为博格华纳系数，根据实际应用经验，一般以值（12）来评判换

10、挡性能的好坏。实践证明，值在上述范围内时，同步器均可获得满意的换挡效果。当值小于下限值时易出现换挡冲击，特别当同步环使用磨损到一定程度后，摩擦面的摩擦系数会有所下降，出现换挡冲击的情况更加严重；当值大于上限值时则引起换挡力增大。综合公式（1）、（2）、(3)可以得出:1icTT（4）换挡过程机理分析换挡过程机理分析变变 量量TcTc与与TiTi之间关之间关系系齿套、同步环动作滑滑 块块J/tTcTiTc最大，齿套受同步环锁止角阻力 F 停止移动，被同步齿轮加速；滑块右端面受压力(P)最大J/t Tc=Ti齿套开始开始在同步环锁止面上滑移滑移，同步环沿方向2回转作用在滑块上的力P=0，齿套开始脱

11、离滑块最高点；J/t TcTi齿套在同步环锁止面上滑移滑移使同步环沿方向2回转回转同步环脱离滑块右端面=0，J/t=0 Tc=0Ti同步过程完成，齿套脱离同步环锁止面P同步过程完成后，同步过程完成后，在齿套锁止角在齿套锁止角T Ti i的作用下同步环继续沿方向的作用下同步环继续沿方向2 2回转实现齿套向前移动？回转实现齿套向前移动？齿套直接脱离同步环锁止面向前移动？齿套直接脱离同步环锁止面向前移动？83.2 3.2 同步器实际应用同步器实际应用94.1 4.1 同步器结构同步器结构三锥三锥图示为三锥同步器结构 内环通过卡脚与外环连成一个整体，外环卡脚装配在齿毂凹槽内，整体由同步器齿毂带动，同步

12、器外环、内环、齿毂、齿套转速一致；中环通过卡脚与档位齿轮相配练成一个整体，与档位齿轮速度一致。由此，档位齿轮的各摩擦锥面与同步器可形成速度差。同步器外环同步器中环齿 套滑块槽滑 块齿 毂内环卡脚中环卡脚分度槽同步器内环滑块+齿套槽的作用？双锥同步器结构？双锥同步器结构？10 右图列举几种常见的同步器结构，其中：图图 一一 钢球+圈簧+滑块结构，由同步环凸台安装在同步器齿毂滑块槽内，控制同步环分度尺寸分度尺寸，由滑块轴向长度控制同步环轴向活动间隙同步环轴向活动间隙X2X2.图一图 二图 三图 四为什么出现此现象？图三、图四图三、图四 两种结构基本一致，在结构设计上图四方案优于图三方案：图四同步环

13、分度尺寸由同步环凸台与同步器齿毂槽配合间隙台控制，不影响滑块轴向移动的灵活性。4.2 4.2 同步器结构分析同步器结构分析115 5 换挡定位方式换挡定位方式叉轴端面结合齿端面叉轴挡圈结合齿端面内置限位块 常见换挡系统中的换挡移动行程有：1）换挡指旋转角度；2）拨叉+叉轴移动行程；3）同步器齿套移动行程。其中，任一个运动件基本上均有自定位及行程限位装置自定位及行程限位装置。合理调整换挡运动件的行程可有效避免磨拨叉、异响、抖动及跳档等跳档等异常问题。126 6 防脱档结构防脱档结构防脱台阶防脱台阶结构对档位齿轮结构有相关要求，花键齿厚减薄量为0.25左右。防脱倒锥常用结构，倒锥角一般要求在3.5

14、6之间，且花键有效结合长度1.5mm。137 7 换挡系统结构分析换挡系统结构分析 自锁自锁 在档、空挡位定位作用，防止运动零件窜动导致异响、磨损等异常现象，主要元件有：1）拨叉；2）同步器齿套；3）换挡指。 互锁互锁 保证每次换挡过程中只能推动总成中的任一个同步器齿套实现换挡； 五倒档互锁五倒档互锁 防止从五档直接挂入倒档；147 7 换挡系统结构分析换挡系统结构分析 下图换挡系统箭头所指元件在换挡系统中起到什么作用？是如何实现各个档位的换挡动作？“王字槽王字槽”的的优点？优点？158 8 换挡故障模式分析换挡故障模式分析一级故障一级故障二级故障二级故障故障分析故障分析备备 注注摘不下档摘不下档1、锥面角度设计不合理/自锁同步容量计算2、同步器齿环与结合齿锥面抱死换挡系统结构挂不上档挂不上档1、无法同步/离合器未彻底脱开2、无法同步/其他档位同步环未脱开换挡系统结构挂档过程挂档过程不正常不正常打齿响1、无法正常锁止/锁止角设计不合理同步容量计算2、锁止角结合面接触不良同步容量计算两段感1、齿套穿越时，同步齿轮相对齿轮转动同步换挡过程2、离合器或某档位同步环脱开不彻底3、后备量太大换挡系统结构同步时间长1、同步容量不够：a)a)邻档比太大；邻档比