同步器设计手册

同步器设计手册 前 言 汽车变速器中采用同步器，可以保证换档操作迅速、轻便无冲击，延长齿轮和传动系统的使用寿命，提高汽车在换档和加速起步时的动力性和经济性，改善驾驶舒适性的有效措施。同步器技术目前被广泛应用于各种车型上。同步器的应用是机械变速器发展过程中一次质的飞跃，在我国汽车行业标准QC/T29063中明确规定轻型汽车变速器前进档必需装有同步器结构，中型汽车除一档、倒档外，其余各档也必需装有同步器结构。随着同步器技术不断发展，对于提高变速器传动性能，具有十分重要的经济技术意义。 本手册是在综合同步器理论和实践研究的基础上编写而成。本书结构新颖，文字简洁，图文并茂，通俗易懂。内容包括：同步器结构形式，工作原理，设计参数，结构参数，以及影响同步器性能的因素。本手册可供从事汽车变速器的设计、生产、维修人员参考。 本手册经 等人员审阅并提出修改意见，在此表示感谢。由于作者水平有限，难免有不足之处，请广大员工提出宝贵意见。

作 者 2007/11/16

目 录 绪 论 第一章 同步器的结构形式及其特点 第一节 锁销式同步器 第二节 锁环式同步器 第三节 锁环式多锥同步器 第二章 同步器工作原理 第三章 同步器设计参数及其计算 第一节 转动惯量及其转换 第二节 同步力矩 Tc及同步时间 第三节 拨环力矩TB 第四节 计算实例 第四章 结构参数设计 第一节 结构参数设计 第二节 结构参数设计对换档性能的影响 第三节 同步器摩擦材料 第五章 影响同步器性能的因素 第一节 润滑油对同步器性能的影响 第二节 其他对同步器性能的影响 第六章 同步器试验

绪 论 汽车变速器是汽车传动系中的一个重要部件，它的功能是在不同的使用条件下，改变由发动机传到驱动轮上的转矩和转速，使得汽车得到不同的牵引力和车速，以适应不同的使用条件。同时也可以使发动机在最有利的工况范围内工作。 为保证变速器具有良好的工作性能，对变速器提出以下基本要求： 1. 应有合适的变速档位数和传动比，保证汽车具有良好的动力性和经济性指标。 2. 较高的传动效率。 3. 应有空档和倒档。 4. 换档操纵迅速轻便、工作可靠，噪声小。 在手动机械式变速器中（Manual Transmission 简称MT），同步器是改善换档性能的主要零部件。对减轻驾驶员的劳动强度，使操纵轻便，提高齿轮及传动系统的使用寿命，提高汽车行驶安全性和乘坐的舒适性，改善汽车起步时的加速性和经济性起着重要作用。 现以一个五档变速器为例，说明同步器在换档中的作用。 假如汽车正在二档位置上行驶，则变速器通过发动机传来的动力，经过第一轴上的齿轮A和中间轴常啮合齿轮B、齿轮P2传递给第二轴上的齿轮S2，使动力输出。这时齿轮P2和齿轮S2的圆周线速度相等，VS2=VP2。当汽车 在良好的路面行驶，驾驶员此时要改善汽车行驶的经济性，要从二档换到三档上行驶，这时驾驶员就要把齿轮S2和P2分开，而把齿轮S 3和P3接合上。此时中间轴上的齿轮P3的直径要比P2大。由于中间轴传动角速度ω不变，则Vp3＞VP2。同理，由于第二轴上的齿轮S3的直径小于S2的直径，VS3＜VS2。如果在时间t内踩离合器，由于第二轴与驱动桥、后轮、整车相连，转动惯量很大，齿轮的速度不可能很快降下来。这样，在时间t内，齿轮S2和S3的圆周线速度不相等，见图2所示。要经过相当长的时间tx，等后轮轴停止后，齿轮S2和S3的圆周线速度相等，同时为零。 对于中间轴，是齿轮A、B随第一轴即离合器而转动。由于这一段的转动惯量小，离合器分离后，会在很短时间t′x内 停止转动，Vp3和VP2很快随第一轴的停止而趋于零。 当中间轴与第二轴以不同的速度降低的过程中，齿轮P3和S3圆周线速度相等，驾驶员就要巧妙地抓住这段时间，把齿轮P3和齿轮S3接合上。所以在低档换高档的过程中，全靠驾驶员的熟练操作和丰富经验，同时注意力也要特别集中。 对于二档换一档的退档过程中，同理是齿轮P1和S1的减速度要比齿轮P2和S2

要大。所以高档换低档是极其复杂的。在分开二档齿轮之前，齿轮S1的圆周线速度VS1比齿轮S2、P2、P1要大，如图3所示，齿轮P2和P1在 t′x时趋于零，齿轮S2和S1在 tx时趋于零，他们之间相距很大。根本不能相交，齿轮P1和S1圆周线速度永远没有相等的时间。所以，要想在瞬间内使这两个齿轮直接相啮合是不可能的。必须采取一种辅助方法使齿轮P1和S1圆周线速度接近。这就是通常的做法“两脚离合器”： 第一步踩下离合器踏板； 第二步将排档杆移至空档位置； 第三步再松开离合器踏板，稍加油门从a→b，使齿轮p1速度增高并超过齿轮S1的速度线。 第四步再踩下离合器踏板b→C，使齿轮p1速度迅速下降，在C点迅速换档。 这样就找到了时间t 2点，使齿轮P1和S1圆周线速相等。在这个过程中，驾驶员不但要有高超的实践经验和操作技能，而且劳动强度也很大。 汽车机械式变速器安装了同步器之后，就不需要“两脚离合器”的操作。减轻

S1 了驾驶员的劳动强度，减少换档时齿轮间的撞击，能准确无误地换档，增加了舒适性。 同步器发展仅有数十年的历史。自1912年奥地利的Humohries提出了采用摩擦式同步器之后，直到1926年才装到美国凯迪莱克汽车上。从此之后使用范围不断扩大，到目前为止凡是手动机械式汽车变速器都使用了同步器。 同步器自问世以来，结构在不断变化，工作性能也在日趋完善。近些年来国外在同步器研究、设计、制造方面发展很快。我们在自主研发、制造与国外相比还存在很大差距，同步器的性能和可靠性还不能满足使用要求。因此我们要加强同步器方面的研究，缩小差距，力争赶超和超过国外先进水平。

第一章 同步器的结构型式及其特点 汽车变速器中使用同步器，可以保证换档时齿轮不受冲击，延长齿轮的使用寿命，使汽车在起步、换档时的加速度和经济性得到改善。换档时加在齿套上的轴向力经柱销（或滑块）推动同步环使锥面相接触产生摩擦力矩，借此改变被啮合齿轮的转速以达到同步。 早期开发的同步器为常压式同步器，有锥形和片式两种。由于它不能保证被啮合齿轮在同步状态（即角速度相等）下实现换档，不能从根本上解决换档时啮合冲击问题，所以这种同步器目前已被淘汰。 目前汽车上广泛使用的惯性式同步器，主要有：锁销式同步器；锁环式同步器；锁环式多锥面同步器。除此以外还有增压式同步器。由于这种同步器对材料、热处理及制造精度均要求较高，目前国内采用较少。近几年来国外还开发了一种杠杆式同步器，主要用于倒档。这种同步器还处于试验状态中。下面分锁销式同步器、锁环式同步器、锁环式多锥面同步器逐一介绍。

第一节 锁销式同步器的结构特点 锁销式同步器一般用于中型载货汽车上，图1是我公司生产的LC6T46二档同步器。同步器内锥盘2与二档齿1焊接成一整体，锁销4与二档同步环3以及同步器保持环6（一档不带同步器，所以一档这一侧用了同步器保持环，）铆接成一整体，齿套5穿过三个锁销4和三个同步器导向柱8安装在齿毂9上，齿毂则通过花键与二轴7相连接。在齿套的导向柱孔内，安装了三只与导向柱相垂直的同步器弹簧和钢球，整个同步器有十五个零件组成。 换档时，拨叉拨动齿 套5带动有弹簧卡住的同步环3压向与被同步的齿轮连接成一起的同步器内锥盘2的内锥面。由于力F的作用以 及转速差的存在，内外锥面一经接触就产生摩擦力矩。在摩擦力矩刚产生的同时，齿套5开始转动（齿套上的柱销孔与同步器柱销直径存在一定的差值），柱销4偏移压向齿套与柱销的共同斜面上，当摩擦锥面上产生摩擦力矩后，被同步的齿轮开始减速（或加速），在同步锥面上有摩擦。 两个锥面接触后，加在换档手柄上力仍在增加，齿套克服弹簧力继续移动。由于同步器柱销相对于齿套转过了一个角度，使锁销斜面紧压在孔的斜面上，如图2所示。在力F的作用下，锁销斜面上受到的正压力W分解成轴向力 S=W．cos θ/2 和切向力Ft=W．sin θ/2, 而S=F。在力S的作用下，锥面上产生摩擦力矩，在力Ft的作用下形成拨环力矩。这个拨环力矩力图使锁销连同同步环反转而脱离锁止斜面，而同步环锥面上的摩擦力矩却阻止同步环反转，只要摩擦力矩大于拨环力矩，两个些面始终压在一起，阻止齿套移动。 随着力F的不断作用，摩擦力矩不断增加，此时的惯性力矩也在不断变化。当摩擦力矩等于惯性力矩时，即被连接两端的角速度相同，摩擦力矩等于零。这时力F仍在起作用，由于拨环力矩存在，使同步器柱销转动一个角度，锁止面脱开，齿套5可顺利通过锁销，完成换档过程。 锁销式同步器最大的特点是摩擦半径较大，与相同空间的单锥环比摩擦半径大30%左右，同时在同步环锥面上粘接摩擦系数较高的材料，使同步器有较大的容量，多用于低速档上。缺点是结构比较复杂。随着同步器技术的不断发展，特别是多锥面同步器，摩擦锥面多，容量更大，锁销式同步器正在被多锥面同步器所代替。

第二节 锁环式同步器的结构特点 锁环式同步器是目前应用最广泛的一种同步器，无论是小型车、中型车还是重型车都在使用。

图2 图3是一种典型的锁环式同步器。齿毂6与第二轴用花键连接，三只滑块3分别安装在齿毂的三个滑块槽内，靠两只环形弹簧5支撑，滑块中部凸台与齿套4中部的凹槽相结合,接合齿环1与齿轮通过电子束焊成一整体，同步环2浮套在接合齿的锥面上。这种同步器结构紧凑，尺寸较小，使用可靠，制造工艺性好。但是，这种同步器锥面平均摩擦半径由于受到其结构尺寸限制不能太大，同步器的容量较小。

图3

1.齿套。齿套是一个环状体，外面有一个槽与拨叉配合，内部是内花键与齿毂配合，花键的两端倒角。倒角有两个作用，一是在没有同步前与同步环上的齿倒角构成锁止角，二是同步后容易进入接合齿。在花键的两端侧面有倒锥角，起防止跳档作用。花键的齿数是3的被数，这样可以保证三个滑块槽均布。中部有限位台阶。有的齿套在均分三处各有一个齿槽不加工，两端分别向里铣深一定的尺寸，齿毂的对应处去除一齿，这样起到挂档限位作用，防止挂档时越程。 2.齿毂。齿毂的内花键与轴配合，外花键与齿套配合，定位方式大多数采用齿侧定位，也有一部分采用大径定位。 配合性质为间隙配合，固定齿毂或齿套，另一件在手的作用下，能非常轻松的滑动。齿毂的内外花键之间为轮辐，给同步环和接合齿环留出了空间。在外花键的圆周上分三等份分别铣出三个槽，是安装滑块用的，槽的中心与所在的齿槽中心应重合。 3.滑块。是被安装在齿毂的滑块槽内，靠弹簧支撑，中间凸起的部分与齿套中部的凹槽处紧紧地贴在一起。换档时齿套带动滑块移动，滑块又推动同步环移动。滑块的形状多种多样，但基本的功能是一致的。有的轿车同步器则用一根异型钢

丝圈套在同步环上代替滑块作用。如图6所示 5.同步器弹簧。.同步器弹簧是用来支撑滑块的，滑块不同，弹簧也不同。形状有用方钢丝制成的环形；有用圆钢丝制成的螺旋弹簧等。如图7所示。