同步器及同步器齒環的設計探討

于毅

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同步器及同步器齒環的設計探討

于毅

（武漢協和齒環有限公司，湖北 武漢 430056）

論文介紹同步器及同步器齒環設計開發流程、設計參數的確定、同步性能核算指標及標準、同步器單體性能和變速箱臺架試驗驗證等。

同步器；同步器齒環；同步性能核算與驗證

1 同步器的組成

同步器是手動（包括雙離合、AMT和新能源減速機）變速箱內的核心部件，一方面承擔扭矩及轉速的傳遞；另一方面對換擋可靠性、舒適性等有重要的影響，其結構與轉速傳遞示意圖如所示。

圖1 變速箱解剖

這是同步器的組成，包括結合齒、同步器齒環（組件）、齒轂、齒套、滑塊等幾大部件。

圖2 速度傳遞路徑

圖3 完整的同步器結構

2 同步器齒環

同步器齒環是同步器的重要組成部件，有單錐齒環、雙錐齒環及三錐齒環三種結構。基本工作原理是：受來自齒套的軸向力的作用，在齒環與齒輪錐間慢慢建立起摩擦力矩（預同步過程），齒輪轉速迅速降低（或升高）直到齒環與齒輪逐漸同步旋轉、相對轉速為零（同步完成），齒環失去慣性力矩，隨著一個自動撥環過程， 齒套穿越齒環花鍵與結合齒完成嚙合。

圖4 單錐、雙錐、三錐同步器齒環結構

目前同步器齒環的工藝中主要有四種摩擦介質：銅螺紋（Brass）、噴鉬(Molybdenum)、燒結銅（Powder metal）及貼碳(Carbon)，我們可以根據產品同步性能計算的結果靈活選擇那種摩擦方式，也可以在臺架及路試完成后再做調整。

三種摩擦材料的性能指標對比如下：

表1 摩擦性能對比

隨著客戶對換檔性能的要求逐步提高，碳材料的應用日漸增加，得益于良好的動摩擦系數、耐磨性能及油品的兼容性。

3 同步器及同步器齒環開發的流程

（1）變速箱廠或整車廠會根據變速箱結構及空間尺寸大小給出同步器軸向或徑向的邊界尺寸以及對同步器總成的性能要求；比如：

同步器邊界尺寸要求：

表2 客戶空間尺寸要求

換擋壽命要求：

（2）選擇適當的花鍵參數與客戶給定空間尺寸匹配；

（3）進行同步性能核算，客戶的性能要求得到滿足的情況下盡量增加同步容量；

（4）根據核算輸出進行概念設計，建立同步器的初步數模，確定同步器及同步器齒環的主要尺寸，尤其是相關間隙的確立，是保證同步器正常工作的重點；

（5）與客戶技術交流，進一步完善設計方案；

（6）數模完善、CAE分析及二維圖的建立；

（7）原型樣件的試制及驗證（單體臺架、變速箱試驗）；

（8）圖紙的最后確認及工裝樣件的試制與驗證（變速箱、整車路試等）。

表3 客戶性能要求

4 同步器設計中關注的幾個主要參數及參考標準

表4 同步器設計參數推薦

5 同步器齒環設計中關注的幾個主要參數

表5 同步器齒環設計參數

6 同步性能核算結果的判斷標準

6.1 通常情況下，性能核算的一些基本條件

（1）手動檔箱加在手球上的換擋力：1/2檔80N，其它檔位60N；

（2）DCT/AMT加在齒套上的換擋力：1000-1200N

（3）發動機升/降檔速度，舒適性換擋：3000RPM/3000 RPM；運動型換擋：6000RPM/6000RPM

（4）拖曳力矩：手動檔箱2/4，自動檔7-10（干/濕離合器差異）

6.2 摩擦材料性能參數

表6 材料性能推薦

（1）除了前面同步設計中提及的相關標準外，同步性能核算后的結果必須滿足上表材料性能要求；

（2）在跨檔試驗或超負荷試驗中允許適當超出上表要求，但，換擋次數需要得到有效控制；

6.3 同步時間的常規要求

表7 同步時間推薦

7 同步器及同步器齒環的設計驗證

同步器及同步環的試驗驗證通常包括同步器單體試驗、變速箱臺架試驗及變速箱路試幾種方案

7.1 同步齒環單體磨耗試驗

在給定的慣量、轉速和換擋力矩和油溫的條件下進行同步器齒環的耐磨性、油品適應性驗證，同時可以進行摩擦系數的檢測。

圖5 同步器齒環單體臺架

圖6 磨耗及摩擦系數

7.2 同步器單體臺架試驗

在給定的慣量、轉速和換擋力矩和油溫的條件下進行模擬同步器總成在變速箱里的運行方式，考察某一個檔位的齒環、齒套、結合齒及撥叉等的工作狀態，力矩、位移、轉速差、同步時間、摩擦系數等都能實時展示。

圖7 同步器總成單體臺架

圖8 臺架耐久測試數據

7.3 變速臺架試驗

在給定的試驗條件，油溫、換檔力、電機轉速等，考察變速箱各個檔位及手球、拉索、撥叉、換擋機構等工作狀態，包括性能試驗和耐久試驗等模式。

圖9 變速箱臺架試驗

圖10 箱換檔曲線

通過上述的試驗驗證，分析測試數據及換擋曲線能了解間隙設計是否合理、摩擦材料的選擇是否正確、同步時間及換擋力等是否符合設計預期；當出現換擋卡滯等換檔性能變差時我們也能及時發現同步器那些位置、尺寸、參數需要進一步優化。

8 結語

同步器及同步器齒環的設計是一個很系統、很復雜的工程，在給定的條件下通過不斷優化、完善達到客戶最終的性能要求。本文給出的一些設計參數都是筆者實際工作中的一些經驗總結，在眾多項目中有過充分的應用與驗證，相信能對同行尤其是新進入這一領域的同事有所幫助的。

由于篇幅問題，許多更詳細的內容就無法一一介紹，請諒解。

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[2] 高維山,張恩浦.汽車設計叢書變速器[M].人民交通出版社.

[3] Oscar Yang.WET Friction Material[M].SGL Group.

[4] Ottmar Back.Basics of Synchronizers.Hoerbiger.

Design of Synchronizer and Synchronizer Ring

Yu Yi

( Wuhan Xiehe Tooth Ring Co., Ltd., Hubei Wuhan 430056 )

This article introduces the synchronizer and synchronizer ring’s development process, parameter determine, synchronization calculation and criteria, verification after designing by synchronizer test bench and gearbox test bench.

synchronizer;synchronizer ring;calculation of synchronization& Verification

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1671-7988(2019)09-98-04

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于毅（1968.12-），男，高級工程師職稱，碩士學位，現就職于武漢協和齒環（中日合資）有限公司，負責技術及質量等方面的工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.032