張發(fā)勇

（陜西法士特集團(tuán)公司 汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

0 引言

傳統(tǒng)鎖環(huán)式同步器利用同步環(huán)外周均布的幾十個(gè)鎖止齒來實(shí)現(xiàn)可靠鎖止，以滿足同步器的基本功能，但是這使得同步環(huán)的加工制造難度大大增加，加工成本也居高不下。在這種背景下，開發(fā)了一種無鎖止齒的鎖環(huán)式同步器，從而解決同步環(huán)加工制造成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。

1 無鎖止齒同步器的組成

如圖1、圖2所示，無鎖止齒同步器由滑套、齒轂、結(jié)合齒圈、同步器壓簧、摩擦環(huán)、鎖塊和分度塊組成。與傳統(tǒng)的鎖環(huán)式同步器不同的是：其摩擦環(huán)沒有鎖止齒，而鎖止和分度功能由鎖塊（如圖3所示）與分度塊組件完成。

圖1 無鎖止齒同步器組成和結(jié)構(gòu)

2 無鎖止齒同步器的工作原理

如圖1所示，結(jié)合齒圈B與結(jié)合齒圈A分別通過其相應(yīng)花鍵與輸出軸1檔齒輪和2檔齒輪（圖中未示出）相連接，作為發(fā)動機(jī)動力的輸入端；齒轂C通過花鍵與輸出軸相連接。下面以變速器1檔升2檔為例來說明同步器的工作原理。

2.1 同步前的準(zhǔn)備過程

升檔前，與變速器輸出軸相連的齒轂轉(zhuǎn)速n1小于結(jié)合齒圈A的轉(zhuǎn)速n2，于是由于摩擦副間潤滑油的粘連作用使得摩擦環(huán)伸入齒轂凹槽的凸爪逆時(shí)針轉(zhuǎn)向D面（見圖2），使得分度塊右側(cè)斜面與鎖塊右側(cè)斜面貼合，進(jìn)入鎖止?fàn)顟B(tài)。

圖2 同步器的3D結(jié)構(gòu)圖

圖3 鎖塊的結(jié)構(gòu)

2.2 同步過程

當(dāng)滑套從1檔摘到空檔后，鎖塊在彈簧力的作用下回位（即回到滑套的V型凹槽內(nèi)），此后滑套在換檔力的作用下繼續(xù)向2檔齒輪側(cè)軸向移動，使得滑套V型槽的右側(cè)斜面與鎖塊的相應(yīng)斜面壓緊，換檔力通過該斜面上的正壓力和摩擦力傳遞到鎖塊上，鎖塊一方面通過右側(cè)的斜面周向壓緊分度塊，另一方面通過左側(cè)平面軸向壓緊分度塊，將軸向的換檔力傳遞到分度塊，再通過分度塊傳遞給摩擦環(huán)，從而在摩擦錐面上產(chǎn)生摩擦同步力矩。

圖4為鎖塊A點(diǎn)的受力分析，圖5為鎖塊B點(diǎn)的受力分析，圖6為分度塊的受力分析。鎖塊在A點(diǎn)的軸向平面和B點(diǎn)（見圖3）的徑向平面力的作用下平衡?；趫D4，在水平方向上（軸向）有：

其中：Fn為滑套與鎖塊間的正壓力；Ff為滑套與鎖塊間的摩擦力；Fa為分度塊作用的換檔力的反作用力。

基于圖6，在水平方向（圓周方向）上有：

其中：F′n1為鎖塊與分度塊間的正壓力；F′f1為鎖塊與分度塊間的摩擦力；fs為摩擦錐面間產(chǎn)生的摩擦力。

圖4 鎖塊A點(diǎn)的受力分析（軸向平面內(nèi)）

結(jié)合圖4和圖5，在豎直方向（徑向）上有：

其中：Fn1，F(xiàn)f1分別為F′n1，F(xiàn)′f1的反作用力；Fs為彈簧作用在鎖塊上的彈力。

由摩擦力公式有：

其中：μ0，μ1，μ分別為滑套與鎖塊間、鎖塊與分度塊間和摩擦錐面間的摩擦系數(shù)；α為摩擦錐面的錐角。

由Fn1＝F′n1，F(xiàn)f1＝F′f1和式（1）～式（6）可得：

由于Fs?Fa，所以有：

式（7）即為可靠鎖止條件。由式（7）可知，通過設(shè)計(jì)合適的角度α，β，γ可以實(shí)現(xiàn)同步器的可靠鎖止。在初步設(shè)計(jì)時(shí)，由于μ0，μ1通常在0.1左右，可以忽略，故式（7）可簡化為：

當(dāng)α＝8°、β＝50°、γ＝50°、μ＝0.12、μ0＝μ1＝0.1時(shí)，式（8）為1.03＞0.84，式（7）為1.26＞1.03，均滿足同步器的可靠鎖止條件。

當(dāng)同步完成后，由于錐面間摩擦力消失，分度塊在F′n1和F′f1的作用下后退，這使得F′n1和F′f1迅速減小，此時(shí)Fn和Ff克服彈簧力Fs，從而使得滑套越過鎖塊開始自由穿越過程，穿過摩擦環(huán)。

由于在自由穿越過程中，攪油阻力、軸承阻力等拖曳扭矩的存在，使得結(jié)合齒圈A與滑套間再次產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，但由于穿越過程極短，所以轉(zhuǎn)速差一般也很小。但當(dāng)油溫較低和軸承等其他部件間的摩擦阻力較大時(shí)，則會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速差，在滑套結(jié)合到結(jié)合齒圈時(shí)產(chǎn)生較大的二次撥環(huán)沖擊。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制自由穿越階段的時(shí)間，否則過大的沖擊會造成滑套和結(jié)合齒圈的早期失效。二次撥環(huán)結(jié)束后，滑套強(qiáng)行進(jìn)入結(jié)合齒圈，完成掛檔過程，此時(shí)，變速器完成了從1檔升入2檔的操作。

圖5 鎖塊B點(diǎn)的受力分析（徑向平面內(nèi)）

圖6 分度塊的受力分析

3 無鎖止齒同步器的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的鎖環(huán)式同步器相比，無鎖止齒同步器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①同步器摩擦環(huán)、齒轂、滑套等主要零件的結(jié)構(gòu)更加簡單，加工更為容易；②因?yàn)橥狡髁慵庸すに嚨暮唵位沟弥圃斐杀敬蠓档?；③減小了摩擦環(huán)等零件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和拖曳阻力，從而提高了傳動效率，節(jié)約了材料和燃料；④因?yàn)橥狡鹘Y(jié)構(gòu)的簡化，降低了換檔過程的功率損失，也增強(qiáng)了零件的可靠性，從而提高了同步器的效率和使用壽命；⑤同步器摩擦環(huán)可以采用諸如粉末冶金等的低成本方法來生產(chǎn)和制造。

4 結(jié)論

詳細(xì)分析了無鎖止齒鎖環(huán)式同步器的實(shí)現(xiàn)原理和工作過程。這種無鎖止齒的鎖環(huán)同步器由于取消了鎖止齒，使得產(chǎn)品的重量減小、壽命提高，降低了生產(chǎn)設(shè)備和相應(yīng)模具的成本，同時(shí)提高了同步器的效率和壽命，是未來鎖環(huán)式同步器的一個(gè)重要發(fā)展方向。

［1］ 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［2］ 黃旦中.轎車變速器同步器設(shè)計(jì)和研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2002：8－20.