變速器氣動副箱同步器的設計

喬湘鶴，方向進，周德龍

（浙江萬里揚變速器股份有限公司研究院，浙江金華321000）

變速器氣動副箱同步器的設計

喬湘鶴，方向進，周德龍

（浙江萬里揚變速器股份有限公司研究院，浙江金華321000）

分析多擋變速器副箱同步器工況，選擇鎖銷同步器作為副箱同步器，對同步器進行參數計算和結構設計，并給出臺架試驗中需要重點關注的地方，以驗證同步器設計是否合理。

變速器；同步器

0　前言

為滿足車輛經濟性的要求，多擋變速器越來越多地被應用。在重載卡車變速器中，一般都是以主副箱倍擋組合的形式構成多擋變速器（圖1）。在國內的卡車變速器中還是MT占據統治地位，主箱采用手動換擋，副箱一般采用氣動換擋，為保證使用性能，副箱換擋必須使用同步器換擋，且該同步器的使用與主箱同步器因工況的不同，使得氣動副箱同步器的設計要點與普通主箱同步器也有較大的區別。

1　副箱同步器工況

1.1輸入端慣量

因為副箱在換擋時，主箱按要求都是在空擋位置，也就是同步器輸入端需要同步的慣量其實比主箱所要同步的慣量（從動盤）要明顯小，特別是雙中間軸變速器主箱不帶同步器的變速器中，副箱同步器輸入端只有一根主軸和幾個滑移齒套，這樣使得副箱同步器高擋端同步容量可以相對而言設計較小。

1.2副箱速比

為了變速器整體速比的合理性，副箱速比一般較大，在3～5之間，高低擋角速度差比普通同步器要明顯偏大，使得低擋同步器所要同步的慣量經過大速比的轉換后，會較類似中心距的主箱同步器所需要同步的慣量大好幾倍，這就需要低擋同步器容量能夠盡可能地大。

1.3換擋力

因為副箱同步器基本都為氣動換擋，與主箱的手動換擋相比，同步器受到一個明顯的沖擊力，且因為副箱換擋經常是在主箱選擋過程中完成，所以需要副箱換擋更為迅速，使得副箱的氣動換擋力大小一般是手動換擋的幾倍。

2　副箱同步器選擇

2.1結構模式的選擇

現在常用的慣性同步器主要有2種結構，分別為鎖環式結構和鎖銷式結構，鎖環式換擋更為輕便，且更容易實現多錐模式，但是一般要求兩端同步環大小相同，且同步環的外徑受齒套的約束，在同樣數量錐面的情況下，同步器容量較鎖銷同步器小。

副箱高低擋切換，速度差的方向總是一致，采用鎖銷同步器可以根據這一特點在鎖銷處增加一個沿同步環圓周方向的彈簧，可以保證同步環鎖止面（鎖銷同步器為鎖銷鎖止面）與齒套鎖止面的時刻接觸，并緩沖因為擋位切換而造成的沖擊。所以選擇鎖銷同步器作為氣動副箱同步器。

2.2同步環材料的選擇

采用氣動換擋，沖擊力較大，所以同步環的基體材料一定要采用鋼基或者與鋼基機械性能類似的粉末冶金材料。表面摩擦材料選擇編織碳材料，這樣可以使得摩擦因數達到0.11左右，可以在同等同步環錐徑時，有效增大同步器容量。同時有資料表明：編織碳可以在一定程度上緩沖，減緩同步器在氣動換擋中所受的沖擊力。

3　同步器計算

同步系統簡圖見圖2。

圖中：Jc為輸入端一軸和離合器從動片等零件的轉動慣量；

Mc為阻力矩；

ωc為輸入端角速度；

Mf為同步環摩擦力矩；

Mv為汽車行駛阻力矩；

ωv為輸出端角速度；

Jv為輸出端轉動慣量。

換擋時首先要脫離原來的擋位，在處于空擋的瞬間，變速器輸入端和輸出端的轉速理論上均應有所改變，同步時的轉速則是一新的轉速。但實際上輸出端所連的是整車，因而具有相當大的轉動慣量。在通常行駛條件下，可以假定輸出端的轉速在換擋瞬間是不變的。而輸入端轉速則需靠同步摩擦力矩作用來達到與輸出端同步。根據這一假定，從系統簡圖中：ωv不變，同步摩擦力矩Mf需克服輸入端零件的慣性力矩Jc×dωc/ dt，從而改變ωc，直到輸入端與輸出端同步。根據動量矩定理可列出下列方程式：

3.1角速度差Δω的計算

在理論設計計算中，一般是按角速度差的最大值計算。所以只有假設2個角速度中有一個是相當于發動機最大功率時的轉速的值，才是同步過程中的最大角速度差。

（1）低擋換高擋。此時汽車處于加速過程，可以假定與整車相連的輸出端（二軸及同步器齒套）換擋時轉速不變，仍為換擋前的低擋轉速。而輸入端（被同步齒輪）的轉速則高于輸出端轉速。輸入端需要減速才能同步。只有假定換擋前輸入端的轉速相應于發動機最大功率的轉速nN，才能得到角速度差的最大值Δωmax。所以：

（2）高擋換低擋。此時汽車處于減速過程，亦可以假定與整車相連的輸出端（二軸及同步器齒套）換擋時轉速不變，仍為換擋前的高擋轉速。而輸入端（被同步齒輪）的轉速則低于輸出端轉速。輸入端需要加速才能同步。只有假定換擋前輸入端的轉速是相應于發動機最大功率的轉速nN，才能得到角速度差的最大值Δωmax。所以：

3.2同步慣量

換擋過程中依靠同步器改變轉速的零部件包括：主箱二軸、副箱中間軸、與中間軸齒輪相嚙合的副箱輸入齒輪，統稱為同步過程的輸入端。而輸入端的轉動慣量Jc的計算步驟是：首先計算上述相關零部件的轉動慣量，而后按不同的擋位轉換到被同步的擋位齒輪上去。

轉動慣量的轉換基本公式為

3.3同步器摩擦力矩

如圖3所示，根據公式可以計算出同步器摩擦力矩Mf：

式中：P為作用在同步錐面軸向力；

μ為同步錐面間摩擦因數；

R錐為錐面平均半徑；

α為同步錐角。

3.4 同步時間計算

根據同步器計算基本公式：

可以計算出同步時間t，在氣動副箱中為保證換擋的靈敏，需要保證換擋時間小于通常手動換擋同步器0.5 s，并且因為副箱換擋過程要在主箱選擋的過程中完成，則理論上副箱換擋時間越短，對整個變速器的換擋越好。

3.5鎖止角設計

根據前文所述，在氣動換擋的副箱中，采用鎖銷同步器主要是利用高低擋角速度差方向一致，從而在鎖銷同步器中增加緩沖彈簧，如圖4所示。

緩沖彈簧因為是作用在鎖銷上，所以它對同步器的鎖止會產生影響，所以這種副箱同步器不能采用傳統的鎖止角設計方法 “T摩擦≥T撥環”。

當鎖銷不受緩沖彈簧力時，鎖銷鎖止面受力情況如圖5所示。

式中：F為齒套所受的力，在氣動副箱中，則為氣缸所產生的力。

而因為有一個圓周方向的緩沖彈簧力，所以這個彈簧力會在掛擋時產生一個鎖止增力，即彈簧力與齒套所受的切向分力同向。

即掛擋時，同步器的撥環扭矩為：

式中：F彈為緩沖彈簧的作用力；

Rc為緩沖彈簧的作用圓半徑，在設計中，可以與自身鎖銷分布圓不處于同一分布圓上。

帶緩沖彈簧的副箱同步器，高低擋環分別有各自的3個作用鎖銷，而且從經濟性考慮，高擋采用摩擦內錐，低擋采用摩擦外錐，摩擦力矩不同。

4　同步器試驗以及反饋設計

同步器設計完需要進行臺架試驗檢驗設計是否合理，對于氣動副箱同步器特別是以下幾個方面需要驗證：

（1）同步器參數中各同步環寬度和同步環摩擦力矩與撥環力矩的比值需要通過同步器試驗進行調整設計，必須保證不會因摩擦力矩與撥環力矩比值過大造成換擋遲緩。

（2）同步環的寬度在滿足設計要求時，也需進行試驗，確保磨損次數和時間能夠符合要求。

【1】吳宗澤.機械零件設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2003.

【2】劉維信.汽車設計［M］.北京:清華大學出版社，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

喬湘鶴，男，本科，工程師，研究方向為變速器設計。E-mail:wind_q@sina.com。