鎖環式同步器彈簧的設計

吳利霞

(中國重汽集團 大同齒輪有限公司，山西 大同 037305)

鎖環式同步器彈簧的設計

吳利霞

(中國重汽集團 大同齒輪有限公司，山西 大同 037305)

介紹了變速器用鎖環式同步器彈簧的設計，詳細講述了彈簧強度和彈簧鎖銷力的計算方法，根據該方法設計了兩組彈簧并進行了臺架對比試驗，為設計和改進同步器彈簧提供了一種計算方法。

同步器；彈簧；計算；試驗

0 引言

為了消除換檔沖擊、延長齒輪和傳動系壽命，實現可靠平穩迅速而又輕便的換檔，汽車變速器普遍采用了同步器。鎖環式同步器就是其中的一種，而同步器彈簧是同步器結構中的重要零件，它不但決定著變速器靜態換檔力的大小，還對同步器阻止性能有著重要的影響。

1 鎖環式同步器彈簧的作用

鎖環式同步器主要由齒座、齒套、同步器鎖銷、同步器鎖銷座、同步器彈簧、同步器總成和齒輪錐環等零件組成，如圖1所示。

圖1 鎖環式同步器結構

同步器彈簧與撥叉軸自鎖彈簧共同反映靜態換檔力的大小，掛檔時，同步器鎖銷要想爬出齒套槽，必須要克服彈簧產生的鎖銷力，如果彈簧設計太硬，靜態換檔力沉重，但同步器去油效果好，有利于同步，卻不利于同步后阻止面的分離；如果彈簧設計太軟，靜態換檔力輕便，但同步器去油效果不好，容易延長同步時間，如果為氣動換檔，就會出現未同步就掛檔造成接合齒的沖擊，所以，設計同步器彈簧時，需要綜合考慮上述因素，并且要保證彈簧強度足夠。

2 鎖環式同步器彈簧的設計

2.1 彈簧強度計算

同步器彈簧材料一般選用碳素彈簧鋼絲，采用C級中應力彈簧設計結構參數。彈簧的基本參數包括彈簧絲直徑d、彈簧中徑D2、有效圈數n、自由長L和彈簧剛度Kp等。校核同步器彈簧強度時必須滿足彈簧工作時最大剪切應力τmax小于許用應力τA。

同步器彈簧工作時主要受到軸向力P和扭矩T，工作時最大軸向力為：

Pmax=KpHmax.

(1)

其中：Hmax為彈簧工作時的最大壓縮量。

扭矩值為：

Tmax=PmaxD2/2.

(2)

根據式(1)和式(2)得出同步器彈簧工作時的剪應力τ為：

(3)

(4)

設計同步器彈簧時，要保證足夠的彈簧強度，須滿足τA/τmax>1。

2.2 彈簧力計算

設計同步器彈簧時，除了應保證彈簧強度足夠外，還應有合適的彈簧力，因為彈簧力是靜態換檔力的主要影響因素，而靜態換檔力的大小又影響同步器的性能，所以合理的設計彈簧力至關重要。圖2為同步器鎖銷和齒套受力分析圖。

圖2 同步器鎖銷及齒套受力圖

鎖銷受到彈簧力P、鎖銷座的支持力f1、齒套斜面的支持力W的作用，由力平衡關系得：

P+Wμcosθ+f1μ=Wsinθ.

(5)

f1=Wcosθ+Wμsinθ.

(6)

其中：μ為齒套與鎖銷接觸面摩擦因數；θ為齒套斜面角度。彈簧力P可以根據式(1)求出，μ和θ為已知量。

齒套受到掛檔力F、鎖銷對齒套的反作用力W1、齒座的支撐力f2。由力平衡關系得：

F=W1cosθ+W1μsinθ.

(7)

W1sinθ=W1μcosθ+f2.

(8)

W與W1為作用力與反作用力，W=W1。由式(5)～式(8)可以計算出換檔力F、齒套斜面的支持力W、鎖銷座的支持力f1及齒座的支撐力f2。換檔力F為：

F=P·{(1-μ2)cosθ+2μsinθ}/

{(1-μ2)sinθ-2μcosθ}.

(9)

由式(9)可知，換檔力值與彈簧力P、斜面角度θ及摩擦因數μ有關系。在換檔力的作用下，鎖銷逐步從齒套槽的斜面上爬出齒套，在此動態過程中，彈簧的壓縮量在不斷變化，因此彈簧力P也在不斷變化，進而換檔力也隨著時間在變化，這一過程中必有一最大值Fmax，該值影響著同步器去油效果的好壞及同步器分離條件的成立。所以，設計彈簧時，需要選擇合適的參數，以便滿足同步器的性能要求。

3 試驗驗證

按照上述同步器彈簧的設計方法，本文設計了兩種不同規格的同步器彈簧，并進行臺架對比試驗。

設計的彈簧1為：τA/τmax=0.9，單個換檔力F=14.2 kg；彈簧2為：τA/τmax=1.2，單個換檔力F=15.8 kg。

圖3為根據式(9)計算出的兩個彈簧隨著鎖銷爬出槽過程中不同位移所產生的換檔力變化曲線。

圖3 換檔力隨位移變化曲線

分別將兩種彈簧裝入變速箱進行15萬次同步器試驗。第一組彈簧同步器試驗進行到9.86萬次時，高檔出現一只彈簧疲勞折斷，且齒套和錐環接合齒有輕微沖擊，說明彈簧強度不足并且由于彈簧力小造成同步器阻止性能不足。第二組彈簧是在第一組彈簧的基礎上增大了彈簧強度和彈簧力，完成試驗要求的15萬次后，拆解發現彈簧正常，沒有變形，剛度沒有衰減，齒套接合齒正常。因此，設計鎖環式同步器彈簧時，需要綜合考慮彈簧強度和彈簧力兩個因素，同時滿足同步器同步性能和阻止性能。

4 結語

許多典型的故障如掛檔接合齒沖擊、同步器彈簧變形或斷裂等都與彈簧設計不合理有關，本文所提供的同步器彈簧的設計方法，在變速箱設計或改進時都有著非常重要的實際指導意義。

[1] 劉選.變速器鎖銷式同步器的設計計算[J].機械工程與自動化，2006(10):160-161.

[2] 譚慶昌，趙洪志，曾平.機械設計[M].長春:吉林科學技術出版社，2000.

Design of Lock Ring Synchronizer Spring

WU Li-xia

(China National Heavy Duty Truck Group Datong Gear Co.,Ltd., Datong 037305, China)

This paper introduced the design of the lock ring synchronizer spring, described the calculation method of the spring strength and the spring force. Two springs were designed by use of this method, and the relevant bench tests were carried out. This work provided a calculation method for the design and improvement of the synchronizer spring.

synchronizer; spring; calculation; test

1672- 6413(2015)06- 0094- 02

2015- 05- 08；

2015- 10- 18

吳利霞(1981-)，女，山西大同人，工程師，碩士，主要從事變速箱設計。

U463.212+.41

A

山西省科技成果推廣計劃項目(2011071071)