吳利霞

(中國重汽集團(tuán) 大同齒輪有限公司，山西 大同 037305)

鎖環(huán)式同步器彈簧的設(shè)計(jì)

吳利霞

(中國重汽集團(tuán) 大同齒輪有限公司，山西 大同 037305)

介紹了變速器用鎖環(huán)式同步器彈簧的設(shè)計(jì)，詳細(xì)講述了彈簧強(qiáng)度和彈簧鎖銷力的計(jì)算方法，根據(jù)該方法設(shè)計(jì)了兩組彈簧并進(jìn)行了臺架對比試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)和改進(jìn)同步器彈簧提供了一種計(jì)算方法。

同步器；彈簧；計(jì)算；試驗(yàn)

0 引言

為了消除換檔沖擊、延長齒輪和傳動系壽命，實(shí)現(xiàn)可靠平穩(wěn)迅速而又輕便的換檔，汽車變速器普遍采用了同步器。鎖環(huán)式同步器就是其中的一種，而同步器彈簧是同步器結(jié)構(gòu)中的重要零件，它不但決定著變速器靜態(tài)換檔力的大小，還對同步器阻止性能有著重要的影響。

1 鎖環(huán)式同步器彈簧的作用

鎖環(huán)式同步器主要由齒座、齒套、同步器鎖銷、同步器鎖銷座、同步器彈簧、同步器總成和齒輪錐環(huán)等零件組成，如圖1所示。

圖1 鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu)

同步器彈簧與撥叉軸自鎖彈簧共同反映靜態(tài)換檔力的大小，掛檔時(shí)，同步器鎖銷要想爬出齒套槽，必須要克服彈簧產(chǎn)生的鎖銷力，如果彈簧設(shè)計(jì)太硬，靜態(tài)換檔力沉重，但同步器去油效果好，有利于同步，卻不利于同步后阻止面的分離；如果彈簧設(shè)計(jì)太軟，靜態(tài)換檔力輕便，但同步器去油效果不好，容易延長同步時(shí)間，如果為氣動換檔，就會出現(xiàn)未同步就掛檔造成接合齒的沖擊，所以，設(shè)計(jì)同步器彈簧時(shí)，需要綜合考慮上述因素，并且要保證彈簧強(qiáng)度足夠。

2 鎖環(huán)式同步器彈簧的設(shè)計(jì)

2.1 彈簧強(qiáng)度計(jì)算

同步器彈簧材料一般選用碳素彈簧鋼絲，采用C級中應(yīng)力彈簧設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。彈簧的基本參數(shù)包括彈簧絲直徑d、彈簧中徑D2、有效圈數(shù)n、自由長L和彈簧剛度Kp等。校核同步器彈簧強(qiáng)度時(shí)必須滿足彈簧工作時(shí)最大剪切應(yīng)力τmax小于許用應(yīng)力τA。

同步器彈簧工作時(shí)主要受到軸向力P和扭矩T，工作時(shí)最大軸向力為：

Pmax=KpHmax.

(1)

其中：Hmax為彈簧工作時(shí)的最大壓縮量。

扭矩值為：

Tmax=PmaxD2/2.

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)得出同步器彈簧工作時(shí)的剪應(yīng)力τ為：

(3)

(4)

設(shè)計(jì)同步器彈簧時(shí)，要保證足夠的彈簧強(qiáng)度，須滿足τA/τmax>1。

2.2 彈簧力計(jì)算

設(shè)計(jì)同步器彈簧時(shí)，除了應(yīng)保證彈簧強(qiáng)度足夠外，還應(yīng)有合適的彈簧力，因?yàn)閺椈闪κ庆o態(tài)換檔力的主要影響因素，而靜態(tài)換檔力的大小又影響同步器的性能，所以合理的設(shè)計(jì)彈簧力至關(guān)重要。圖2為同步器鎖銷和齒套受力分析圖。

圖2 同步器鎖銷及齒套受力圖

鎖銷受到彈簧力P、鎖銷座的支持力f1、齒套斜面的支持力W的作用，由力平衡關(guān)系得：

P+Wμcosθ+f1μ=Wsinθ.

(5)

f1=Wcosθ+Wμsinθ.

(6)

其中：μ為齒套與鎖銷接觸面摩擦因數(shù)；θ為齒套斜面角度。彈簧力P可以根據(jù)式(1)求出，μ和θ為已知量。

齒套受到掛檔力F、鎖銷對齒套的反作用力W1、齒座的支撐力f2。由力平衡關(guān)系得：

F=W1cosθ+W1μsinθ.

(7)

W1sinθ=W1μcosθ+f2.

(8)

W與W1為作用力與反作用力，W=W1。由式(5)～式(8)可以計(jì)算出換檔力F、齒套斜面的支持力W、鎖銷座的支持力f1及齒座的支撐力f2。換檔力F為：

F=P·{(1-μ2)cosθ+2μsinθ}/

{(1-μ2)sinθ-2μcosθ}.

(9)

由式(9)可知，換檔力值與彈簧力P、斜面角度θ及摩擦因數(shù)μ有關(guān)系。在換檔力的作用下，鎖銷逐步從齒套槽的斜面上爬出齒套，在此動態(tài)過程中，彈簧的壓縮量在不斷變化，因此彈簧力P也在不斷變化，進(jìn)而換檔力也隨著時(shí)間在變化，這一過程中必有一最大值Fmax，該值影響著同步器去油效果的好壞及同步器分離條件的成立。所以，設(shè)計(jì)彈簧時(shí)，需要選擇合適的參數(shù)，以便滿足同步器的性能要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述同步器彈簧的設(shè)計(jì)方法，本文設(shè)計(jì)了兩種不同規(guī)格的同步器彈簧，并進(jìn)行臺架對比試驗(yàn)。

設(shè)計(jì)的彈簧1為：τA/τmax=0.9，單個(gè)換檔力F=14.2 kg；彈簧2為：τA/τmax=1.2，單個(gè)換檔力F=15.8 kg。

圖3為根據(jù)式(9)計(jì)算出的兩個(gè)彈簧隨著鎖銷爬出槽過程中不同位移所產(chǎn)生的換檔力變化曲線。

圖3 換檔力隨位移變化曲線

分別將兩種彈簧裝入變速箱進(jìn)行15萬次同步器試驗(yàn)。第一組彈簧同步器試驗(yàn)進(jìn)行到9.86萬次時(shí)，高檔出現(xiàn)一只彈簧疲勞折斷，且齒套和錐環(huán)接合齒有輕微沖擊，說明彈簧強(qiáng)度不足并且由于彈簧力小造成同步器阻止性能不足。第二組彈簧是在第一組彈簧的基礎(chǔ)上增大了彈簧強(qiáng)度和彈簧力，完成試驗(yàn)要求的15萬次后，拆解發(fā)現(xiàn)彈簧正常，沒有變形，剛度沒有衰減，齒套接合齒正常。因此，設(shè)計(jì)鎖環(huán)式同步器彈簧時(shí)，需要綜合考慮彈簧強(qiáng)度和彈簧力兩個(gè)因素，同時(shí)滿足同步器同步性能和阻止性能。

4 結(jié)語

許多典型的故障如掛檔接合齒沖擊、同步器彈簧變形或斷裂等都與彈簧設(shè)計(jì)不合理有關(guān)，本文所提供的同步器彈簧的設(shè)計(jì)方法，在變速箱設(shè)計(jì)或改進(jìn)時(shí)都有著非常重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。

[1] 劉選.變速器鎖銷式同步器的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].機(jī)械工程與自動化，2006(10):160-161.

[2] 譚慶昌，趙洪志，曾平.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

Design of Lock Ring Synchronizer Spring

WU Li-xia

(China National Heavy Duty Truck Group Datong Gear Co.,Ltd., Datong 037305, China)

This paper introduced the design of the lock ring synchronizer spring, described the calculation method of the spring strength and the spring force. Two springs were designed by use of this method, and the relevant bench tests were carried out. This work provided a calculation method for the design and improvement of the synchronizer spring.

synchronizer; spring; calculation; test

1672- 6413(2015)06- 0094- 02

2015- 05- 08；

2015- 10- 18

吳利霞(1981-)，女，山西大同人，工程師，碩士，主要從事變速箱設(shè)計(jì)。

U463.212+.41

A

山西省科技成果推廣計(jì)劃項(xiàng)目(2011071071)