重型商用車的三錐面同步器的設計方法研究

成 崎，陳繼紅

(綦江齒輪傳動有限公司， 重慶 401420)

1 引言

對于變速器來說，尤其是機械式齒輪傳動結構的變速器，同步器是不可或缺的零部件之一。安裝同步器的機械式變速器具有一般同步器沒有的優點，包括換擋更加柔和、換擋噪聲小等優點，而且由于換擋時的齒輪沖擊減少，同時也能增加齒輪使用壽命。對于同步器的設計，最好能在不增加尺寸和質量的基礎上，同時使同步器具有更大的同步容量。目前6擋變速器普遍采用的一二擋同步器是雙錐面的同步器。

但是重型商用車的使用條件和要求較高，普通雙錐面同步器不能達到使用要求。因此，本文將探索三錐面同步器相關設計參數的優化方面，以達到縮短一二擋同步時間，降低換擋力，提升同步器使用壽命等目的。

2 三錐面同步器的設計

2.1 同步器工作原理及錐面結構分析

根據牛頓第二定律以及動量矩定理：

(1)

(2)

其中:為 力矩;為角加速度;為同步器輸入端零件的角速度;為同步器輸入端零件的轉動慣量;為同步時間;為同步器工作錐面上的摩擦力矩。

(3)

另一方面，在換擋時，當換擋力的大小不發生改變時，則同步器工作錐面上的摩擦力矩如下式所示:

(4)

式中：為作用在錐面上的軸向分力,一般情況下為接合套上的軸向力；為工作錐面上的摩擦系數；為 錐面平均摩擦半徑；為摩擦錐面的錐面角。

想要完成同步這一過程，需要同步提供的摩擦力矩大于克服轉動慣量所需的力矩，即

(5)

變形得：

(6)

對于多錐同步器，其同步摩擦力矩方程式應該是：

(7)

如果選擇三錐同步器，式(5)變形得

(8)

由式(6)、式(7)可以得出結論：錐面越多，可以產生更大的摩擦力矩，換擋所需的力和時間的乘積將成倍降低，提高換擋輕便性。

在重型變速器，特別是在低擋位中，由于受中心距和尺寸結構限制，無論怎樣優化各種參數，同步器容量還是不能滿足需要，這并不是同步器本身的問題，此時應考慮的是采用多錐面同步器。

2.2 技術方案

通過結構設計，分別將同步環2、錐轂3、中間環4、內環5組成3套摩擦副，固定在2個擋位齒輪9、10上。見圖1。

圖1 三錐同步器的結構示意圖

換擋時，齒套1移動，帶動同步推塊7，壓緊同步環2、錐轂3、中間環4、內環5等4個零件，通過錐面接觸， 3套摩擦副產生摩擦力矩，克服慣性力矩，最后撥環力撥動同步環2，并通過同步環，完成換擋。

2.3 性能指標

在同步器設計時，我們有很多評價指標來評價同步器是否滿足設計要求。常用的指標有：換擋力、同步時間，比摩擦功、極限壓強等等。

換擋力和同步時間是是同步器設計時最重要的指標，也是用戶使用時唯一能感受到的指標。由于每輛車的換擋操縱桿系不同，導致換擋的杠桿比不一樣，所以理論計算時常以同步滑套上的力來判定，由于同步器的換擋力和換擋時間成反比，所以行業內常常用換擋沖量這個概念來評價換擋性能，換擋沖量是指在換擋過程中，提供的換擋力與時間之積。其大小直接關系著換擋性能的好壞。

主要是以摩擦功和錐面極限壓強來評判，其值越小，代表壽命越安全。

表1為三錐面同步器性能指標計算結果，通過與雙錐同步器計算性能指標對比，換擋沖量值大幅降低，換擋性能提升明顯。摩擦功和錐面極限壓強均明顯降低，使用壽命提高。

表1 雙錐和三錐同步器的性能指標

2.4 換擋卡滯等問題分析和優化

對換擋卡滯進行分析，根據動態換擋全過程圖分析，卡滯分為換擋卡滯和退擋卡滯。

..換擋卡滯優化方案

換擋卡滯一般主要體現在圖2中的2次沖擊區域，評價指標為2次沖擊力，在這個區域，主要有2個進擋卡滯點，如圖3所示。

圖2 動態換擋過程曲線

第一進擋卡滯點是錐轂與齒套(如圖4所示)的鎖止面接觸產生的沖擊。減小鎖止角1有利于降低2次沖擊力。降低卡滯感。

第二進擋卡滯點是同步完成后，同步環與齒套倒錐的過渡導向角2接觸產生的沖擊,加大過渡導向角2,有利于同步環順利通過，降低卡滯感。

圖3 進擋卡滯點 1和進擋卡滯點2示意圖

圖4 齒套示意圖

因此，針對換擋卡滯，調整鎖止角1和過渡導向角2的尺寸，可以降低換擋卡滯感。見表2。

表2 雙錐和三錐同步器的換擋卡滯角

..退擋卡滯優化方案

主要體現從2個方面考慮，一方面是倒錐角度的選擇。一般的倒錐角，主要有1∶9-1∶11、1∶14 -1∶16、1∶18-1∶23三種規格，分別是5°，4°，3°左右，倒錐角度太小，容易跳擋，倒錐角度太大，容易產生退擋卡滯感，本次三錐面同步器倒錐角度綜合考慮退擋卡滯感和跳擋因素，最終選擇1∶14 -1∶16。

另一方面是同步器結構的原因。目前普遍采用的雙錐同步器的齒座的齒的寬度較窄，只有12 mm，開始退擋時，齒頂的倒角與齒套倒錐的導向角，剛好接觸，容易產生卡滯，見圖5。在試驗過程，有時退擋會有輕微的卡滯感。本次三錐同步器設計時，加大齒座的齒寬到18 mm，這樣，退擋時，齒座齒頂的倒角正好位于齒套的中部，從設計上避免了退擋時，齒座的倒角與齒套倒錐的導向角的沖擊，見圖6。

圖5 普通雙錐同步器示意圖

圖6 三錐同步器示意圖

無論何種卡滯，偏擺量的減少可以改善齒座與滑套工作時的對中性，可以降低卡滯感，因此對齒座與齒套偏擺量的控制，是很重要的。經檢測，新設計的三錐同步器的偏擺量遠小于雙錐同步器，見表3。

表3 雙錐和三錐同步器的偏擺量

3 三錐面同步器的試驗

換擋性能測試結果見表4。

表4 換擋性能測試結果

從圖7中可以看出，雙錐同步器2擋換1擋和1擋換2擋，均有較明顯的卡滯點，而三錐同步器無明顯卡滯點。說明本次三錐同步器卡滯測試無明顯卡滯感，優與雙錐同步器。

圖7 動態換擋性能測試曲線

對三錐面同步器1、2擋進行換擋壽命試驗，總共完成了109365次換擋試驗，在試驗結束后該同步器仍具有正常使用功能，使用壽命高于Q/QJC8—2011《汽車機械式變速器總成技術條件》標準。

從性能測試結果可以看出：碳纖維三錐同步器相比碳纖維雙錐同步器性能有較大提升，最大提升達到30.8%。

從壽命試驗結果可以看出：壽命試驗次數達到109 365次，高于標準規定的1、2擋同步器壽命8萬次指標要求，且試后同步器仍具正常使用功能。

綜上所述，本次試驗的1、2擋三錐同步器，其換擋性能提升明顯，同步器壽命達到并超過Q/QJC8—2011《汽車機械式變速器總成技術條件》的指標要求。

4 結論

以某商用車變速器為研究對象，對1、2擋使用的雙錐面及三錐面同步器進行了研究，對其參數進行了優化。解決了一般同步器換擋過程中的換擋卡滯和退擋卡滯，通過臺架試驗表明，采用優化后的三錐面同步器可以有效的降低商用車在換擋時的噪聲和齒間沖擊，該同步器具有較高的疲勞強度，使用壽命遠高于國標對變速器同步器的要求，具有良好的性能。