同步器環簧剛度優化與截面尺寸分析

劉洋

摘要：提出了一種改善環簧剛度特性的結構方案，確定了環簧的周向定位結構，通過研究環簧截面尺寸對其剛度的影響，優化了環簧的結構設計。

關鍵詞：同步器；環簧剛度；換擋力

1 引言

環簧式同步器存在換擋力偏大的固有缺點，其原因是：在換擋過程中，接合套高齒壓縮并越過環簧所需的軸向力明顯大于滑塊式同步器接合套越過滑塊凸起部分所需的軸向力。由于環簧式同步器與其他各類同步器相比具有零件數量最少、結構最簡單、且性能穩定等特點，因此，若能見效環簧式同步器的換擋力，環簧式同步器必將成為極具競爭優勢的同步器。

2 環簧式同步器的結構

環簧式同步器包括接合套1、花鍵轂2、環簧3、鎖環4和接合齒5等，如圖1所示。接合套的內花鍵中沿圓周方向均布有三組高齒，高齒與環簧接觸可以將加在接合套上的換擋力通過環簧傳至鎖環。

3 環簧剛度優化

換擋過程中，接合套高齒壓縮并越過環簧后，接合套的齒才能與鎖環的齒接觸，環簧剛度過大是導致換擋力偏大的主要原因之一，因此需優化環簧剛度。

接合套高齒加在環簧上的軸向力必須能夠保證接合套與鎖環接觸之前，鎖環相對于接合套轉過—個角度，完成其周向定位。故需確定鎖環相對于接合套轉過相應角度所需的軸向力。

式中：J為鎖環和環簧的轉動慣量，μ為鎖環與接合齒間的摩擦系數，F_α為作用在鎖環上的軸向力，R為鎖環的平均半徑，α為摩擦錐面的半錐角。

△t一般在0.01s至0.1s之間，將相關數據導入Matlab，繪制F_α隨△t變化的曲線圖，如圖2所示。當△t=0.01s時，計算作用在鎖環上的軸向力F_α=7.1811N。環簧剛度下限值應保證接合套高齒在壓縮環簧的過程中，作用在環簧上的軸向力不得小于7.1811N。

現根據某微型車一二擋同步器三維模型，借助Abaqus動力學仿真，計算接合套越過環簧所需的軸向力。

開口環簧比封閉環簧的剛度小得多，因此可在環簧上設置合適的開口來達到減小剛度的目的，如圖3所示。接合套越過環簧所需軸向力的計算結果如表1所示。

結果表明，變形前后環簧開口端面沿其周向的運動量約為1.473mm，即當環簧的開口角度大于或等于2.664度時，接合套越過環簧所需的軸向力幾乎不會變化，且滿足環簧剛度下限的要求。

4 環簧周向定位

環簧與鎖環是間隙配合安裝的，在工作過程中會產生周向轉動，為了保證環簧開口處不與接合套高齒接觸，必須對環簧進行周向定位，其定位方案有如下二種。

為了便于加工，在鎖環凸起部分設置一個擋塊，擋塊高度略低于環簧高度，如圖3所示。

方案1加工簡單，成本低，但擋塊占用部分開口空間，需要增大開口角度；工作過程中，環簧開口端面會頻繁與擋塊相互作用，如此會影響環簧的使用壽命。

在鎖環凸起部分上設置限位槽，環簧上需設置與之對應的內凸起結構，凸起與凹槽間隙配合，如圖4所示。

方案2需同時改變環簧和鎖環的結構，加工稍復雜，但不會額外增大環簧的開口角度。

方案1需要設置約5度的開口角度，且環簧的使用壽命會受到一定的影響；方案2則只需要設置約3度的開口角度，環簧與鎖環之間無機械沖擊。因此，優選方案2。

5 環簧截面尺寸分析

環簧截面徑向尺寸為1 40±0.05mm，軸向為1.50±0.05mm，若其實際尺寸小于基本尺寸，環簧可能會因剛度不足而無法提供鎖環轉過相應角度所需的軸向力，致使同步過程無法順利進行。

環簧徑向實際尺寸極小值為1.35mm，軸向實際尺寸極小值為1.45mm，據此計算接合套越過環簧的過程中作用在環簧上的軸向力為13.229N，滿足其下限值需求。因此，當環簧開口角度為3度時，環簧在加工誤差范圍內能夠正常工作。

6 總結

針對環簧式同步器換擋力偏大的問題，提出了環簧剛度優化方案和周向定位方案，分析了環簧截面尺寸對其剛度的影響。具體如下：

（1）在滿足環簧功能要求的前提下，環簧開口角度不得小于2.664度，推薦設置開口角度為3度。

（2）對比二種環簧周向定位結構，在鎖環凸起部分開槽更能保證環簧的使用壽命，有利于同步器性能的穩定性。

（3）開口角度為3度的環簧在加工誤差范圍內能夠正常工作。