变速器气动副箱同步器的设计

乔湘鹤，方向进，周德龙

（浙江万里扬变速器股份有限公司研究院，浙江金华321000）

变速器气动副箱同步器的设计

乔湘鹤，方向进，周德龙

（浙江万里扬变速器股份有限公司研究院，浙江金华321000）

分析多挡变速器副箱同步器工况，选择锁销同步器作为副箱同步器，对同步器进行参数计算和结构设计，并给出台架试验中需要重点关注的地方，以验证同步器设计是否合理。

变速器；同步器

0　前言

为满足车辆经济性的要求，多挡变速器越来越多地被应用。在重载卡车变速器中，一般都是以主副箱倍挡组合的形式构成多挡变速器（图1）。在国内的卡车变速器中还是MT占据统治地位，主箱采用手动换挡，副箱一般采用气动换挡，为保证使用性能，副箱换挡必须使用同步器换挡，且该同步器的使用与主箱同步器因工况的不同，使得气动副箱同步器的设计要点与普通主箱同步器也有较大的区别。

1　副箱同步器工况

1.1输入端惯量

因为副箱在换挡时，主箱按要求都是在空挡位置，也就是同步器输入端需要同步的惯量其实比主箱所要同步的惯量（从动盘）要明显小，特别是双中间轴变速器主箱不带同步器的变速器中，副箱同步器输入端只有一根主轴和几个滑移齿套，这样使得副箱同步器高挡端同步容量可以相对而言设计较小。

1.2副箱速比

为了变速器整体速比的合理性，副箱速比一般较大，在3～5之间，高低挡角速度差比普通同步器要明显偏大，使得低挡同步器所要同步的惯量经过大速比的转换后，会较类似中心距的主箱同步器所需要同步的惯量大好几倍，这就需要低挡同步器容量能够尽可能地大。

1.3换挡力

因为副箱同步器基本都为气动换挡，与主箱的手动换挡相比，同步器受到一个明显的冲击力，且因为副箱换挡经常是在主箱选挡过程中完成，所以需要副箱换挡更为迅速，使得副箱的气动换挡力大小一般是手动换挡的几倍。

2　副箱同步器选择

2.1结构模式的选择

现在常用的惯性同步器主要有2种结构，分别为锁环式结构和锁销式结构，锁环式换挡更为轻便，且更容易实现多锥模式，但是一般要求两端同步环大小相同，且同步环的外径受齿套的约束，在同样数量锥面的情况下，同步器容量较锁销同步器小。

副箱高低挡切换，速度差的方向总是一致，采用锁销同步器可以根据这一特点在锁销处增加一个沿同步环圆周方向的弹簧，可以保证同步环锁止面（锁销同步器为锁销锁止面）与齿套锁止面的时刻接触，并缓冲因为挡位切换而造成的冲击。所以选择锁销同步器作为气动副箱同步器。

2.2同步环材料的选择

采用气动换挡，冲击力较大，所以同步环的基体材料一定要采用钢基或者与钢基机械性能类似的粉末冶金材料。表面摩擦材料选择编织碳材料，这样可以使得摩擦因数达到0.11左右，可以在同等同步环锥径时，有效增大同步器容量。同时有资料表明：编织碳可以在一定程度上缓冲，减缓同步器在气动换挡中所受的冲击力。

3　同步器计算

同步系统简图见图2。

图中：Jc为输入端一轴和离合器从动片等零件的转动惯量；

Mc为阻力矩；

ωc为输入端角速度；

Mf为同步环摩擦力矩；

Mv为汽车行驶阻力矩；

ωv为输出端角速度；

Jv为输出端转动惯量。

换挡时首先要脱离原来的挡位，在处于空挡的瞬间，变速器输入端和输出端的转速理论上均应有所改变，同步时的转速则是一新的转速。但实际上输出端所连的是整车，因而具有相当大的转动惯量。在通常行驶条件下，可以假定输出端的转速在换挡瞬间是不变的。而输入端转速则需靠同步摩擦力矩作用来达到与输出端同步。根据这一假定，从系统简图中：ωv不变，同步摩擦力矩Mf需克服输入端零件的惯性力矩Jc×dωc/ dt，从而改变ωc，直到输入端与输出端同步。根据动量矩定理可列出下列方程式：

3.1角速度差Δω的计算

在理论设计计算中，一般是按角速度差的最大值计算。所以只有假设2个角速度中有一个是相当于发动机最大功率时的转速的值，才是同步过程中的最大角速度差。

（1）低挡换高挡。此时汽车处于加速过程，可以假定与整车相连的输出端（二轴及同步器齿套）换挡时转速不变，仍为换挡前的低挡转速。而输入端（被同步齿轮）的转速则高于输出端转速。输入端需要减速才能同步。只有假定换挡前输入端的转速相应于发动机最大功率的转速nN，才能得到角速度差的最大值Δωmax。所以：

（2）高挡换低挡。此时汽车处于减速过程，亦可以假定与整车相连的输出端（二轴及同步器齿套）换挡时转速不变，仍为换挡前的高挡转速。而输入端（被同步齿轮）的转速则低于输出端转速。输入端需要加速才能同步。只有假定换挡前输入端的转速是相应于发动机最大功率的转速nN，才能得到角速度差的最大值Δωmax。所以：

3.2同步惯量

换挡过程中依靠同步器改变转速的零部件包括：主箱二轴、副箱中间轴、与中间轴齿轮相啮合的副箱输入齿轮，统称为同步过程的输入端。而输入端的转动惯量Jc的计算步骤是：首先计算上述相关零部件的转动惯量，而后按不同的挡位转换到被同步的挡位齿轮上去。

转动惯量的转换基本公式为

3.3同步器摩擦力矩

如图3所示，根据公式可以计算出同步器摩擦力矩Mf：

式中：P为作用在同步锥面轴向力；

μ为同步锥面间摩擦因数；

R锥为锥面平均半径；

α为同步锥角。

3.4 同步时间计算

根据同步器计算基本公式：

可以计算出同步时间t，在气动副箱中为保证换挡的灵敏，需要保证换挡时间小于通常手动换挡同步器0.5 s，并且因为副箱换挡过程要在主箱选挡的过程中完成，则理论上副箱换挡时间越短，对整个变速器的换挡越好。

3.5锁止角设计

根据前文所述，在气动换挡的副箱中，采用锁销同步器主要是利用高低挡角速度差方向一致，从而在锁销同步器中增加缓冲弹簧，如图4所示。

缓冲弹簧因为是作用在锁销上，所以它对同步器的锁止会产生影响，所以这种副箱同步器不能采用传统的锁止角设计方法 “T摩擦≥T拨环”。

当锁销不受缓冲弹簧力时，锁销锁止面受力情况如图5所示。

式中：F为齿套所受的力，在气动副箱中，则为气缸所产生的力。

而因为有一个圆周方向的缓冲弹簧力，所以这个弹簧力会在挂挡时产生一个锁止增力，即弹簧力与齿套所受的切向分力同向。

即挂挡时，同步器的拨环扭矩为：

式中：F弹为缓冲弹簧的作用力；

Rc为缓冲弹簧的作用圆半径，在设计中，可以与自身锁销分布圆不处于同一分布圆上。

带缓冲弹簧的副箱同步器，高低挡环分别有各自的3个作用锁销，而且从经济性考虑，高挡采用摩擦内锥，低挡采用摩擦外锥，摩擦力矩不同。

4　同步器试验以及反馈设计

同步器设计完需要进行台架试验检验设计是否合理，对于气动副箱同步器特别是以下几个方面需要验证：

（1）同步器参数中各同步环宽度和同步环摩擦力矩与拨环力矩的比值需要通过同步器试验进行调整设计，必须保证不会因摩擦力矩与拨环力矩比值过大造成换挡迟缓。

（2）同步环的宽度在满足设计要求时，也需进行试验，确保磨损次数和时间能够符合要求。

【1】吴宗泽.机械零件设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2003.

【2】刘维信.汽车设计［M］.北京:清华大学出版社，2001.

Design of Transmission Pneumatic Auxiliary Box Synchronizer

QIAO Xianghe，FANG Xiangjin，ZHOU Delong
（Transmission Research Institute，Zhejiang Wanliyang Transmission Co.，Ltd.，Jinhua Zhejiang 321000，China）

The working conditions of auxiliary box synchronizer of multi gear transmission were analyzed.Lockpin synchronizer was chosen as the auxiliary box synchronizer.Parameters calculation and structure design for the synchronizer were done.Notices in bench test were presented to validate the design rationality of the synchronizer.

Transmission；Synchronizer

2015-03-16

乔湘鹤，男，本科，工程师，研究方向为变速器设计。E-mail:wind_q@sina.com。