双锥面同步器简介解读

双锥同步器与单锥同步器的同步性能比较及设计计算摘要：本文以原微发技术开发部测绘开发的两轴式前置前驱动变速器DABS13-2为例，对双锥面齿环式同步器和单锥面齿环式同步器的同步性能进行了推理和计算，并通过对二种同步器的比较，说明双锥（多锥）齿环式同步器同步性能上的优点。

关键词：变速器、同步器、双锥面一．前言同步器是改善汽车机械式变速器换档性能的主要零部件，它能够使换档操纵轻便快捷，减轻驾驶员的劳动强度；可以保证换档时变速器齿轮啮合不受冲击，消除噪音，提高齿轮及传动系统的平均使用寿命；并对提高汽车行驶安全性和乘坐舒适性，改善汽车起步时的加速性和燃料经济性起着极其重要的作用。

在微发生产的变速器BS09、BS10及BS13等系列产品中，所采用的同步器均为单锥面齿环式同步器（以下简称单锥同步器），在合资公司引进的F5M41变速器产品技术中包含了双锥面齿环式同步器（以下简称双锥同步器）技术。

目前，在国外的汽车机械式变速器上，双锥（多锥）同步器技术正处于推广应用的阶段，而国内该技术应用的却很少，同档次的发动机上只有即将投产的一汽大宇的发动机变速器采用了该技术。

因此，对我们来说这是一项崭新且很有意义的课题。

由于我们还没有这方面的生产实际经验，因此本文仅仅从性能的角度进行了推理，意在抛砖引玉，供大家参考。

本文所示的双锥同步器，是在DABS13-2变速器的同步器基础上改制而成的。

通过对改制前后的性能比较，阐明双锥面技术的意义。

由于本人水平有限，难免有不当之处，希望多多指教。

二．同步器的结构型式和工作原理1．同步器的结构型式通常同步器分为常压式和惯性锁止式两类。

常压式同步器由于不能保证被连接零件完全同步之后再换档，故应用不广泛，现已基本淘汰。

现代机械式变速器中广泛应用的是惯性锁止式同步器。

惯性锁止式同步器根据锁止位置的不同又分为：锁块式同步器、锁销式同步器和锁环式同步器。

锁环式同步器又分为齿环式同步器和增力环式同步器（Porsche）。

而齿环式同步器根据同步锥面的数量不同又可分为：单锥式、双锥式和多锥式几种。

DABS13-2变速器是根据日本铃木G13B发动机变速器测绘的，所采用的同步器型式为单锥齿环式同步器（齿环又称为同步环），图1为DABS13-2变速器的一、二档同步器结构图。

图 1 同步器结构图1 同步环（齿环）；2 外齿圈；3 转接套齿；4 弹簧；5滑块；6齿轮（包含同步锥毂）2．同步器的工作原理换档时，首先驾驶员踩下离合器踏板，把变速杆脱离原档位，置于空档位置，这时变速器的输入端和输出端的转速有差异，同步器的作用就是使环锥的工作表面上产生摩擦力矩，以加速或减速被接合零件，使二者在最短时间内转速达到一致，在同步状态下换档。

在图1中，转接套齿3通过内花键连接在变速器的二轴上，同步锥毂跟被驱动齿轮6做成一体，两个同步环1是浮套在同步锥毂的锥面上，转接套齿3在圆周方向设有均布的三个槽，三个滑块分别装在三个槽内，压缩弹簧4装在滑块5的内侧。

滑块5外侧凸台在弹簧力的作用下，把外齿圈2限定在空档位置。

外齿圈2的内接合齿与转接套齿3相配合。

同步环1和外齿圈2的接合齿的端面具有倒角，起着换档时的锁止作用。

为了防止脱档，同步锥毂3和外齿圈2采用了倒锥形接合齿。

动力传递路线为：同步锥毂6 ——〉外齿圈2 ——〉转接套齿3 ——〉二轴。

图2中的A为空档状态；B为换档时的同步状态；C为换档后的接合状态。

换档时在F力作用下，外齿圈2滑动。

在弹簧力的作用，滑块5上端始终顶在外齿圈中部的弧形槽内，外齿圈轴向移动时使滑块偏转一个角度，致使滑块的一个端面紧贴于同步环端面上的凸缘上，从而推动同步环轴向移动，使内、外同步锥面接触。

由于力F的作用和转速差的存在，锥面一经接触即刻产生一定的滑动摩擦力矩，使同步环相对于外齿圈转动一个角度，转动方向取决于转速差的方向。

图3中b为同步环凹槽，c为滑块，滑块伸入b槽内，因而同步环只能转动距离a（即半个齿距）。

此时，外齿圈的接合齿一侧倒角面恰好与同步环接合齿倒角面相对。

两个接合齿倒角面接触之后，由于换档力F继续增加，外齿圈克服滑块与弹簧力的作用继续移动。

因同步环相对于外齿圈已经转过了一个角度，外齿圈的齿端斜面压住了同步环接合齿端斜面。

在斜面上产生正压力W，其轴向分力S = W·cos （θ/2）和切向分力F= W·sin（θ/2）（见图4）。

力F的继续存在，使摩擦锥面上产生摩t形成拨环力矩，力图使同步环反转而脱离外齿圈齿端锁止倒角斜面。

但是作擦力矩，而力Ft用在同步环上的摩擦力矩阻止同步环反转。

随着力F的不断增大，工作锥面上的摩擦力矩不断增加。

当摩擦力矩达到等于输入端的惯性力矩时，被连接两端速度相等，惯性力矩消失，摩擦力矩变为零。

此时的轴向力仍起作用，在拨环力矩的作用下，将同步环连同输入端零件反转一角度，齿端锁止面脱开，外齿圈可以顺利地通过同步环继续前移。

此时，外齿圈克服弹簧力，滑块上端退出弧形槽，让外齿圈通过，完成换档。

图 4上述同步器的主要优点是轴向尺寸小、性能良好、使用可靠、造价低。

缺点是同步力矩较小，在低档换档时表现尤为明显。

要想显著增大其同步力矩，则需要扩大同步器的径向尺寸，这显然不是一个很好的方法。

在此背景下双锥同步器应运而生。

图5为本人在DABS13-2变速器的基础上，将二档同步器改为双锥面后的结构图。

图 51-外齿环 2-钢环 3-内齿环 4-二档齿轮双锥同步器在工作原理和结构布置上与单锥面齿环式同步器基本上是类似的。

所不同的只是它采用了两对摩擦锥面，而不是一对摩擦锥面。

它的特点是把原来的两个锥形零件分别做成了四个零件，原来与二档从动齿轮一体的同步锥毂被做成单独的一个零件（钢环），其大端上制有三个凸块，相应的在二档从动齿轮上有三个凹槽，凸块嵌入在凹槽中，这样二档齿轮带动钢环一起转动。

原来的一个齿环改成两个齿环，内齿环上制有六个凸块，外齿环上制有六个缺口，凸块嵌入在缺口中，这样外齿环也带动内齿环一起转动。

结果是在挂二档时，当二档从动齿轮与二轴之间有相对角速度差时，整个锥体结构中就存在两对滑动摩擦锥面。

所以在总体尺寸一样的情况下，加在外齿圈上一定的轴向推力所产生的同步力矩，就等于作用在两对锥面之间的摩擦力矩的总和。

对于加在换档杆上一定的推力来说，就能产生大得多的同步力矩，从而缩短同步时间，提高了同步器的工作性能，有利于换档操作。

附图二为某变速器产品的双锥同步器齿环和钢环的实物照片。

三．同步器模型及同步过程的理论分析换档时，首先驾驶员踩下离合器踏板，把变速杆脱离原档位，置于空挡位置，这时变速器的输入端和输出端的转速有差异，而同步转速却是一个新的转速，实际上变速器的输出端连接的是整车，因而具有相当大的转动惯量，故在一般情况下，假设输出端的转速在换档瞬间是不变的。

而输入端则靠同步器的摩擦副作用来达到与输出端同步。

为了对同步器作进一步研究，用如图6所示的简图表示该系统。

系统的输入端有第一轴和离合器从动片等零件的转动惯量JC 、离合器阻力矩MC、同步环摩擦力矩MS和输入角速度ωC。

输出端有汽车惯量JV 、汽车行驶阻力矩MV、同步环摩擦力矩MS和输出角速度ωV。

各个量的作用方向如图6所示。

图6 同步器系统简图离合器阻力矩MC是由于离合器分离不彻底、空气摩擦阻力，以及来自变速器输入端所带动任何附件和变速器的油阻造成的。

它的值越小越好，以减小同步器在同步过程中所做的功。

但它的值不易测定，在换档过程中此值可假定是不变的。

汽车行驶阻力矩MV是由于汽车行驶时受到的滚动阻力、道路坡度阻力、风阻和后桥等部件中的机械损失造成的。

MV的变化对于换档影响不大，所以在换档过程中其数值也可以认为是不变的。

同步环上的摩擦力矩MS 在换档过程中也可以认为是不变的。

对同步过程的理论分析，主要是研究同步力矩和同步时间的关系。

根据牛顿第二定律，M=Jε式中：M——力矩，N·m；J——转动惯量，kg·m2；ε——角加速度，rad/s2。

对于该系统的输入端：J C εC= -+MS- MC（1）式中负号适用于低档换高档，正号适用于高档换低档。

同理，对系统的输出端：J V εV =±M S -M V （2）在换档过程中M S 、M C 和M V 都不随时间而变化，因此以上二式对时间的积分为J C ωC =（-+ M S -M C ）t + C （3） J V ωV =（±M S -M V ）t + D （4）式中积分常数C 和D 可以按换档时原档位的初始条件计算如下： 同步器输入端的初角速度设比值，r=—————————————同步器输出端的初角速度式中的r 可以称为“同步器传动比”。

低档换高档时r ＞1，高档换低档时r ＜1。

令同步器的输出初角速度为ω，则同步器的输入初角速度为r ω，开始换档时t=0。

则 C=J C r ω （5a ） D=J V ω （5b ） 把上两式代入（3），（4）式，得J C ωC =（-+ M S -M C ）t+J C r ω （3a ） J V ωV =（±M S -M V ）t+J V ω （4a ）换档终了时 t=t E ωCE =ωVE 式中： t E ——同步时间；ωCE ——换档终了时的输入角速度； ωVE ——换档终了时的输出角速度。

于是可以推出： -+ M S -M C r ω ±M S -M V ω—————— + —— = ———— + —— （6） J C t E J V t E 整理后，得式:ωJ V J C （r-1） M V J C - M C J V±M S = ——————— + ————— （7a ）（J V +J C ）t E J V +J C为了研究M S 和t E 之间的关系，把上式改为:J V J C ω（r-1） M V M C±M S = ———— [ ———— + ——- - —— ] （7b ）J V +J C t E J V J C根据统计资料J V /J C 的值一般约为100，所以如取J V /（J V +J C ）≈1来简化上述方程，则ωJ c （r-1） M V J C±M S ≈ —————— + ———— - M C （8）t E J V另外，M V /M C 值一般约为10，而J V /J C ≈100，所以M V J C /J V 约为M C /10。

因此（8）式中如果把M V J C /J V 一项忽略不计，即取M V J C /J V -M C ≈-M C ，这就相当于在值中有10%的误差，这是完全现实的。

这样（8）式可简化为：ωJ c （r-1）±M S ≈ —————— - M C （9）t EωJ c （r-1）从而得 t E ≈ —————— （10）±M S + M C从上式中可以看出，整车的参数对同步器的同步性能影响不是很大。