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變速器同步環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2019-06-09 20:41:49·  來源：EDC電驅(qū)未來  作者：盧國(guó)亮  
　
在現(xiàn)代汽車變速器中，同步器的使用非常普遍。其作用歸結(jié)起來大致是以下四點(diǎn)：1.保證主從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速一致后才能換檔，以提高齒輪壽命；2.縮短換檔時(shí)間；3.減小換檔
在現(xiàn)代汽車變速器中，同步器的使用非常普遍。其作用歸結(jié)起來大致是以下四點(diǎn)：1.保證主從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速一致后才能換檔，以提高齒輪壽命；2.縮短換檔時(shí)間；3.減小換檔力；4.降低換檔噪聲。
現(xiàn)代變速器所采用的同步器大多是屬于鎖環(huán)式慣性同步器。其工作原理簡(jiǎn)單來說就是利用要嚙合零件的摩擦面相互接觸來產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，兩個(gè)零件轉(zhuǎn)速由于轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用迅速達(dá)到一致，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)摩擦力矩消失，零件進(jìn)行嚙合。圖1所示就是機(jī)械式變速器經(jīng)常采用的一種鎖環(huán)式慣性同步器。
圖1 鎖止式同步器
它的工作原理是：利用設(shè)計(jì)在齒套2及同步環(huán)3以及結(jié)合齒4端的鎖止角斜面，在未達(dá)到同步之前，對(duì)嚙合件施加慣性鎖止作用，以防止不同步嚙合；當(dāng)兩嚙合件轉(zhuǎn)速達(dá)到同步時(shí)，則摩擦錐面的摩擦力降為零。此時(shí)，在換檔力的繼續(xù)作用下，達(dá)到同步嚙合。
2 改進(jìn)原因
公司在開發(fā)SC30M5A變速器時(shí)，需要通過整車要求的同步器高速耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)要求如圖2。一個(gè)完整曲線代表1個(gè)循環(huán)，換檔點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速的75%，要求變速器做10000個(gè)循環(huán)。
圖2 耐久試驗(yàn)要求
但是，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到2730個(gè)循環(huán)時(shí)，出現(xiàn)了4檔同步環(huán)的失效，表現(xiàn)為同步器換檔困難，掛檔時(shí)有明顯的打齒聲，試驗(yàn)未通過。
對(duì)試驗(yàn)變速器拆檢后，發(fā)現(xiàn)4檔同步環(huán)磨損嚴(yán)重，同步環(huán)后備量已基本為零，內(nèi)螺紋基本磨平，部分齒被打壞。針對(duì)這一情況，分析產(chǎn)生的原因可能為以下二點(diǎn)：
（1）零件尺寸超差；
（2）同步環(huán)的鎖止力矩低，換檔時(shí)的摩擦力不夠。
3 改進(jìn)方案
針對(duì)原因1，經(jīng)過測(cè)量：殼體同軸度，同步環(huán)錐度，結(jié)合齒梅角等關(guān)鍵尺寸全部合格，基本可排除是零件尺寸超差造成的失效。
針對(duì)原因2，初步確定從2個(gè)方面的改進(jìn)來提高同步環(huán)的鎖止力矩。
3.1 從材料方面進(jìn)行改進(jìn)
SC30M5A同步環(huán)的材料為C4083S，因此我們又選擇了TL084，AT-1E這兩款常用的耐磨材料分別制做同步環(huán)（設(shè)計(jì)尺寸完全一樣），制作完成的同步環(huán)在相同的條件下進(jìn)行高速耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：3種材料的耐磨性如下：C4083S＞AT-1E＞TL084。因此判斷材料方面不需要改進(jìn)。
3.2 改進(jìn)同步環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)
要提高同步環(huán)的壽命，可改進(jìn)的變速器設(shè)計(jì)參數(shù)大致有以下幾點(diǎn)：
（1）增加同步環(huán)的平均摩擦半徑；
（2）降低輸入端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
（3）降低輸入、輸出端的轉(zhuǎn)速差；
（4）減小同步環(huán)錐面角；
（5）增大同步環(huán)摩擦系數(shù)；
（6）增大同步環(huán)鎖止角；
（7）優(yōu)化螺紋槽和排油槽；
（8）優(yōu)化其他設(shè)計(jì)參數(shù)如：撥叉形狀、內(nèi)外變速聯(lián)接裝置、零件表面粗糙度、齒套硬度及齒套與齒轂的花鍵配合間隙等。
考慮到失效僅出現(xiàn)在高速換檔情況下，因此高速換檔時(shí)要求最高的螺紋槽和排油槽是我們的突破口， SC30M5A同步環(huán)內(nèi)螺紋的原始參數(shù)如圖3所示。
圖3 優(yōu)化前的同步環(huán)螺紋參數(shù)
3.3 優(yōu)化原理
由于變速器潤(rùn)滑油的存在，高速換檔時(shí)結(jié)合齒外錐面和同步環(huán)內(nèi)錐面之間的潤(rùn)滑油可能由于螺紋槽及排油槽的設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致無法排盡，兩個(gè)錐面在摩擦?xí)r還遺留一層油膜，使摩擦錐面的摩擦系數(shù)迅速下降，表現(xiàn)為換檔力大，摩擦力不足，螺紋迅速磨損，換檔出現(xiàn)“咔咔”的打齒聲等情況。因此螺紋的設(shè)計(jì)顯得異常重要。在優(yōu)化同步環(huán)的內(nèi)螺紋參數(shù)，我們主要遵循以下2點(diǎn)來進(jìn)行：1.盡可能的提升排油量，設(shè)計(jì)的螺紋槽和排油槽要大。2.螺紋槽的齒頂寬盡可能的大，因?yàn)辇X頂寬越小，摩擦系數(shù)會(huì)降低，換檔力也會(huì)同步上升，這是我們不希望看到的。通過以上分析，我們對(duì)同步環(huán)的內(nèi)螺紋參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)如圖4所示。
圖4 優(yōu)化后的同步環(huán)螺紋參數(shù)
由圖3和圖4對(duì)比可知，采用優(yōu)化后的螺紋齒頂有了明顯的加厚，由0.15增加到0.22，摩擦面積約增加了45%，螺紋的耐磨性有了極大的提升；
同時(shí)螺紋的排油槽面積也有了提升，計(jì)算如下：
圖3所示的原始結(jié)構(gòu)排油槽截面積S1為（暫不考慮公差）：
圖4所示的優(yōu)化后的排油槽截面積S2為（暫不考慮公差）：
其中：S21為靠近齒頂部分排油槽面積，S22為靠近齒根部分排油槽面積。
計(jì)算結(jié)果顯示排油槽面積比原始結(jié)構(gòu)稍大5%左右。
同時(shí)，根據(jù)同步環(huán)的摩擦力矩公式：（F為換檔力；μ為工作錐面間的摩擦系數(shù)；R1為平均錐面半徑；α為錐面半錐角）可知，圖3和圖4這兩種情況下的平均錐面半徑R1基本相同，傳遞到錐面的換檔力F也基本相同，而摩擦系數(shù)μ與排油槽面積S成正比。由于S1＜S2，所以M1＜M2，即改進(jìn)后的同步環(huán)同步力矩也得到了上升。
綜上所述，采用圖4所示的齒頂加強(qiáng)型螺紋，克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上齒頂寬和排油量成反比的矛盾。通過加強(qiáng)螺紋齒頂?shù)膹?qiáng)度，提升了同步環(huán)的摩擦系數(shù)和同步力矩，使同步環(huán)的使用壽命有了明顯的提高；同時(shí)由于換檔力與齒頂?shù)哪p成正比，因此換檔力也得到了進(jìn)一步的下降。唯一的缺點(diǎn)是加工比原先的復(fù)雜，需要用成型刀具來加工內(nèi)螺紋。
4 同步器可靠性耐久試驗(yàn)
優(yōu)化了內(nèi)螺紋參數(shù)后，我們先在同步器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了高速耐久專項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)三臺(tái)變速器總成均滿足試驗(yàn)要求。隨后在確保變速器零件合格的狀態(tài)下，進(jìn)行了整車同步器高速試驗(yàn)及可靠性耐久試驗(yàn)，結(jié)果也ok，順利的通過了路試。
5 結(jié)束語
本文主要介紹了一種通過優(yōu)化同步環(huán)螺紋參數(shù)提高同步器耐久性能的方法，試驗(yàn)證明該方法有效可行，對(duì)同步環(huán)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
 
 
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