关于汽车变速器同步器设计的两个关键点

摘要：变速器换挡力的大小是评价整车操控性的重要指标之一，汽车同步器齿环的设计合理与否，对变速器换挡力有重要影响。锁止比计算及有限元分析是整个变速器同步器设计的两个关键点，本文着重进行探讨，并基于UG软件，完成了同步器零件的三维建模和装配；对锁环零件的受力情况进行了有限元分析。

关键词：汽车变速器；同步器设计；关键点

中图分类号： F407.407 文献标识码： A

引言

随着我国汽车工业的不断发展，大量的轿车进入家庭，驾驭者对整车操控的要求也愈来愈高，在保证汽车正常换挡的情况下，换挡力愈小表明整车的操控性愈好，其中同步器齿环的设计合理与否，对变速器换挡力有着重要的影响。采用以CAD/CAE集成技术为核心的仿真驱动设计技术，使同步器新品的开发周期大为缩短，同时使以往设计中的一些经验性知识以量化的形式出现，产品的开发效率更高。本文采用Math CAD和UGNX5软件对锁环式同步器进行设计和有限元分析。

一、确定同步器元件布置形式

同步器位置布置常有两种形式:(1)接合套安装在空转齿轮上，同步环布置在接合套和轴之间；(2)接合套安装在轴上，同步环布置在接合套和齿轮之间。前种方式接合套只能用于一档速度，而后种方式一个接合套可以得到二档速度，故此同步器采用第(2)种布置形式。

同步器的各功能元件布置如图1所示。同步元件应位于存在转速差的两元件之间，同步环与接合套一起转动，摩擦面位于同步环和空转齿轮之间；锁止元件位于空档时一起转动的两元件之间，即同步环与接合套一起转动，锁止元件位于同步环和接合套之间，同步前阻止接合套轴向移动穿过同步环进入啮合。同步环与空转齿轮一起转动，锁止元件位于同步环和空转齿轮齿圈之间，同步前阻止接合套和同步环一起轴向移动进入啮合。弹性元件布置应使得接合套能够自动回位处于空档位置。

图1同步器元件布置方案

二、滑块宽度及内啮合套缺口宽度

图2所示为啮合套和同步环在锁止面接触最佳时的正投影。未转动时，同步环的A点与啮合套的B点重合，最佳接触时的分度尺寸a等于接合齿的1/4周节，即a=t/4，则转动距离c为

式中，Ｒƒ为接合齿分度圆半径；Ｒu为滑块轴向移动后的外半径。

图2滑块与同步器缺口之间转动距离的确定

当滑块宽度h确定后，就可以求出糟宽H:

H=h+2・c

三、同步锁环锥面角

同步环的同步力矩计算公式为

式中:Fs为施加外力；μt为静摩擦系数；rt为同步环锥面半径；α为锥面角。

由此可知，α的值取得越小，则同步力矩Ms就越大。在保持同步力矩Ms不变的条件下，锥面动摩擦系数μ1越大，则α就可取得越大些。

由避免抱死条件:

tanα≥μs

可知，α的最小值要受到两个锥面之间的静摩擦系数μt值的大小的限制，锥面角α的值一般取在6°～7°之间。

四、锁止比的计算

（一）、相关参数（见图3和图4所示）

F：齿套上作用的来自拨叉的作用力；F1：同步器齿毂作用于齿套的力；F2：同步环锥面受到的压力；Q：齿套与齿环倒角之间的正压力；α：同步环端面倒角角度（对称）；θ：同步锥面角度；μ1：同步器齿套与同步器齿环倒角间动摩擦系数；μ2：同步器齿毂与同步器齿套花键侧动摩擦系数；μ3：同步器齿环与被同步侧齿轮锥面间动摩擦系数；r1：同步器齿环分度圆半径；r2：同步锥面有效作用半径。

图3同步器齿套与齿环作用图

图4同步环锥面受力图

（二）、同步器齿套受力分析

根据同步器齿套在轴向的受力平衡可得到如下公式：

F=Qsin(α/2)+μ1Qcos(α/2)+μ2F1

根据同步器齿套在圆周方向的力矩平衡可得到如下公式：

r1F1=［Qcos(α/2)-μ1Qsin(α/2)］r1

F=Q｛sin(α/2)+μ1cos(α/2)+μ2［cos(α/2)-μ1sin(α/2)］｝

（三）、锁止比的计算

锁止比K=T1/T2将上述参数带入可得：

K=r2μ3［μ1+tan(α/2)］/r1sinθ［1-μ1tan(α/2)

说明：K值必须大于等于1，同步器才能满足同步的条件，也就是说：

tan(α/2)〉(r1sinθ-μ1μ3r2)/(μ3r2+μ1r1sinθ)

五、同步器的三维建模及有限元分析

本文基于UGNX5软件，采用参数化方法建立零件模型，可以方便零件族的实现及其管理操作。参数化设计对于形状大致相似的一系列零部件，只需修改相关参数，便可生成新的零部件，从而大大提高设计效率。

（一）、同步器零件三维模型的建立

首先创建接合套的锁止角，连接相应的点组成链，对该链进行投影，然后采用镜像混合特征，建立各零件的三维模型。接合套、啮合座套、同步锁环等零件的三维模型分别如图5～图6所示。

图5接合套三维模型

图6花键

毂三维模型

（二）、同步器组件的装配

在接合套内花键和啮合座套外花键装配时，由于两花键采用的都为同一渐开线，在使用相切等约束无效之后，采用如下方法装配:先在内花键的某一个齿轮上创建一个点，该点在花键齿的中点处，创建一个平面使其通过该点以及旋转轴。同理可以在接合套齿槽相应位置创立一个平面。然后对啮合套以及啮合座套进行轴对齐、面贴合约束(贴合面为两新建平面)，完成对啮合套与啮合座套的装配。用同样的方法装配同步锁环，得出同步器的装配图。

（三）、锁环的有限元分析

本文利用UGNX5的结构分析模块进行了锁环零件的受力分析，具体步骤如下:

1、定义实体材料

同步锁环的材料是黄铜合金，其密度ρ=8000kg/m3，弹性模量E=100GPa，泊松比为

μ=0．34。

2、添加约束

在同步锁环锁止的过程中，拨叉作用在结合套的力使接合套与同步锁环接触，并使锁环移动。此时，同步锁环与锁止锥面接触，故可定义锁环锥面为全约束。

3、施加载荷

当接合套内啮合齿与锁环齿接触时，在接合套内啮合齿上的力和锁环齿面上的力形成作用力与反作用力，大小为250N。在齿面上加载时，力的方向垂直于锁环齿面，将该力分解为x方向和y方向，其大小分别为210N和125N。此外，还要考虑在y方向施加重力载荷作用，锁环载荷如图7所示。

图7 锁环载荷图

应用MathCAD校核得到锁环上最大弯曲正应力为292．3MPa，而通过有限元分析得到的同步锁环的最大弯曲正应力为255MPa，数据之间存在误差，主要原因是同步器锁环计算时进行了简化，故产生了计算误差。

通过对表中的仿真与理论计算的数值进行对比，得出仿真的结果都比理论的计算结果小一些，这是因为在有限元分析软件中仿真过程还考虑了物体的弹性变形的实际情况，锁环是同步器中质量和体积较小的部件，在被接合套压到摩擦锥面上时会使摩擦锥面半锥角和轴向位移减小，这些都使摩擦锥面的摩擦力矩变大，因此仿真分析出来的同步时间要比理论计算结果小。同时在同步器实际工作过程中，其锁环和接合齿圈的摩擦锥面由于摩擦产生大量的热而膨胀，摩擦锥面的平均半径增大，这也使实际同步时间小于理论计算值，从这两个方面来说，仿真分析得出的结果与同步器实际工作情况更相符。

结束语：

本文首先对锁止比进行，并分别应用传统计算方法和现代有限元分析方法，对汽车锁环式同步器进行了参数设计和强度校核。结果表明，设计的参数满足同步器同步时间和强度要求。运用UG 软件不但方便同步器的建模、装配，还可以应用其结构分析功能对同步锁环进行有限元分析。与传统的理论计算进行比较，有限元分析结果更精确，更符合工程实际。

参考文献：

[1] 宋友成,崔剑坤.汽车变速箱同步器设计流程及应用[J].机械工程师,2010( 7) : 160 - 161.

[2] 黄锡恺,郑文纬.机械原理[M].北京: 高等教育出版社, 1989.