于毅

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同步器及同步器齒環(huán)的設(shè)計(jì)探討

于毅

（武漢協(xié)和齒環(huán)有限公司，湖北 武漢 430056）

論文介紹同步器及同步器齒環(huán)設(shè)計(jì)開發(fā)流程、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定、同步性能核算指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)、同步器單體性能和變速箱臺架試驗(yàn)驗(yàn)證等。

同步器；同步器齒環(huán)；同步性能核算與驗(yàn)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(jī)）變速箱內(nèi)的核心部件，一方面承擔(dān)扭矩及轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)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(jié)合齒、同步器齒環(huán)（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(jié)構(gòu)

2 同步器齒環(huán)

同步器齒環(huán)是同步器的重要組成部件，有單錐齒環(huán)、雙錐齒環(huán)及三錐齒環(huán)三種結(jié)構(gòu)?；竟ぷ髟硎牵菏軄碜札X套的軸向力的作用，在齒環(huán)與齒輪錐間慢慢建立起摩擦力矩（預(yù)同步過程），齒輪轉(zhuǎn)速迅速降低（或升高）直到齒環(huán)與齒輪逐漸同步旋轉(zhuǎn)、相對轉(zhuǎn)速為零（同步完成），齒環(huán)失去慣性力矩，隨著一個自動撥環(huán)過程， 齒套穿越齒環(huán)花鍵與結(jié)合齒完成嚙合。

圖4 單錐、雙錐、三錐同步器齒環(huán)結(jié)構(gòu)

目前同步器齒環(huán)的工藝中主要有四種摩擦介質(zhì)：銅螺紋（Brass）、噴鉬(Molybdenum)、燒結(jié)銅（Powder metal）及貼碳(Carbon)，我們可以根據(jù)產(chǎn)品同步性能計(jì)算的結(jié)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(diào)整。

三種摩擦材料的性能指標(biāo)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(yīng)用日漸增加，得益于良好的動摩擦系數(shù)、耐磨性能及油品的兼容性。

3 同步器及同步器齒環(huán)開發(fā)的流程

（1）變速箱廠或整車廠會根據(jù)變速箱結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)幕ㄦI參數(shù)與客戶給定空間尺寸匹配；

（3）進(jìn)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(jù)核算輸出進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，建立同步器的初步數(shù)模，確定同步器及同步器齒環(huán)的主要尺寸，尤其是相關(guān)間隙的確立，是保證同步器正常工作的重點(diǎn)；

（5）與客戶技術(shù)交流，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)方案；

（6）數(shù)模完善、CAE分析及二維圖的建立；

（7）原型樣件的試制及驗(yàn)證（單體臺架、變速箱試驗(yàn)）；

（8）圖紙的最后確認(rèn)及工裝樣件的試制與驗(yàn)證（變速箱、整車路試等）。

表3 客戶性能要求

4 同步器設(shè)計(jì)中關(guān)注的幾個主要參數(shù)及參考標(biāo)準(zhǔn)

表4 同步器設(shè)計(jì)參數(shù)推薦

5 同步器齒環(huán)設(shè)計(jì)中關(guān)注的幾個主要參數(shù)

表5 同步器齒環(huán)設(shè)計(jì)參數(shù)

6 同步性能核算結(jié)果的判斷標(biāo)準(zhǔn)

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(fā)動機(jī)升/降檔速度，舒適性換擋：3000RPM/3000 RPM；運(yùn)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(shù)

表6 材料性能推薦

（1）除了前面同步設(shè)計(jì)中提及的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，同步性能核算后的結(jié)果必須滿足上表材料性能要求；

（2）在跨檔試驗(yàn)或超負(fù)荷試驗(yàn)中允許適當(dāng)超出上表要求，但，換擋次數(shù)需要得到有效控制；

6.3 同步時(shí)間的常規(guī)要求

表7 同步時(shí)間推薦

7 同步器及同步器齒環(huán)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

同步器及同步環(huán)的試驗(yàn)驗(yàn)證通常包括同步器單體試驗(yàn)、變速箱臺架試驗(yàn)及變速箱路試幾種方案

7.1 同步齒環(huán)單體磨耗試驗(yàn)

在給定的慣量、轉(zhuǎn)速和換擋力矩和油溫的條件下進(jìn)行同步器齒環(huán)的耐磨性、油品適應(yīng)性驗(yàn)證，同時(shí)可以進(jìn)行摩擦系數(shù)的檢測。

圖5 同步器齒環(huán)單體臺架

圖6 磨耗及摩擦系數(shù)

7.2 同步器單體臺架試驗(yàn)

在給定的慣量、轉(zhuǎn)速和換擋力矩和油溫的條件下進(jìn)行模擬同步器總成在變速箱里的運(yùn)行方式，考察某一個檔位的齒環(huán)、齒套、結(jié)合齒及撥叉等的工作狀態(tài)，力矩、位移、轉(zhuǎn)速差、同步時(shí)間、摩擦系數(shù)等都能實(shí)時(shí)展示。

圖7 同步器總成單體臺架

圖8 臺架耐久測試數(shù)據(jù)

7.3 變速臺架試驗(yàn)

在給定的試驗(yàn)條件，油溫、換檔力、電機(jī)轉(zhuǎn)速等，考察變速箱各個檔位及手球、拉索、撥叉、換擋機(jī)構(gòu)等工作狀態(tài)，包括性能試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)等模式。

圖9 變速箱臺架試驗(yàn)

圖10 箱換檔曲線

通過上述的試驗(yàn)驗(yàn)證，分析測試數(shù)據(jù)及換擋曲線能了解間隙設(shè)計(jì)是否合理、摩擦材料的選擇是否正確、同步時(shí)間及換擋力等是否符合設(shè)計(jì)預(yù)期；當(dāng)出現(xiàn)換擋卡滯等換檔性能變差時(shí)我們也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)同步器那些位置、尺寸、參數(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化。

8 結(jié)語

同步器及同步器齒環(huán)的設(shè)計(jì)是一個很系統(tǒng)、很復(fù)雜的工程，在給定的條件下通過不斷優(yōu)化、完善達(dá)到客戶最終的性能要求。本文給出的一些設(shè)計(jì)參數(shù)都是筆者實(shí)際工作中的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在眾多項(xiàng)目中有過充分的應(yīng)用與驗(yàn)證，相信能對同行尤其是新進(jìn)入這一領(lǐng)域的同事有所幫助的。

由于篇幅問題，許多更詳細(xì)的內(nèi)容就無法一一介紹，請諒解。

[1]【德】Harald Naunheimer 等.汽車變速器理論基礎(chǔ)、選擇、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].機(jī)械工藝出版社.

[2] 高維山,張恩浦.汽車設(shè)計(jì)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(xué)位，現(xiàn)就職于武漢協(xié)和齒環(huán)（中日合資）有限公司，負(fù)責(zé)技術(shù)及質(zhì)量等方面的工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.032