張發(fā)勇

（陜西法士特集團公司 汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

0 引言

傳統(tǒng)鎖環(huán)式同步器利用同步環(huán)外周均布的幾十個鎖止齒來實現可靠鎖止，以滿足同步器的基本功能，但是這使得同步環(huán)的加工制造難度大大增加，加工成本也居高不下。在這種背景下，開發(fā)了一種無鎖止齒的鎖環(huán)式同步器，從而解決同步環(huán)加工制造成本高、結構復雜的問題。

1 無鎖止齒同步器的組成

如圖1、圖2所示，無鎖止齒同步器由滑套、齒轂、結合齒圈、同步器壓簧、摩擦環(huán)、鎖塊和分度塊組成。與傳統(tǒng)的鎖環(huán)式同步器不同的是：其摩擦環(huán)沒有鎖止齒，而鎖止和分度功能由鎖塊（如圖3所示）與分度塊組件完成。

圖1 無鎖止齒同步器組成和結構

2 無鎖止齒同步器的工作原理

如圖1所示，結合齒圈B與結合齒圈A分別通過其相應花鍵與輸出軸1檔齒輪和2檔齒輪（圖中未示出）相連接，作為發(fā)動機動力的輸入端；齒轂C通過花鍵與輸出軸相連接。下面以變速器1檔升2檔為例來說明同步器的工作原理。

2.1 同步前的準備過程

升檔前，與變速器輸出軸相連的齒轂轉速n1小于結合齒圈A的轉速n2，于是由于摩擦副間潤滑油的粘連作用使得摩擦環(huán)伸入齒轂凹槽的凸爪逆時針轉向D面（見圖2），使得分度塊右側斜面與鎖塊右側斜面貼合，進入鎖止狀態(tài)。

圖2 同步器的3D結構圖

圖3 鎖塊的結構

2.2 同步過程

當滑套從1檔摘到空檔后，鎖塊在彈簧力的作用下回位（即回到滑套的V型凹槽內），此后滑套在換檔力的作用下繼續(xù)向2檔齒輪側軸向移動，使得滑套V型槽的右側斜面與鎖塊的相應斜面壓緊，換檔力通過該斜面上的正壓力和摩擦力傳遞到鎖塊上，鎖塊一方面通過右側的斜面周向壓緊分度塊，另一方面通過左側平面軸向壓緊分度塊，將軸向的換檔力傳遞到分度塊，再通過分度塊傳遞給摩擦環(huán)，從而在摩擦錐面上產生摩擦同步力矩。

圖4為鎖塊A點的受力分析，圖5為鎖塊B點的受力分析，圖6為分度塊的受力分析。鎖塊在A點的軸向平面和B點（見圖3）的徑向平面力的作用下平衡。基于圖4，在水平方向上（軸向）有：

其中：Fn為滑套與鎖塊間的正壓力；Ff為滑套與鎖塊間的摩擦力；Fa為分度塊作用的換檔力的反作用力。

基于圖6，在水平方向（圓周方向）上有：

其中：F′n1為鎖塊與分度塊間的正壓力；F′f1為鎖塊與分度塊間的摩擦力；fs為摩擦錐面間產生的摩擦力。

圖4 鎖塊A點的受力分析（軸向平面內）

結合圖4和圖5，在豎直方向（徑向）上有：

其中：Fn1，Ff1分別為F′n1，F′f1的反作用力；Fs為彈簧作用在鎖塊上的彈力。

由摩擦力公式有：

其中：μ0，μ1，μ分別為滑套與鎖塊間、鎖塊與分度塊間和摩擦錐面間的摩擦系數；α為摩擦錐面的錐角。

由Fn1＝F′n1，Ff1＝F′f1和式（1）～式（6）可得：

由于Fs?Fa，所以有：

式（7）即為可靠鎖止條件。由式（7）可知，通過設計合適的角度α，β，γ可以實現同步器的可靠鎖止。在初步設計時，由于μ0，μ1通常在0.1左右，可以忽略，故式（7）可簡化為：

當α＝8°、β＝50°、γ＝50°、μ＝0.12、μ0＝μ1＝0.1時，式（8）為1.03＞0.84，式（7）為1.26＞1.03，均滿足同步器的可靠鎖止條件。

當同步完成后，由于錐面間摩擦力消失，分度塊在F′n1和F′f1的作用下后退，這使得F′n1和F′f1迅速減小，此時Fn和Ff克服彈簧力Fs，從而使得滑套越過鎖塊開始自由穿越過程，穿過摩擦環(huán)。

由于在自由穿越過程中，攪油阻力、軸承阻力等拖曳扭矩的存在，使得結合齒圈A與滑套間再次產生轉速差，但由于穿越過程極短，所以轉速差一般也很小。但當油溫較低和軸承等其他部件間的摩擦阻力較大時，則會產生較大的轉速差，在滑套結合到結合齒圈時產生較大的二次撥環(huán)沖擊。因此，應嚴格控制自由穿越階段的時間，否則過大的沖擊會造成滑套和結合齒圈的早期失效。二次撥環(huán)結束后，滑套強行進入結合齒圈，完成掛檔過程，此時，變速器完成了從1檔升入2檔的操作。

圖5 鎖塊B點的受力分析（徑向平面內）

圖6 分度塊的受力分析

3 無鎖止齒同步器的特點

與傳統(tǒng)的鎖環(huán)式同步器相比，無鎖止齒同步器具有以下優(yōu)點：①同步器摩擦環(huán)、齒轂、滑套等主要零件的結構更加簡單，加工更為容易；②因為同步器零件加工工藝的簡單化，使得制造成本大幅降低；③減小了摩擦環(huán)等零件的質量、轉動慣量和拖曳阻力，從而提高了傳動效率，節(jié)約了材料和燃料；④因為同步器結構的簡化，降低了換檔過程的功率損失，也增強了零件的可靠性，從而提高了同步器的效率和使用壽命；⑤同步器摩擦環(huán)可以采用諸如粉末冶金等的低成本方法來生產和制造。

4 結論

詳細分析了無鎖止齒鎖環(huán)式同步器的實現原理和工作過程。這種無鎖止齒的鎖環(huán)同步器由于取消了鎖止齒，使得產品的重量減小、壽命提高，降低了生產設備和相應模具的成本，同時提高了同步器的效率和壽命，是未來鎖環(huán)式同步器的一個重要發(fā)展方向。

［1］ 劉惟信.汽車設計［M］.北京：清華大學出版社，2001.

［2］ 黃旦中.轎車變速器同步器設計和研究［D］.上海：同濟大學，2002：8－20.