同步器工作原理和主要参数的确定

1.同步器的工作原理

换档前要先摘档，使变速器处于空档状态。因为变速器输出端与整车相连，具有相当大的转动惯量，所以此时与变速器输出端相连的同步器输出端的转速在换档瞬时是不变的，而同步器输入端的转速与其输出端的转速是有差异的，同步器输入端的转速通过同步器的摩擦力矩达到与同步器输出端的转速一致。假设同步器输入端的搅油损失和轴承摩擦力矩忽略不计，利用图2-5所示的同步器示意图，可得到如下力矩方程

图2-5 同步器示意图

式中 T_m——同步器的摩擦力矩；

J_i——同步器输入端的转动惯量；

ω_i——同步器输入端的转动角速度；

t——时间。

通过变速杆作用于同步器的轴向力与同步器的摩擦力矩之间存在如下关系

式中 F——作用于同步器的轴向力；

μ——工作面间的摩擦因数；

R——锥面平均半径；

α——圆锥角。

假设同步器输入端和输出端的转动角速度之差为Δω，在Δt时间同步，则同步时的摩擦力矩方程为

如图2-4c所示的同步器动作，即转速同步阶段，接合套端面的锁止倒角和同步环的锁止倒角相接触，锁止面受力分析如图2-6所示，轴向力F和切向力F_z分别为

F=N（sinβ+μ_scosβ） （2-4）

式中 N——作用于锁止面的正压力；

β——锁止角；

μ_s——锁止面间的静摩擦因数。

F_z=N（cosβ-μ_ssinβ） （2-5）

式中 F_z——作用于同步环的切向力。

由式（2-4）和式（2-5）可得

作用于同步环的切向力F_z形成一拨环力矩M_T

M_T=F_zR_s （2-7）

式中 R_s——同步环锁止倒角节圆半径。

为了确保同步后才能换档，必须满足T_m≥M_T这一锁止条件，即

图2-6 锁止面受力分析

如果μ_s=0，则式（2-8）变为

式（2-9）用来确定满足锁止所需要的锁止角度，对于轿车为了换档省力，采用β=105°～125°，这样可以产生较大的拨环力矩。

2.转动惯量的计算

换档过程中需要计算各档同步器输入端的转动惯量，以图2-2所示的手动变速器传动示意图为例，这部分转动惯量包括输入轴及其连接齿轮的转动惯量、离合器从动盘的转动惯量、输入轴齿轮中常啮合的齿轮的转动惯量。

转动惯量转换的基本关系式为

式中 J_Z——转换后的转动惯量；

J_B——被转换的转动惯量；

Z_Z——转换轴上齿轮齿数；

Z_B——被转换轴上齿轮齿数。

空档时转换到输入轴的转动惯量为

J_rk=J_L+J_sr+J₁+J₂+J₃+J₄+J₅+J₆ （2-11）

式中 J_L——离合器从动盘的转动惯量；

J_sr——输入轴及其连接齿轮的转动惯量；

J₁——齿轮g8和齿轮g14转换到输入轴的转动惯量；

J₂——齿轮g9转换到输入轴的转动惯量；

J₃——齿轮g10转换到输入轴的转动惯量；

J₄——齿轮g11和齿轮g15转换到输入轴的转动惯量。

J₅——齿轮g12转换到输入轴的转动惯量；

J₆——齿轮g16转换到输入轴的转动惯量。(www.zuozong.com)

式中 J_g8——齿轮g8的转动惯量；

J_g9——齿轮g9的转动惯量；

J_g10——齿轮g10的转动惯量；

J_g11——齿轮g11的转动惯量；

J_g12——齿轮g12的转动惯量；

J_g14——齿轮g14的转动惯量；

J_g15——齿轮g15的转动惯量；

J_g16——齿轮g16的转动惯量。

各档同步器输入端的转动惯量见表2-2。

表2-2 同步器输入端的转动惯量

3.角速度差计算

换档前后同步器输入端零件的角速度是变化的，而换档前后车速可以认为是不变的，因此，各种情况下换档前后同步器输入端零件的角速度可以通过车速计算得到，结合图2-2，当车速为v（m/s），车轮半径为r（m）时，以3档换其他档位为例，分析其换档前后同步器输入端零件的角速度差，见表2-3。

表2-3 换档前后同步器输入端零件的角速度

4.同步环最大线速度

同步器同步环的摩擦线速度u对热应力具有重要作用，摩擦表面的温度随着线速度的增加呈指数型增高，最大角速度差Δω_max下的最大线速度为

u_max=R_sΔω_max （2-18）

5.同步环阻力矩T_v

每个档位的同步环阻力矩T_v均难以计算，表2-4所列为油温80℃时在输入轴测得的阻力矩T_vi，两者之间的关系为

T_v=T_vii_gг （2-19）

式中 i_g——输入轴到同步器的传动比；

г——油温修正系数，常温时取1，随着温度的降低该系数将大于1。

表2-4 油温80℃时在输入轴测得的阻力矩T_vi

6.考虑阻力矩T_v的同步环摩擦力矩T_r

同步过程中，考虑阻力矩T_v的同步环摩擦力矩T_r可以表示为

式中 t_r——同步时间。

升档时，Δω＜0，阻力矩T_v和同步环摩擦力矩T_r方向相同，两者共同作用，有利于换档；降档时，Δω＞0，阻力矩T_v和同步环摩擦力矩T_r方向相反，两者共同作用，不利于换档。

7.摩滑功W

同步过程中摩滑功W与Δω、T_v、t_r的关系为

升档时，Δω＜0，阻力矩T_v使摩滑功W减小；降档时，Δω＞0，阻力矩T_v使摩滑功W增加。

8.摩滑功率P_m

9.单位面积应力σ

同步过程中在换档力F的作用下，产生同步环接触面压力N，在接触面压力N作用下的单位面积应力σ为

式中 A_r——所有同步器摩擦面积总和。

10.锁止角

对于手动变速器，由于离合器及其传动机构存在拖曳转矩，即使同步器的输入与输出部分完全同步，接合套若想和接合齿完全啮合，除了接合套要穿过同步环外，还需要在换档力的作用下克服拖曳转矩的转动输入部分。因此，拖曳转矩T_z与换档力F必须满足如下关系

图2-7所示为换档力F与拖曳转矩T_z的关系。对于某一锁止角而言，只有当某一换档力F产生的转动转矩大于此时的拖曳转矩时，才能保证接合套和接合齿完全啮合，也就是说拖曳转矩位于曲线下方时才可以挂档。随着锁止角的减小，能克服的拖曳转矩T_z增大。

11.换档力

驾驶人员实际施加的换档力在很大程度上依赖于驾驶风格、温度和道路条件，温度低时，变速器拖曳转矩大，换档力增加，换档时间变长。表2-5所列为可接受的换档力和同步时间标准值，图2-8所示为换档力和同步时间的关系。

图2-7 换档力与拖曳转矩T_z的关系

表2-5 换档力和同步时间标准值

图2-8 换档力和同步时间的关系