变速箱同步器设计对汽车换档性能的影响

变速箱同步器设计对汽车换档性能的影响中国第一汽车集团哈尔滨变速箱厂发展开发部·佟晓刚一、前言：随着汽车市场竞争的日益激烈，用户对汽车性能要求的不断提高，变速箱的换档灵活性也就成为评定汽车性能的一个重要指标，那么如何对同步器进行设计，来提高变速器的换档性能，下面对此做一简要阐述。二、同步器的作用：在以前普通的齿轮变速器中，从一个档位换到另一个档位时，由于换档时要进行啮合的一对齿轮或啮合套的线速度不相等，所以在啮合时要产生冲击，引起噪声，甚至损坏齿轮，故这种变速器现在已被淘汰．现在生产的变速器大多采用惯性锁止式同步器，它是利用要结合的转动件的转速不同时所产生的惯性力矩，来阻止它们的不同步啮合，只有要结合的转动件的转速相等时，才能啮合，同时，它还大大地缩短了换档时间。三、惯性锁止式同步器的工作原理以CA５－１６变速箱三档挂四档为例，见图：CA5—16变速箱三四档同步器当齿套3在拨叉的作用下摘下了3档,并挂4档时,同步器滑块4在支撑弹簧5的作用下跟随齿套3一起向左移动,从而同步器滑块4推动同步器锥环2靠在锥体1上。由于同步器锥体与同步环以不同的角速度运转(锥体转速大于同步环转速),锥体便对同步环产生一个摩擦力，在这个摩擦力的作用下,使同步环上的凸台紧靠在齿座6凹槽的端面上,这时齿套上的花键与同步环上的花键正好错开一个1/4齿距,从而阻止了不同步啮合(见图1)。在拨叉力的作用下,同步环与锥体产生的摩擦力使锥体1及相连各件逐步与同步环的转速达到同步,这时锥体与同步环间的摩擦力消失,在锥体以同步环相接触的锁止角斜面间产生了一个拨正力矩,拨动同步环转动一个角度,在齿套轴向力的作用下,齿套3压下同步器滑块4,并越过同步环与锥体,从而达到同步换档（见图2）。图1图2三、同步过程的理论分析一般汽车变速器中的同步器可由以下简图表示：同步器系统简图图中Ｊｃ－第一轴和离合器从动片等零件转化到轴１上的当量转动惯量ωｃ－输入角速度Ｍｃ－离合器及变速器阻力矩Ｊｖ－汽车惯量转化到轴２上的当量转动惯量ωＶ－输出角速度ＭＶ－汽车行驶阻力矩ＭＳ－同步力矩由于汽车的质量很大，所以把汽车转化到二轴上的当量转动惯量Ｊｖ当做无穷大，而汽车行驶阻力矩可当做无穷小，输出角速度ωＶ则为常数。根据牛顿第二定律tJM①式中Ｍ－同步力矩，Ｊ－系统的转动惯量Δω－角速度的变化量，Δｔ－时间变化量．所以同步力矩和同步时间的关系可用下式表示：ＭＳ＋ＭＣ＝ωＪＣ（ｒ－１）／Δｔ②或Δｔ＝ωＪＣ（ｒ－１）／（ＭＳ＋ＭＣ）③式中ＭＳ－同步力矩，ＭＣ－离合器阻力矩ω－变速器输出端（二轴）的角速度ＪＣ－离合器及第一轴等件转化到二轴上的当量转动惯量Δｔ－同步时间ｒ＝同步器输入端的初角速度/同步器输出端的初角速度=同步器输出端档位传动比/同步器输入端档位传动比＂＋＂号用于低速变高速，＂－＂号用于高速变低速五、提高变速器换档性能的途径现在人们对汽车的换档性能要求越来越高,也就是以较小的换档杆推力得到较小的Δｔ值。由式③可知:变速器输出端(二轴)的角速度ω一般不因设计而变动,所以只有改变JC、r、MS、MC四个参数才能改变同步时间Δｔ,下面就这四个参数分别做以阐述:1、尽量降低当量转动惯量JC由于JC=ΣmR2·i2mR2为被同步各件的实际转动惯量,i为各件转化到二轴上的速比.所以档位越低,JC越大,同步时间越长,即挂低档比高档困难。由于mR2和i受变速器的固有特性的影响,一般不能随意改变,只有减少被同步件的数量才能降低当量转动惯量JC。如我厂生产的CA5-23和CA5-16相比，CA5-23变速箱二轴五速、中间轴五速、倒车惰轮、二轴倒车齿轮都不参加常啮合,少了四个件的转动惯量,因此CA5-23在换档性能上要优越于CA5-16，见图。2.相邻两档速比的比值r不能取太大,一般应取1.25-1.7。对于重型变速箱,由于JC的增大,只有降低r,才能改善换档性能,一般是通过增加变速箱档位数来降低r,重型汽车的档位一般采用6-10个前进档。3.降低离合器及变速箱的阻力矩MC变速箱在从高档挂低档时,阻力矩MC起负作用,要尽量减小阻力矩。变速箱的阻力矩主要受润滑油的阻力和轴承的摩擦阻力的影响。因此,二轴与中间轴上下布置比水平布置所受的阻力要小,另外,润滑油在保证润滑的情况下,尽量要小。对于使用圆锥滚子轴承的变速箱,轴承间隙的调整要适当,预紧力不能过大。4.增大同步力矩MS及拨正力矩1M同步力矩MS=FR2(cosβ-μ2sinβ)/(sinβ+μ2cosβ)F-叉轴上的换档力,R2-齿套分度圆半径μ2-齿套与同步环间的摩擦系数,β-齿套锁止角换档力F受变速箱换档性能的要求,不能增大,齿套与同步环间的摩擦系数μ2是材料的固有特性,可当做常数,所以可加大齿套分度圆直径和减小锁止角β。但同步力矩MS不能任意增大,它必须小于锁止力矩M1,即MSM1,否则会出现换档冲击。M1=Fμ1R1/sinαF-叉轴上的换档力,μ1-同步环与锥面间的摩擦系数R1-锥面平均半径,α-同步环锥角因此,要提高同步力矩MS,必须提高锁止力矩M1,可采用以下设计方法:①尽量减小同步环锁止角α而tgαμ,否则会出现同步环与锥体抱死分不开现象,因此,同步环锥角一般取6-7°。②同步环与锥体间必须保证有稳定的摩擦系数,否则会出现换档冲击或抱死现象。可通过在同步环上开螺纹及排油槽,严格控制锥体的圆度、锥度、和表面粗慥度等方法保证。③增大锥体平均半径R1一般变速器中的同步器采用的是滑块式同步器,由于结构所限制锥体平均半径R1小于齿套分度圆半径R2,因此限制了锁止力矩M1。而锁销式同步器由于摩擦锥面的平均半径可以作得较大,所以它可以产生较大的锁止力矩,从而可获得较大的同步力矩,中、重型汽车低速档一般都采用锁销式同步器。④增加摩擦锥面的数量单锥面同步器虽然具有结构简单紧凑、使用可靠、造价低等优点,但其同步力矩必定有限,因此可通过增加同步器摩擦锥面数量的方法来提高同步力矩,一般双锥同步器可提高同步力矩一倍,三锥同步器可提高同步力矩二倍。但变速箱要适当增加轴向长度及制造成本。六.结论:要提高变速器的换档性能,在设计上有很多途径,要求以上所述的方法在一种变速箱中都采用往往是不可能的,要根据变速箱的具体要求、结构特点、加工工艺水平、制造成本、可靠性等方面综合考虑,采用一些简单可行的设计方法,更有效地提高变速器的换档性能。参考资料高维山张思浦变速器人民交通出版社,1990年8月CA5—16变速器结构示意图CA5—23变速器结构示意图