同步器锁止角分析计算
机械式变速器同步器换挡性能的分析刘磊1
机械式变速器同步器换挡性能的分析刘磊1发布时间：2021-09-02T07:24:30.682Z 来源：《中国科技人才》2021年第17期作者：刘磊1 石磊2[导读] 伴随着人们生活水平的逐渐提升，对汽车此类的代步工具提出了更多的需求，并且对汽车的驾驶舒适度和操控稳定性能也提出了更多的要求。
同步器是变速器中的重要部件，能够降低变速器换挡时的花键冲击，提升驾驶员的换挡效率。
因而，如何提高同步器的舒适度和性能变成变速箱同步器探讨的侧重点。
刘磊1 石磊21.浙江吉利新能源商用车集团有限公司浙江省杭州市萧山区 310000；2.浙江吉利新能源商用车集团有限公司浙江省杭州市萧山区 310000摘要：伴随着人们生活水平的逐渐提升，对汽车此类的代步工具提出了更多的需求，并且对汽车的驾驶舒适度和操控稳定性能也提出了更多的要求。
同步器是变速器中的重要部件，能够降低变速器换挡时的花键冲击，提升驾驶员的换挡效率。
因而，如何提高同步器的舒适度和性能变成变速箱同步器探讨的侧重点。
关键词：机械式变速器；同步器；换挡性能引言现阶段，机械变速器在我们国家变速器行业市场中仍占有重要的地位，其换挡性能指标可以直接影响到整车的驱动力、燃油经济性和司机的舒适度，这就对变速器的换挡功能做出了更高的要求，而变速器中的同步器能够合理有效提升齿轮传动系统的使用寿命，提升换挡时的平稳性和舒适性。
1 机械式变速器概述机械变速器即手动换挡式变速器，在机械式变速器的汽车中，如果驾驶员想要改变速度，改变传动轴的旋转角速度和车轴半轴的旋转角速度之间的比值，他需要手动操纵变速杆的每个档位。
机械传动装置一般在五个档位，每个档位都有固定的速比，所以也叫定速比变速器。
机械式变速器的主要作用是改变传动比，增加或降低扭矩和速度的幅度，保证汽车发动机的工作稳定性。
在发动机曲轴旋转方向不变的情况下，可以通过变速器来实现汽车的前进或倒退。
2 同步器换挡性能研究为了保证变速器的质量，增强其市场竞争力，国内厂商加大了对同步器的研究力度，国内外很多厂商都在积极研究同步器的性能，包括仿真研究和同步器换挡试验台。
探析锁环式同步器的参数优化工作
探析锁环式同步器的参数优化工作作者：曹广玉来源：《科学与财富》2018年第17期摘要：在同步器的使用中，结合同步器的工作原理，研究同步器的参数优化，可以缩短同步器同步的时间，实现高速、平稳的同步器换挡，同时，对于相关参数的优化也可以提高同步其使用的可靠性，节省工作时。
基于此，下面，本文以锁环式同步器为例，探析锁环式同步器的参数优化工作。
关键词：锁环式同步器；参数优化；优化工作；分析探讨引言：在当前的发展背景下，许多机械产业有了巨大的改变，而同步器则是现今机械产业使用较为广泛的一个零件，同步器对于机械中变速箱换挡的使用有着极大的推动作用，同步增加为同步器这一零件有效的提高了同步的吻合度，实现换挡时的平稳性。
而作为比较常见的锁环式同步器来说，国内研究的大多数是同步器的理论与工作原理，因此，锁环式同步器的参数优化工作是现今比较多的一种研究，通过研究锁环式同步器的参数优化可以有效地对同步器进行数学建模，进而找出适合不同机械使用的同步器，提高同步器的使用寿命，也为相关产业的发展降低经济成本。
所以，下面，本文将会分析锁环式同步器的基本原理，进而分析锁环式同步器的参数优化工作。
一、锁环式同步器1.同步器介绍同步器有多种结构形式，目前汽车上广泛采用摩擦惯性式同步器。
它是依靠摩擦作用实现同步的。
结构上除有接合套、花键毂、对应齿轮上的接合齿圈外，还增设了使接合套与对应齿圈的圆周速度迅速达到同步的机构，以及阻止两者在达到同步之前接合以防止冲击的机构。
锁环式同步器是其中一种，其结构紧凑，但径向尺寸小、锥面间摩擦力矩较小，多用于传递转矩不大的轿车和轻型货车的变速器。
2.锁环式同步器主要参数2.1.摩擦系数f汽车在行驶过程中换挡，同步器工作频繁。
同步器是在同步环与连接齿轮之间存在角速度差的条件下工作，要求同步环有足够的使用寿命，应当选用耐磨性能良好的材料。
为了获得较大的摩擦力矩，又要求用摩擦因数大而且性能稳定的材料制作同步环。
汽车同步器锁止性能试验研究
汽车同步器锁止性能试验研究石晓辉;苏洪;张志刚;李尚【摘要】为研究汽车变速器的同步器锁止过程及机理,在自行研制的同步器性能试验台上对某款变速器进行了换挡性能试验,分别测得了换挡力、换挡位移、变速器输入转速及变速器输出转速,并对试验数据进行了分析.发现:被试变速器Ⅰ挡、Ⅱ挡、Ⅲ挡的换挡位移曲线在同步阶段未保持水平,且二次冲击阶段变速器输入轴发生周向冲击.试变速器Ⅳ挡、Ⅴ挡换挡位移曲线在同步阶段保持水平,输入轴转速曲线变化较为光滑.结果表明,该变速器挡位Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的同步器锁止性能不足,Ⅳ挡、Ⅴ挡同步器锁止性能较好.%Based on a custom-built experimental apparatus,the performance test of synchronizer is performed to analyze the lock performance.During the experiment,the shift effort,shift travel,the rotate speed of transmission input shaft and the rotate speed of transmission output shaft with shift time.And the test data are analyzed.The shift travel curves of the 1st gear,the 2nd gear,and the 3rd gear are not maintaining level,and the circumferential impact of transmission input shaft happened when getting into the double bump.But the shift travel curves of the 4th gear and the 5th gear can maintain level,and the curves of transmission input shaft are smooth.So,the lock performance of the 1st gear,the 2nd gear,and the 3rd gear is deficiency.But the 4th gear and the 5th gear have good lock performance.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】4页(P85-88)【关键词】变速器;同步器;锁止性能;试验研究【作者】石晓辉;苏洪;张志刚;李尚【作者单位】重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054;重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054;重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054;重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054【正文语种】中文【中图分类】TH16;U467.3;U463.212+.41同步器作为汽车变速器关键换挡部件之一，直接影响机械式变速器的换挡性能。
同步器性能计算
=
R1 ⋅ (tan α '− µ1 ) ⋅P 1 + µ1 ⋅ tan α '+ µ2 (tan α '− µ1 )
其中 R 的求法 D ：同步环锥孔大端直径； B：同步环宽； D ：小端直径
f
o
i
Do = Di − 2 ⋅ B ⋅ tan θ Rf = Do3 − Di3 3( Do2 − Di2 )
= FN ⋅ sin θ ⋅
[1 + µ1 ⋅ tan α '+ µ2 (tan α '− µ1 )]
1 + µ1 ⋅ tan α '
如发现问题，请大家批评指正。 赵航 EMAIL： 334788422@
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1.3 1
求摩擦转矩及同步解除扭矩 ）摩擦转矩
µ3 ⋅ R f ⋅ (1 + µ1 ⋅ tan α ') ⋅P sin θ ⋅ [1 + µ1 ⋅ tan α '+ µ 2 (tan α '− µ1 )]
Pi ⋅ t = If ⋅ ∆ω ± Td ⋅ t = Ti / Pi I f ⋅ ∆ω ⋅ R1 ± Td ⋅ R1 ⋅ t R1 ⋅ (tan α '− µ1 ) ⋅ R1 1 + µ1 ⋅ tan α '+ µ 2 (tan α '− µ1 )
即
=
1 + µ1 ⋅ tan α '+ µ 2 (tan α '− µ1 ) I f ⋅ θ1 ± Td ⋅ R1 ⋅ t ⋅ R1 ⋅ (tan α ' − µ1 ) R1
2、同步器耐久性
指的是经过长时间的使用，磨损之后，仍然能保持在同步之前不挂上档，即不出现齿轮换 档噪声等。
同步器设计
第五节同步器设计同步器有常压式、惯性式和惯性增力式三种。
常压式同步器结构虽然简单，但有不能保证啮合件在同步状态下(即角速度相等)换挡的缺点，现已不用。
得到广泛应用的是惯性式同步器。
一、惯性式同步器惯性式同步器能做到换挡时两换挡元件之间的角速度达到完全相等之前，不允许换挡，因而能完善地完成同步器的功能和实现对同步器的基本要求。
按结构分，惯性式同步器有锁销式、滑块式、锁环式、多片式和多锥式几种。
虽然它们的结构不同，但都有摩擦元件、锁止元件和弹性元件。
图3—17a所示锁销式同步器的摩擦件是同步环2和齿轮3上的凸肩部分，分别在它们的内圈和外圈设计有相互接触的锥形摩擦面。
锁止元件位于滑动齿套1的圆盘部分孔中做出的锥形肩角和装在上述孔中、在中部位置处有相同角度的斜面锁销4。
锁销与同步环2刚性连接。
弹性元件是位于滑动齿套1圆盘部分径向孔中的弹簧7。
在空挡位置，钢球5在弹簧压力作用下处在销6的凹槽中，使之保持滑动齿套与同步环之间没有相对移动。
滑动齿套与同步环之间为弹性连接。
图3—17b所示锁环式同步器摩擦元件，是通过滑动齿套8及锁环9上的锥面来实现的。
作为锁止元件是锁环9的内齿和做在齿轮10上的接合齿端部。
齿轮10和锁环9之间是弹性连接。
图3—17 惯性式同步器结构方菜a)锁销式 b)锁环式1、8--滑动齿套 2--同步环 3、10--齿轮 4--锁销5--钢球 6--销 7--弹簧 9--锁环在惯性式同步器中，弹性元件的重要性仅次于摩擦元件和锁止元件，它用来使有关部分保持在中立位置的同时，又不妨碍锁止、解除锁止和完成换挡的进行。
锁销式同步器的优点是零件数量少，摩擦锥面平均半径较大，使转矩容量增加。
这种同步器轴向尺寸长是它的缺点。
锁销式同步器多用于中、重型货车的变速器中。
滑块式同步器本质上是锁环式同步器，它工作可靠、零件耐用；但因结构布置上的限制，转矩容量不大，而且由于锁止面在同步锥环的接合齿上，会因齿端磨损而失效，因而主要用于轿车和轻型货车变速器中。
基于机械式变速器的同步器计算
３．２ 摩擦系数ｆ 的确定
同 步 环 摩 擦 面 的 摩 擦 系 数 与 材 料、温 度、润 滑 条
摘要：介绍了机械式变速器同步器的工作原理，列出了同步器的构成要素，并详细阐述了同步器同步时间及 同步器锁止条件的计算分析；给出了商用车同步器同步时间的判定标准，为同步器的设计工作提供了依据。 关键词：变速器；同步器；计算分析 中 图 分 类 号 ：Ｕ４６３．２２＋ ．４１ 文 献 标 识 码 ：Ｂ
至失去同步作用。为 此，在 同 步 环 锥 面 处 制 有 破 坏 油 膜的细牙螺纹槽及与 螺 纹 槽 垂 直 的 泄 油 槽，用 来 保 证 摩擦面之间有足够的摩擦系数。
图 ４ 后 备 行 程 具 体 位 置 示 意 图
图 ５ 啮 合 长 度 具 体 位 置 示 意 图
３ 同 步 器 计 算
距离称为后备行程。 如 果 没 有 后 备 行 程，同 步 器 锥 环 和同步环在换档过程中会产生冲击并导致同步器不能 完 全 挂 上 档 位 。 后 备 行 程 的 具 体 位 置 示 意 图 见 图 ４。
收 稿 日 期 ：２０１２－０５－３１； 修 回 日 期 ：２０１２－０６－３０ 作者简介：张静 （１９７９－），女，辽宁台安人，工程师，本科，主要从事汽车变速箱零部件工艺设计。
２０１２ 年 第 ６ 期 张 静 ：基 于 机 械 式 变 速 器 的 同 步 器 计 算 分 析
· １８７ ·
２．４ 啮 合 长 度 啮合长度是指滑 动 齿 套 啮 合 齿 齿 面 长 度，该 长 度
太小将会导致同步器容易脱档。同步器啮合长度值一 般在５ｍｍ 左右。啮合长度的具体位置示意图见图５。
变 速 器 在 换 档 时 ，首 先 驾 驶 员 踩 下 离 合 器 踏 板 ，并 把操纵杆脱离原档 位，置 于 空 档 位 置。 这 时 变 速 器 的 输入端与输出端的转 速 存 在 差 异，因 输 出 端 连 接 的 是 整车，故其具有相 当 大 的 转 动 惯 量。 由 于 换 档 作 用 时 间短，在换 档 的 瞬 间 可 认 为 输 出 端 的 转 速 是 不 变 的。 而输入端则靠同步器摩擦副作用来克服零件的等价惯 性 力 矩 ，使 其 与 输 出 轴 的 转 速 达 到 同 步 ，在 实 现 同 步 之 后完成换档操作。同步器工作原理图如图１所示。
同步器锁止条件分析
同步器锁止问题分析在这里分同步器设计和换挡操纵机构两方面分析一下：(一)、同步器设计同步器的容量对同步器同步时间起很大作用，容量增大，换挡力、换档时间均会缩小。
增加锥面尺寸、数量及锥面与同步器锁环间的磨擦系数等都会增大同步器锥面的磨擦扭矩。
对于批量定型生产的同步器锥面尺寸由于空间有限，不能改变。
但对于摩擦系数改变起来就相对容易。
改变同步环材料，及齿轮润滑油对改变锥面磨擦副的磨擦系数作用明显，摩擦系数在变速器的使用过程中的稳定性是影响变速器操作性能的另一重要因素，一般要求用于制作同步环的材料在粘度较小和粘度较大的润滑油中能够保证摩擦系数的稳定性。
制作同步环的材料有铜基合金材料锰黄铜和铝黄铜此种材料广泛应用于我厂S5系列变速箱中，经汽研试验证明铝黄铜的摩擦性能略优于锰黄铜，525Q7即采用铝黄铜。
另外采用钢环喷钼的方法制作的同步环在提高摩擦系数及增加同步环强度方面有较突出的优点，在中重型卡车的变速箱中应用广泛。
其它材料如树脂、碳纤维等摩擦性能优良的新材料相继得到应用。
在匹配南汽的变速箱中，我厂在不改变同步器尺寸的情况下，采用喷钼同步环，经整车试驾后，厂方对整车的换挡性能表示满意。
除同步器的容量和材料的摩擦性能外，同步器的锁止条件和同步器的设计形式是关键因素，下面以同步器的锁止条件为主线，分析例举到几种同步器形式，通过分析其性能特点给出各型同步器的设计特点。
同步器的设中锁止，锁止条件的确立须适当，定量描述锁止条件的参数为阻力比：γ= TiTc ① Tc:同步器锥面的摩擦力矩Ti:同步环节圆上的拨环力矩必须满足条件γ≥1，γ选取过大，虽然可保证在同步器未同步前，同步器齿套决不会推开同步环与锥体接合，但对于锁环式同步器势必要选择较大的锁止角β这会使同步解除力与时间的乘积增大、同步器的啮合力增大、使同步器的操纵性能变坏。
相反γ选取过小（接近1）会使同步器性能变差，易产生挂档冲击。
锥面摩擦力矩:T c =c c c r u θsin **F ② 拨环力矩:T i =R i *F*)2tan 2tan *1(ii ii u u θθ+- ③ F : 同步齿套上的操纵力 r c :同步锥体的有效半径，r c =31[（D 3w -D 3i ）/(D 2w -D 2i ) ④ i u :齿套锁止角斜面与同步环锁止角斜面的摩擦系数c u :锥体与同步环之间的摩擦系数，铜基材料的同步环与钢质锥体在齿轮油润滑下取 c u =0.08–0.11c θ：锥体锥面角，为防止同步环自锁在锥体上，选取时应使tan c θ≥c u ,当c u =0.11时cθ≥6.28°实际应用时常取c θ =6.5°、7°、8°等。
同步器设计实例
已知条件：离合器从动片结构尺寸。
变速器档位数、档位排列及各档速比。
变速器各档位齿轮的结构尺寸。
变速器中心距。
匹配发动机最大功率时转速。
1．同步器理论设计计算：1）转动惯量的计算：换档过程中依靠同步器改变转速的零部件包括：离合器从动片、一轴、中间轴、与中间轴齿轮相啮合的主轴上的常啮齿轮。
统称为同步过程的输入端。
（见同步系统简图）而输入端的转动惯量Jc的计算步骤是：首先计算上述相关零部件的转动惯量，而后按不同的档位转换到被同步的档位齿轮上去。
园柱体盘式零件的转动惯量计算公式为;实心J=Q×D2/8g=（γ×π/32g）×D4×L空心J=Q×（D2-d2）/8g=（γ×π/32g）×（D2+d2）×（D2-d2）式中：Q—零件重量（克）D—零件外径（厘米）d—零件内径（厘米）g—重力加速度（980厘米/秒2）γ—材料比重（钢：7.85克/厘米3）L—零件厚度（厘米）转动惯量的转换：基本公式为J换=J×i=J×主动齿轮齿数/从动齿轮齿数各档的总转动惯量ΣJ，需要将各相应零件的转动惯量转到被同步的零件上。
ΣJ=J+J换2）角速度差Δω的计算：在理论设计计算中，一般是按角速度差的最大值计算。
所以只有假设在两个角速度中有一个是相当为发动机最大功率时的转速的值，才是同步过程中的最大角速度差。
a.低档换高档：此时汽车处于加速过程，可以假定与整车相连的输出端（二轴及同步器齿套）换档时转速不变，仍为换档前的低档转速。
而输入端（被同步齿轮）的转速则高于输出端转速。
输入端需要减速才能同步。
只有假定换档前输入端的转速是相应于发动机最大功率的转速n N，才能得到角速度差的最大值Δωmax。
所以：ω出=（2×π×n N/60）/i低ω入=（2×π×n N/60）/i高Δωmax=ω入-ω出= 2×π×n N/60×（1/i高-1/i低）b）高档换低档：此时汽车处于减速过程，亦可以假定与整车相连的输出端（二轴及同步器齿套）换档时转速不变，仍为换档前的高档转速。
汽车锁环同步器说明书
同步器说明书同步器说明书同步器分为常压式，惯性式和惯性增力式。
但是在现在的汽车领域中，得到广泛使用的是惯性式同步器。
惯性式同步器有锁销式，滑块式，锁环式，多片式和多维式几种。
今天我们设计的是以款锁环式同步器。
一，同步器工作原理：同步器换挡过程由三个阶段组成。
第一阶段：同步器离开中间位置，做轴向移动并靠在摩擦面上。
摩擦面相互接触瞬间，由于齿轮的角速度和滑动齿套的角速度不同，在摩擦力矩作用下锁销相对滑动齿套转动一个不大的角度，并占据锁止位置。
此时锁止面接触，阻止了滑动齿套向换挡方向移动。
第二阶段：来自手柄传至换挡拨叉并作用在滑动齿套上的力F，经过锁止元件又作用在摩擦面上。
由于齿轮的角速度和滑动齿套的角速度不相同，在上述表面产生摩擦力。
滑动齿套和齿轮分别与整车和变速器输入转动零件相连接。
于是，在摩擦力矩作用下，滑动齿套和齿轮的转速逐渐接近，其角速度差减小了。
在角速度差等于零的瞬间同步过程结束。
第三阶段：角速度差等于零，摩擦力矩消失，而轴向力F仍作用在锁止元件上，使之解除锁止状态，此时滑动锁套和锁销上的斜面相对移动，从而使滑动齿套占据了换挡位置。
二，主要参数的确定1．摩擦系数f汽车在行驶过程中换挡，特别是在高档区换挡次数较多，意味着同步器工作频繁。
同步器是在同步环与连接齿轮之间存在角速度差的条件下工作，要求同步环有足够的使用寿命，应当选用耐磨性能良好的材料。
为了获得较大的摩擦力矩，又要求用摩擦因素大而且性能稳定的材料制作同步环。
另一方面，同步器在油中工作，使摩擦因数减小，这就为设计工作带来困难。
摩擦因数除与选用的材料有关以外，还与工作面得表面粗糙度，润滑油种类和温度等因素有关。
作为与同步环锥面接触的齿轮部分与齿轮做成一体，用低碳合金钢制成。
对锥面的表面粗糙度要求比较高，用来保证在使用过程中摩擦因数变化小。
若锥面的表面粗糙度差，在使用过程初期容易损害同步环锥面。
同步环常选用能保证具有足够高的强度和硬度,耐磨性能良好的黄铜合金制造，如锰黄铜，铝黄铜和锡黄铜等。
同步器锁止角及滑块槽设计对同步性能的影响
Ｍｎ，／坼的数值看均在】１０～Ｉ．２０之问＝＝实践证明，当帆／＊ｒ
的值在上进范围时，同步器均可获得比较满意的换档破果。小
于下限值易…现换梢冲击，特别当｜ｌ＿ｄ步嚣齿环使州磨损到定
程度后，摩擦锥面间的摩擦系数会有所下降，出现换梢冲击的
情况将更加严重；大十上限值时将引起换档ｎ噌大。
２同步器滑块槽设计对同步性能的影响
Ｍ．／＾ｈ的比 ＭＳＢ５（３、４档） ２８ ６４８，’ ２４ ６０５， １ １６４
值．．
７Ｈ：１３２Ｂ（２、３档） ２９（】ｌｌ，’ ２４ ６ｌｌ， ｌ １７９
袁中摩擦 ｗ：１３２Ｂ（４、５档１ ２２ ４４６Ｆ １８．７４５＾ １．１９７
锥面问的摩擦
系数Ⅳ和锁止斜向ｆ训摩擦系数数ｍ皆毗０ １值代人。从表中
引证文献(2条)
1.陶柯.彭森 锁环式同步器的材料改进及性能研究[期刊论文]-机械工程与自动化 2010(3)
2.王勇 汽车同步器锁止角加工过程的设计与仿真研究[学位论文]硕士 2005
本文链接：/Periodical_zxqc200304005.aspx
髭、／燮 止丽有比较均匀的磨损；其７欠也改变＿ｒ同步时锁止工作面的位
置，从而改变了只有齿角受力的缺点，使锁止面的受力更趋合 不参加工作区域
（ａ）
图３ 理；另外，由于分度尺寸ｎ的减小，州步前后两锁止面相互擦过 的距离增加，从而使锁止更可靠，因此可大大减少发生换档冲 击的可能性。
值得指出的是，分度尺寸ｎ值的减小是以减低接近尺寸Ｚ 值为前提的。因此，设计时应综合考虑，防止顾此失被。关于分 度尺、Ｊ的详细分析和滑块槽的有关计算问题，此处不再洋述， 可参阅有关资料。
１压缩空气供应
向阀１３、手制动阀１６以及继动阀２（】，然后进入到双