同步器環(huán)簧剛度優(yōu)化與截面尺寸分析

劉洋

摘要：提出了一種改善環(huán)簧剛度特性的結(jié)構(gòu)方案，確定了環(huán)簧的周向定位結(jié)構(gòu)，通過研究環(huán)簧截面尺寸對(duì)其剛度的影響，優(yōu)化了環(huán)簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：同步器；環(huán)簧剛度；換擋力

1 引言

環(huán)簧式同步器存在換擋力偏大的固有缺點(diǎn)，其原因是：在換擋過程中，接合套高齒壓縮并越過環(huán)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(huán)簧式同步器與其他各類同步器相比具有零件數(shù)量最少、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、且性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此，若能見效環(huán)簧式同步器的換擋力，環(huán)簧式同步器必將成為極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的同步器。

2 環(huán)簧式同步器的結(jié)構(gòu)

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

3 環(huán)簧剛度優(yōu)化

換擋過程中，接合套高齒壓縮并越過環(huán)簧后，接合套的齒才能與鎖環(huán)的齒接觸，環(huán)簧剛度過大是導(dǎo)致?lián)Q擋力偏大的主要原因之一，因此需優(yōu)化環(huán)簧剛度。

接合套高齒加在環(huán)簧上的軸向力必須能夠保證接合套與鎖環(huán)接觸之前，鎖環(huán)相對(duì)于接合套轉(zhuǎn)過—個(gè)角度，完成其周向定位。故需確定鎖環(huán)相對(duì)于接合套轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度所需的軸向力。

式中：J為鎖環(huán)和環(huán)簧的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，μ為鎖環(huán)與接合齒間的摩擦系數(shù)，F(xiàn)_α為作用在鎖環(huán)上的軸向力，R為鎖環(huán)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(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab，繪制F_α隨△t變化的曲線圖，如圖2所示。當(dāng)△t=0.01s時(shí)，計(jì)算作用在鎖環(huán)上的軸向力F_α=7.1811N。環(huán)簧剛度下限值應(yīng)保證接合套高齒在壓縮環(huán)簧的過程中，作用在環(huán)簧上的軸向力不得小于7.1811N。

現(xiàn)根據(jù)某微型車一二擋同步器三維模型，借助Abaqus動(dòng)力學(xué)仿真，計(jì)算接合套越過環(huán)簧所需的軸向力。

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

結(jié)果表明，變形前后環(huán)簧開口端面沿其周向的運(yùn)動(dòng)量約為1.473mm，即當(dāng)環(huán)簧的開口角度大于或等于2.664度時(shí)，接合套越過環(huán)簧所需的軸向力幾乎不會(huì)變化，且滿足環(huán)簧剛度下限的要求。

4 環(huán)簧周向定位

環(huán)簧與鎖環(huán)是間隙配合安裝的，在工作過程中會(huì)產(chǎn)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)，為了保證環(huán)簧開口處不與接合套高齒接觸，必須對(duì)環(huán)簧進(jìn)行周向定位，其定位方案有如下二種。

為了便于加工，在鎖環(huán)凸起部分設(shè)置一個(gè)擋塊，擋塊高度略低于環(huán)簧高度，如圖3所示。

方案1加工簡(jiǎn)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(huán)簧開口端面會(huì)頻繁與擋塊相互作用，如此會(huì)影響環(huán)簧的使用壽命。

在鎖環(huán)凸起部分上設(shè)置限位槽，環(huán)簧上需設(shè)置與之對(duì)應(yīng)的內(nèi)凸起結(jié)構(gòu)，凸起與凹槽間隙配合，如圖4所示。

方案2需同時(shí)改變環(huán)簧和鎖環(huán)的結(jié)構(gòu)，加工稍復(fù)雜，但不會(huì)額外增大環(huán)簧的開口角度。

方案1需要設(shè)置約5度的開口角度，且環(huán)簧的使用壽命會(huì)受到一定的影響；方案2則只需要設(shè)置約3度的開口角度，環(huán)簧與鎖環(huán)之間無機(jī)械沖擊。因此，優(yōu)選方案2。

5 環(huán)簧截面尺寸分析

環(huán)簧截面徑向尺寸為1 40±0.05mm，軸向?yàn)?.50±0.05mm，若其實(shí)際尺寸小于基本尺寸，環(huán)簧可能會(huì)因剛度不足而無法提供鎖環(huán)轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度所需的軸向力，致使同步過程無法順利進(jìn)行。

環(huán)簧徑向?qū)嶋H尺寸極小值為1.35mm，軸向?qū)嶋H尺寸極小值為1.45mm，據(jù)此計(jì)算接合套越過環(huán)簧的過程中作用在環(huán)簧上的軸向力為13.229N，滿足其下限值需求。因此，當(dāng)環(huán)簧開口角度為3度時(shí)，環(huán)簧在加工誤差范圍內(nèi)能夠正常工作。

6 總結(jié)

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

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

（2）對(duì)比二種環(huán)簧周向定位結(jié)構(gòu)，在鎖環(huán)凸起部分開槽更能保證環(huán)簧的使用壽命，有利于同步器性能的穩(wěn)定性。

（3）開口角度為3度的環(huán)簧在加工誤差范圍內(nèi)能夠正常工作。