惯性式同步器计算方法探讨

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在机械式变速箱中，使用同步器可降低汽车变速器噪声、提高燃油经济性、避免换档冲击、延长齿轮和传动系统寿命，驾驶员在进行换档操作时不用两脚离合器换档，大大降低了驾驶员的疲劳强度，因此同步器被广泛地应用于汽车变速器上[1]。

l 同步器的结构及工作原理同步器有常压式、惯性式和惯性增力式 3种，惯性式同步器又分为锁销式和锁环式。锁环式同步器由于零件数量少、轴向尺寸短，可保证换档时齿轮啮合不受冲击，目前在国内商用汽车上得到了广泛应用[2]。

1.1 同步器结构锁环式同步器包括同步环、接合套、齿座、定位装置(定位销、滑块、定位弹簧)。图 1为典型锁环式同步器结构图。其中，同步环 4与锥环 2构成摩擦副；在同步过程中，如果齿轮与齿套转速不-致，齿套 5与同步环 4构成的锁定机构将阻止换档，避免换档冲击；定中弹簧 6和钢球 7可以保证齿套在空档时位于中间位置。

1.2 同步器工作原理图 2为同步器工作原理。齿套 2在定中弹簧作用下，处于空档中位(见图 2(a))，换档时，手柄球上换档力传递到齿套 2上，齿套 2克服定位机构的弹簧力，离开中间位置，此时，同步环 l与齿套 2的角速度不同，同步环 1相对齿套 2转动-个角度后，齿套与同步环锥角接触，锁止面3顶紧，此时齿套 2与同步环 1的锥角构成了锁定机构，阻止齿套向换档方向移动(见图2(b))。

操纵手柄上的力产生的轴向力 F使同步环 1的内锥面与锥环的外锥面产生摩擦力矩，使二者转速迅速接近；因为同步环 l连同齿套 2通过齿座与整个汽车相连，转动惯量相当大，转速下降很慢，而齿轮仅与离合器从动部分相连，转动惯量很孝，所以可以认为同步环转速基本不变；如果摩擦锥面之间转速不同，则不论所受换档力多大，锁止元件-直工作阻止换档，当转速相同后，惯性力矩消失，齿套的花键与齿轮锥环的花键啮合后完成换档(见图 2(c))。

1-原档位齿轮f2-锥环，3-锥形摩擦面l4-同步环I5-齿套l6-定中弹簧l7-钢球8-目标档位齿轮9-齿座图 l 典型锁环式同步器结构2(a)齿套空档(b)顶住锁止面 墨镭 位1-同步环z-齿套；3-锁止面；4-目标档位齿轮的花键图 2 同步器工作原理收稿日期t 2012-12-24I修回日期：2013-02-24作者简介t夏军田 (1976-)，男，山西大同人，工程师，本科，主要从事变速箱的研发工作。

· l94 · 机 械 工 程 与 自 动 化 2013年第 4期2 同步器的计算公式变速器在进行换档时，输出轴与整车惯性相连，假定转速不变。而目标档位齿轮的转速此时与整车转速不同且在不断变化，在同步器的作用下，目标档位齿轮逐步与输出轴的转速减小速差，并最终达到同-转速后完成换档。根据力学公式及同步器的工作原理，可得同步器设计计算的基本公式：标档 X AW T. 。 ..(1)其中：F为轴向换档力；R惟为摩擦锥面的半径； 为摩擦副间的摩擦系数；t为同步完成时间；a为倒锥角；J目标挎为目标档位的转动惯量；△ 为角速度差；T。为齿轮搅油损耗及摩擦阻力矩。

式(1)说明，同步器的结构参数-定且摩擦系数恒定时，换档力小则同步时间长，同步时间短则换档力就变大。增大同步环摩擦半径可缩短同步时间或减谢档力 。

3 同步器参数的选劝相关计算3.1 换 档 力的确 定换档操作时，驾驶员在整车手柄球上施加力，通过驾驶室杆系传递到变速器杆系上，最终传递到目标档位齿套 上，形成换 档力，驾驶员 的换 档力-般 为100 N～150 N〖虑传递杆系放大效果及杆系的机械效率 ，齿套上的换档力理论上先按 700 N～1 500 N进行计算，在对变速箱进行整车匹配时，要对整车的杆系进行校验，确定所设计的同步器换档力是否满足整车要求，避免在部分车型上出现换档性能差的状况。

3.2 同步环直径的确定在设计尺寸允许的情况下，同步环直径越大，则同步环锥面间的摩擦力矩也越大，换档性能较好。理论计算时，单锥同步器的换档性能不能满足要求时，可以通过加大摩擦锥面直径来实现，也可通过采用双锥或三锥来增加摩擦力矩。

3.3 同步环锥面宽度的确定同步环锥面宽度B的选取与摩擦材料、润滑条件及单位面积的摩擦功等有关，-般取 B-R椎/(1O～14)。

3.4 同步器倒锥角及摩擦系数的选取在同步过程中，摩擦副之间产生的摩擦力矩为M摩-FR锥f/sina，在设计成本允许的情况下选取摩擦系数 大的材料时，可增大同步器的容量、缩短同步时间。

倒锥角 Ct与同步环的摩擦材料相关，选取倒锥角a时，首先应考虑同步环在锥环上不会发生 自锁，倒锥角a尽量选取小的角度且满足下式：tan口≥ 。 (2)摩擦系数 的值与材料和同步器的工作环境相关(如温度及润滑条件)，材料 的摩擦 系数 -般取0.07～O.13。需要注意的是 ，由于双锥同步器更易发生自锁，因此双锥同步器的倒锥角-般情况下应大于单锥同步器的倒锥角。倒锥角 a-般在 6.5。～9。范围内选龋3.5 目标档处的等价转动惯量简化算法计算时，转动惯量等价到目标档位进行计算，根据公式推导可得 ：IR- 1R.M/D× i。 。 (3)其中：i为 目标档位的速比；J .M/。和 J 分别为转换前、后的转动惯量，kg/m。。

4 结束语同步器在设计中应注意以下几点：①设计时要充分考虑设计成本，在允许的情况下选择 值大的材料，获得较大的摩擦力矩，改善同步性能；②要考虑通用性，在满足换档性能的前提下，尽量借用现有结构；③要考虑同步器各零件之间的配合间隙，保证同步器的正常工作；④在进行同步器计算时，必须考虑齿轮搅油及摩擦等阻力矩 。