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鎖銷式慣性同步器設(shè)計說明書

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鎖銷式慣性同步器設(shè)計說明書

1鎖銷式慣性同步器設(shè)計摘要:同步器有常壓式、慣性式和慣性增力式三種。慣性式同步器是依靠摩擦作用實現(xiàn)同步的,在其上面設(shè)有專設(shè)機構(gòu)保證接合套與待接合的花鍵齒圈在達到同步之前不可能接觸,從而避免了齒間沖擊。慣性式同步器能做到換擋時,在兩換擋元件之間的角速度達到完全相等之前不允許換擋,因而能很好地完成同步器的功能和實現(xiàn)對同步器的基本要求。本文主要是完成鎖銷式慣性同步器的設(shè)計,首先根據(jù)同步器經(jīng)驗公式的計算,確定鎖銷式同步器零件主要參數(shù)及各零件之間在設(shè)計計算中的關(guān)系式;然后使用Solidworks 軟件對鎖環(huán)式同步器進行三維建模,確定鎖銷式同步器的基本幾何參數(shù)和裝配位置參數(shù)。關(guān)鍵詞:鎖銷式;慣性;同步器;同步時間;參數(shù)設(shè)計;強度校核2synchronizerdesigned for useAbstract:Synchronizers have, atmospheric type, inertial type and inertia increase strength type. Atmospheric type synchronizer structure simple, but have not guarantee in synchronization condition of meshing pieces of faults, has no shift. Of widely used is inertial type synchronizer. Inertial type synchronizer depend on friction role in achieving synchronization with above them exclusively institutions guarantee of engagement with the spine tooth circle for engagement in inaccessible synchronism could not contact before between so as to avoid the tooth impact. Inertia type synchronizer can shift, reach exactly equal in angular velocity between the two transmission components are not allowed to shift before, thus can complete the function o f the synchronizer and implementation to th e basic requirement of the synchronizer. This paper mainly completed the design of the lock ring type inertial synchronizer, this paper, first of all, based on the experience of synchronizer formula calculation, determine the main parameters, the lock ring synchronizer parts and relation between various parts in the design and calculation of; Then use Solidworks software to lock ring synchronizer for 3 d modeling, the basic geometric parameters of the lock ring synchronizer and assembly location parameters.Key words: synchronizer; Synchronization time;Parameter design; Strength check3目錄1 前 言 .41.1 本次課題設(shè)計的目的、意義 .41.2 汽車同步器的應(yīng)用背景與要求 .51.3 國內(nèi)外同步器的發(fā)展情況 .52 同步器的性能要求及種類 72.1 同步器的性能要求 72.1.1 同步器性能影響因素 .72.1.2 其他因素對同步器性能的影響 .82.2 同步器分類及特點 .93 同步器的類型選擇及具體參數(shù)選擇 .123.1 同步器總方案的分析 .123.2.1 鎖銷式同步器的工作原理 .133.2.2 構(gòu)造分析 133.3 同步器參數(shù)選擇 153.3.1 同步環(huán)錐面角的確定 153.3.2 同步環(huán)錐面直徑和寬度的確定 .153.3.3 錐面工作長度 b153.3.4 摩擦因數(shù) 153.3.5 同步環(huán)錐面螺紋和油槽的設(shè)計 .163.4 鎖止角的計算 .173.4.1 錐面摩擦系數(shù) 和鎖止面摩擦系數(shù) .181 23.4.2 摩擦錐面平均半徑 .1913.4.3 同步環(huán)徑向厚度 .1943.4.5 同步時間 t193.5 同步環(huán)的材料 .203.6 同步器定位螺旋彈簧的設(shè)計 .204 同步器鎖銷的設(shè)計 .214.1 同步器鎖止角的確定 214.2 同步器鎖銷差的確定 214.3 同步器齒套的設(shè)計 214.3.1 齒套鎖銷孔和定位銷孔的設(shè)計 214.3.2 齒套接合齒的設(shè)計 .214.4 同步器零件之間間隙的確定 .215 同步器校核 225.1 同步器同步時間校核 .225.2 花鍵轂齒輪基本尺寸確定 .235.3 鎖銷彎曲強度校核 .245.4 齒輪受力分析與齒輪齒面強度校核 .245.5 齒根彎曲疲勞強度計算 .275.6 接合套剪切強度校核 .285.7 花鍵轂花鍵的校核 .295.8 同步器定位螺旋彈簧的校核 .315.9 同步器設(shè)計參數(shù) .32參考文獻 .33外文翻譯 .3351 前 言1.1 本次課題設(shè)計的目的、意義本文來源于寧夏大學(xué)機械工程學(xué)院交通運輸專業(yè)。從汽車構(gòu)造教材,汽車設(shè)計及機械手冊中和從查閱得到的桑塔納2000型汽車發(fā)動機的具體參數(shù)出發(fā),針對轎車發(fā)動機的特性和同步器的具體設(shè)計要求,采用正向設(shè)計的設(shè)計思想,來完成同步器的設(shè)計。在設(shè)計過程中應(yīng)用Solidworks軟件完成部分零件和裝配過程。來輔助完成同步器的設(shè)計。通過用選用的汽車發(fā)動機所提供的參數(shù),設(shè)計出與之相匹配的同步器,了解正向設(shè)計的基本過程。在設(shè)計的過程中,掌握Solidworks軟件的用法,加深對三維造型設(shè)計的了解。畢業(yè)設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用本學(xué)科的基本理論、專業(yè)知識和基本技能,提高分析與解決實際問題的能力,完成工程師的基本訓(xùn)練和初步培養(yǎng)從事科學(xué)研究工作的重要環(huán)節(jié)。畢業(yè)設(shè)計也是完成教學(xué)計劃達到專業(yè)培養(yǎng)目標的一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié);學(xué)生通過畢業(yè)設(shè)計,綜合性地運用幾年內(nèi)所學(xué)知識去分析、解決一個問題,在畢業(yè)論文的過程中,所學(xué)知識得到疏理和運用,它既是一次檢閱,又是一次鍛煉。使學(xué)生的實踐動手、動筆能力得到鍛煉,增強了即將跨入社會去競爭,去創(chuàng)造的自信心。通過畢業(yè)設(shè)計的學(xué)習(xí),我們能更加具體的了解、學(xué)習(xí)本專業(yè)有關(guān)知識,更加充分運用所學(xué)到的技能。畢業(yè)設(shè)計具有以下目的:(1)通過閱讀有關(guān)資料對當前計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展有進一步的了解。(2)融匯貫通幾年里所學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)理論知識。(3)綜合運用所學(xué)專業(yè)理論知識和技能提高獨立分析問題和解決實際問題的能力。(4)培養(yǎng)和提高與設(shè)計群體合作、相互配合的工作能力。(5)培養(yǎng)資料查閱能力和總結(jié)運用能力。61.2 汽車同步器的應(yīng)用背景與要求 背景:現(xiàn)代人對于汽車舒適性的追求,要求換擋平穩(wěn)迅速,省力無沖擊。而這反映到變速器上就是換擋時同步器沖擊反饋到變速桿上。同步器是汽車變速器的重要部件,它使同步器輸入、輸出部分同步后再結(jié)合,從而減小了換擋時的沖擊和噪聲,減輕換擋力,使得換擋平順,輕便,減輕駕駛員的疲勞。要求:為了保證變速器能換擋平順、輕便,減小駕駛者所能感受到的沖擊和噪聲,減輕換擋力,同步器的設(shè)計一般有以下要求:選擇合適的摩擦半徑和摩擦錐面角,使之滿足變速器同步時間的要求;操縱迅速而省力;同步容量足夠大,工作平穩(wěn),低噪聲;體積小、質(zhì)量輕,工作可靠;使用壽命長等。1.3 國內(nèi)外同步器的發(fā)展情況1.3.1 國外同步器的發(fā)展現(xiàn)在國外的同步器的發(fā)展主要分為兩個方面:一方面是對于同步器機械結(jié)構(gòu)的研究。在這方面,從同步器問世以來,國外先后發(fā)展出了鎖銷式、鎖環(huán)式、自增力式、短行程式以及雙錐面和多錐面式等各種類型的同步器。在此基礎(chǔ)上,國外重型變速器的各個廠商研制了各種特有的同步器技術(shù),能夠使得變速器具有更好的換檔性能。其中美國伊頓公司就是以其獨特的雙中間軸式結(jié)構(gòu)而被人所周知,其代表性的變速器就是采用了同步器結(jié)構(gòu)的富勒系列變速器,它使的該變速器的換檔更加便捷而且增加了變速箱的使用壽命。另一方面是對于同步器摩擦材料以及制造工藝的研究。在最開始的時候,同步器的摩擦材料普遍以銅基合金為主,現(xiàn)在隨著同步器的發(fā)展,越來越多的新型摩擦材料也相繼問世。例如樹脂同步環(huán)摩擦材料和碳纖維摩擦材料。這些新型摩擦材料相對于銅基合金都具有更好的耐磨性以及更大的摩擦系數(shù)。除此之外,采用新的摩擦材料制造工藝同樣可以改善同步環(huán)的摩擦性能。例如噴鉬工藝可以使同步環(huán)具有更穩(wěn)定的摩擦性能。在國外眾多變速箱廠商中最具有代表性的就是德國的采埃孚公司,其作為世界最大的變速器制造商,采埃孚公司先后研究出的用于重型商用車的新型 ECOMID 和 ECOSPLIT 系列變速器就采用了 ZF-B、ZF-BK 型短行程同步器和 7ZF-D 型雙錐面式同步器,其中同步環(huán)的材料就選用了鋼基噴鉬同步環(huán)。其中 ZF-BK 型同步器可以很好的減小變速器的軸向尺寸,而 ZF-D 型雙錐面式同步器能夠提供更大的同步力矩,很好的提高同步性能。1.3.2 國內(nèi)同步器的發(fā)展概況國內(nèi)的變速箱發(fā)展因為起步較晚,缺乏技術(shù)儲備,其重型變速器技術(shù)多來自西方那些工業(yè)發(fā)達國家。因此,國內(nèi)的汽車變速器技術(shù)基本上是在對國外變速器的引進和消化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。最具有代表性的就是陜西法士特汽車傳動集團有限責(zé)任公司。法士特品牌在重型商用車變速器市場上擁有著相當大的市場占有率,其主打產(chǎn)品就是從美國伊頓公司引進來的早期富勒系列變速器。其與美國伊頓公司通過合資的方式生產(chǎn)了 SYNCHRO-9 系列變速器,它采用的是伊頓公司最新研發(fā)的自增力式同步器。但是,雖然該同步器具有同步力矩大、可靠性高等優(yōu)點,但是其最大的限制就是采用的非金屬摩擦材料在國內(nèi)沒有辦法生產(chǎn),必須通過進口,增大了制造的成本。同時作為國內(nèi)最大的同步器專業(yè)制造商,天海汽車同步器廠為了適應(yīng)國內(nèi)汽車市場的需要,研制了用于輕、中型變速器的雙錐面式同步器,現(xiàn)在經(jīng)過試驗,已經(jīng)取得了一定的成果。從近期來講,國內(nèi)的關(guān)于重型變速器的技術(shù)多依靠從國外企業(yè)中引進而不是自主研發(fā),雖然降低了國內(nèi)企業(yè)的研發(fā)成本,增加了企業(yè)效益,但是從長遠的發(fā)展角度來看這是非常不利于中國汽車工業(yè)的發(fā)展。雖然我國現(xiàn)在重型變速器的制造裝配水平和工藝水準相比于國外發(fā)達國家還不是很先進,但隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展,運輸車輛的安全性能和舒適性能定然會受到客戶更多的關(guān)注。82 同步器的性能要求及種類2.1 同步器的性能要求同步器最重要的性能就是其同步性和鎖止性,因此無論在對同步器進行設(shè)計或制造的過程當中都一定要確保同步器的同步和鎖止性能的良好。(1)同步性 在司機對汽車進行換擋時所花費的時間越短,則汽車換擋時的平順性就越好,因此可以認為同步器同步性能的優(yōu)劣可以用同步時間的長短來評價。同步時間越短,它的同步性能就越優(yōu)良。因為同步器主要是由同步器內(nèi)的摩擦片通過摩擦來實現(xiàn)整個同步過程,所以必須對同步器的摩擦系統(tǒng)進行嚴格的要求。具有較高摩擦系數(shù)。同步器能夠產(chǎn)生的同步力矩越大,則它需要的同步時間就越短。而靠摩擦產(chǎn)生的同步力矩的大小則與摩擦接觸面的摩擦系數(shù)息息相關(guān)。因此為了保證同步器具有良好的同步性能就需要選用具有較高摩擦系數(shù)的摩擦材料來充當同步器的摩擦接觸面。具有高耐磨性。為了保證同步器的使用壽命,在正常的使用條件下摩擦錐面的摩擦接觸面要具備較好的耐磨性具有抗超載能力。在實際造作過程中,駕駛員在換擋時有可能離合器還沒有脫開或沒有完全脫開的,因為這時候發(fā)動機的動力沒有完全中斷,同步器就會承擔(dān)較大的載荷(2)鎖止性同步器的功能就是保證齒輪在轉(zhuǎn)速達到同步后再互相嚙合,避免換擋沖擊。因此只有同步器具有良好鎖止性能才能夠保證其同步性能的發(fā)揮。若沒有良好的鎖止性能來保證同步器的鎖止,具有再優(yōu)秀同步性能的同步器在換擋時依然會產(chǎn)生換擋沖擊92.1.1 同步器性能影響因素對任何摩擦式同步器來說,均可用換檔力 F 和同步時問 t;的乘積(稱換檔沖量)來評價其性能的好壞。很明顯,最理想的同步器是既省力又能快速實現(xiàn)同步。也就是說,沖量值越小,同步器的性能越好。(1)減小錐面角 錐角越小則同步力矩 Tc 越大。但錐角過小時,容易產(chǎn)生粘附和楔死現(xiàn)象。通常取“6 度7.5 度??墒?6 度錐角,若錐面粗糙度沒有嚴格控制,則有粘著和楔死的危險。7 度錐角在相同粗糙度產(chǎn)生相同摩擦系數(shù)情況下,很少產(chǎn)生楔死現(xiàn)象。所以同步環(huán)的內(nèi)錐面應(yīng)與錐轂的錐面精確配合,嚴格控制制造公差。用量規(guī)檢查時,其接觸面積應(yīng)不少于總面積的 80。(2)增加同步器平均摩擦半徑 R。通常,鎖銷式同步器的 D/A(D 一錐面平均摩擦直徑;A 一變速器孔中心距)約在 1.01.2 范圍內(nèi);而滑塊式同步器只有 0.91.0,個別達到 1.1。所以一般說來鎖銷式同步器具有較大的扭矩容量。(3)增大摩擦系數(shù)。這是一個非常復(fù)雜的因素,而且是影響同步器性能的關(guān)鍵。平均摩擦系數(shù)的大小與率擦副的材料、潤滑油的種類、同步器的結(jié)構(gòu)以及加工質(zhì)量等密切相關(guān)。前已提及,在結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用條件一定的情況下,換檔沖骷與摩擦系數(shù)成反比。2.1.2 其他因素對同步器性能的影響潤滑油對同步器性能影響極大。變速器的阻力矩和同步器的摩擦系數(shù)受潤滑油的影響。潤滑油常常由一種礦物油作基劑加上專用的添加劑組成。潤滑油的粘度影響同步初期的刮油速度。粘度過大時,同步環(huán)的螺紋不能及時破壞工作表面上的油膜。因此,不能快速提供足夠大的摩擦系數(shù)而導(dǎo)致撞擊。冷變速器在向上換高檔時,也常出現(xiàn)撞擊現(xiàn)象就是這個原因。此外,粘度過大必然增加換擋阻力,為向下?lián)Q低檔帶來困難。由于攪油產(chǎn)生的阻力矩是同步器必須消耗的功10率。攪油消耗常常使齒輪系轉(zhuǎn)得慢些。因此,再換高檔時,攪油損耗扭矩常常有助于齒輪同步。而換低檔時,齒輪系速度增加。在給定的油的粘度、數(shù)量(升)和溫度時攪油損耗扭矩的增加與驅(qū)動小齒輪的轉(zhuǎn)速成正比。攪油損耗也隨著變速器內(nèi)油量的增加而增大。大多數(shù)變速器加油到中間軸小齒輪半徑的 1/31/2 處。考慮到齒輪噪音和邊界潤滑,油位在具體的變速器中是各不相同的。另外,變速器的加油量對溫升也很敏感,高油面溫升大。由于油過熱后會變質(zhì),不能承受壓力,同時添加劑也會分解,降低變速器使用壽命。2.2 同步器分類及特點同步器都是利用摩擦原理實現(xiàn)同步的,目前汽車上采用的同步器具有多種結(jié)構(gòu)形式,主要有常壓式、慣性式、自增力式等形式。常壓式同步器工作不是很可靠,無論同步器兩端是否達到同步,接合套與接合齒圈都可能嚙合,無法避免不同步的嚙合沖擊,目前己基本被淘汰。現(xiàn)代汽車上大量采用的是慣性式同步器,它可以有效的避免齒間沖擊和噪聲。(1)鎖環(huán)式同步器鎖環(huán)式同步器是靠鎖環(huán)錐而與接合齒圈錐而摩擦來實現(xiàn)同步作用的,鎖環(huán)式同步器具有工作性能穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)緊湊,壽命高等特點。只是由于變速器傳動軸中心距尺寸不宜過多改變,同時同步器結(jié)構(gòu)的空間布置形式對變速器尺寸具有一定影響。因此,同步器同步摩擦錐的錐而半徑無法取大,這一特點使得鎖環(huán)式同步器的同步能力受到限制。為此鎖環(huán)式同步器的同步能力較小,鎖環(huán)式同步器大多使用在小型轎車、小型乘用車、小型商用車等車型中。如圖所示,三個凹槽均布與鎖環(huán)式同步器的花鍵毅上,與其對應(yīng)有三個可以沿凹槽滑動的滑塊置于其中。滑塊與接合套之間分別通過三個彈簧圈連接,滑塊中間的凸起部分正好抵在接合套的內(nèi)環(huán)槽內(nèi)。三個缺口均布鎖環(huán)上,鎖環(huán)的缺口分別與各個滑塊端部相抵,鎖環(huán)的缺口比滑塊的寬度大一個花鍵齒寬。換檔時施加在接合套上的換檔力推動接合套,帶動滑塊將鎖環(huán)壓向接合齒圈,使鎖環(huán)的內(nèi)錐而與接合齒圈錐而接觸。由于換檔時同步器接合齒圈(輸入端)與花鍵毅(輸出端)分別對應(yīng)兩個檔位的轉(zhuǎn)速,它們之間存在轉(zhuǎn)速差,因此摩擦錐而間有相對運動而產(chǎn)生摩擦力矩,該摩擦力矩會使鎖環(huán)相對于接合套轉(zhuǎn)過一個角度,使滑塊的一端與鎖環(huán)缺口的一端接觸。此時接合套花鍵齒鎖止而與鎖環(huán)花鍵齒鎖止而相互壓緊,換檔力在鎖止斜而產(chǎn)生兩個分力,一個軸向推力和一個撥環(huán)力。然而此撥環(huán)力矩由于鎖止角的關(guān)系小于同步摩擦力矩,無法撥動鎖環(huán)轉(zhuǎn)過一個角度,此時處于鎖止狀態(tài)。當同步器輸入端輸出端通過摩擦達到相同轉(zhuǎn)速時,同步摩擦力矩消失,鎖環(huán)在撥環(huán)力矩的作用下相對于接合套回轉(zhuǎn)一個角度,接合套在換11檔力的作用下繼續(xù)軸向移動,越過鎖環(huán),與接合齒圈接合,完成換檔。鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu)緊湊,但因徑向尺寸小,錐面間產(chǎn)生的摩擦力矩較小,而且鎖環(huán)的接合齒端面,使用中會使齒端磨損而失效。故它適用于傳遞轉(zhuǎn)矩不大的轎車和輕型貨車的變速器。在中型貨車以上的變速器中,尤其是低速檔最好采用鎖銷式慣性同步器。1-一軸長嚙合齒輪 2-滑塊 3-撥叉 4-二軸齒輪 5、9-鎖環(huán)(同步環(huán)) 6-彈簧圈 7-花鍵轂 8-結(jié)合套 10-環(huán)槽 11-三個軸向槽 12-缺口(2)鎖銷式同步器鎖銷式同步器與鎖環(huán)式同步器一樣都是通過摩擦實現(xiàn)同步,其工作過程與鎖環(huán)式同步器類似,鎖銷式同步器鎖元件是三個鎖銷,與三個鎖銷相對應(yīng)的是接合套上三個鎖銷孔倒角,鎖銷穿過接合套上的鎖銷孔,將對稱于接合套兩側(cè)的摩擦錐環(huán)鉚接成整體框架結(jié)構(gòu)。另外有三個以彈簧及鋼球定位的定位銷。三個彈簧和定位鋼球是鎖銷式同步器的彈性元件,它們安在接合套的孔中,起到空檔定位作用,定位12銷的兩端而與摩擦錐環(huán)的內(nèi)端而既保留了很小的軸向間隙,又有一定的徑向間隙,從而使定位銷的作用不干涉鎖銷。與鎖銷鉚接在一起的錐環(huán)和與之對應(yīng)的待同步接合齒輪上的錐盤為鎖銷式同步器的摩擦元件。換檔時,在換檔力的作用下,接合套軸向移動,帶動鋼球和定位銷推動摩擦錐環(huán)向接合齒輪上的摩擦錐盤移動并接觸,由于轉(zhuǎn)速不同,摩擦錐而間產(chǎn)生摩擦力矩,使錐環(huán)和鎖銷相對接合套轉(zhuǎn)過一個角度,鎖銷倒角與接合套孔倒角接觸并壓緊。此時由于換檔力在倒角斜而上的分力產(chǎn)生的撥正力矩小于同步摩擦力矩,無法使鎖銷相對接合套回轉(zhuǎn)一個角度,運動被鎖止。當接合齒輪轉(zhuǎn)速與接合套轉(zhuǎn)速在摩擦力矩的作用下達到相等時,錐而間沒有相對運動,摩擦力矩消失,撥正力矩撥動鎖銷回轉(zhuǎn)到接合套孔中心,此時接合套壓下鋼珠并穿過鎖銷與接合齒圈接合,換檔完成。鎖銷式同步器因其結(jié)構(gòu)特點,摩擦錐而半徑較大,能產(chǎn)生的同步摩擦力矩比鎖環(huán)式同步器大得多,故廣泛應(yīng)用于中型及重型汽車上。鎖銷式同步器(3)自行增力式同步器這種同步器與慣性式同步器一樣,也是利用摩擦原理實現(xiàn)同步,主要區(qū)別在于自行增力式同步器在同步環(huán)內(nèi)的彈簧片作用下,同步環(huán)所能產(chǎn)生的同步力矩得到很大提高。圖為波舍爾自行增力式同步器。相互嚙合的一對齒輪空套于輸出軸上,而13花鍵毅與輸出軸通過花鍵連接,花鍵毅上均布三個凸起的軸向鍵,分別與接合套上的鍵槽對應(yīng)。接合套隨毅旋轉(zhuǎn),在軸向上與毅相對平移。接合齒圈與常嚙齒輪固定連接。彈性的開口同步環(huán)、滑塊、支撐塊及兩個彈簧片均裝在接合齒圈內(nèi),并用擋片對其軸向進行定位?;瑝K凸起的部分分別插入同步環(huán)的開口處,處于空檔情況時兩端會有間隙,支撐滑塊的內(nèi)圓凸起部分則插入與接合齒圈軸頸相對應(yīng)的槽里,槽比凸起稍寬些。同步錐環(huán)的外表而沿著軸向兩端制出外錐而,接合齒圈與接合套的兩側(cè)齒端同樣制出與其相配合的內(nèi)錐而。只要接合套與待嚙合齒輪之間存在轉(zhuǎn)速差,彈簧片的支撐力就阻止同步環(huán)直徑縮小,因而也就阻止了接合套移動。在兩者的轉(zhuǎn)速差為零(同步)時,彈簧片卸除載荷,即以右彈簧片的上端為支點,彈簧片伸張,其下端頂住支撐塊凸起的右側(cè),推動接合齒圈連同低檔齒輪一起順時針方向轉(zhuǎn)過一個角度,使彈簧片松弛,于是阻止同步環(huán)直徑縮小的支撐力消失。此時,在不大的換檔力作用下,接合套便可壓縮同步環(huán),與右側(cè)的接合齒圈接合,而同步環(huán)處于接合套的凹槽里,被可靠定位。因此,在換檔位置,無需采用一般變速器所必須設(shè)置的自鎖裝置。143 同步器的類型選擇及具體參數(shù)選擇3.1 同步器總方案的分析同步器有常壓式,慣性式和慣性增力式三種。常壓式同步器結(jié)構(gòu)雖然簡單,但有不能保證嚙合件在同步狀態(tài)下(即角速度相等)換擋的缺點,現(xiàn)已不用。得到廣泛應(yīng)用的是慣性式同步器。慣性式同步器能做到換擋時,在兩換擋元件之間的角速度達到完全相等之前不允許換擋,因而能很好的完成同步器的功能和實現(xiàn)對同步器的基本要求。按結(jié)構(gòu)分,慣性式同步器有鎖銷式,滑塊式、鎖環(huán)式,多片式和多錐式幾種。雖然它們的結(jié)構(gòu)不同,但是它們都有摩擦元件、鎖止元件和彈性元件。在慣性式同步器中,彈性元件的重要性僅次于摩擦元件和鎖止元件,它用來使有關(guān)部分保持在中立位置的同時,又不妨礙鎖止、解除鎖止和完成換擋的進行。鎖環(huán)式同步器由于摩擦面和換擋行程并行故軸向空間小,所以鎖止安全性及抗磨損強度高、嚙合傳遞性好。滑塊式同步器工作可靠,零件耐用,但因結(jié)構(gòu)布置上的限制,轉(zhuǎn)矩容量不大,而且由于鎖止面在同步錐環(huán)的接合套上,會因齒端磨損而失效,因而主要用于轎車和輕型貨車變速器中。 鎖銷式同步器的優(yōu)點是零件數(shù)量少,摩擦錐面平均半徑較大,使轉(zhuǎn)矩容量增加。這種同步器軸向尺寸長是它的缺點。鎖銷式同步器多用于最大總質(zhì)量大于6.0t的貨車變速器中。外錐式同步器在相同的直徑下提供比內(nèi)錐面大一點的摩擦力矩,使同步器可以迅速完成同步過程。但造價比較高,多用于高級轎車中。綜合以上因素以及對同步器可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性及持久性的考慮,我們選擇鎖銷式慣性同步器作為所需的同步器類型。3.2.1 鎖銷式同步器的工作原理鎖銷式慣性同步器的結(jié)構(gòu)它由被同步齒輪、同步環(huán)、同步器鎖銷、齒套、定位15鋼球、定位鋼球彈簧、同步器定位銷組成。變速時, 齒套帶動同步器定位銷一起移動, 推動同步環(huán)壓向被同步齒輪錐盤的內(nèi)錐面, 使兩錐盤相接觸, 二者一經(jīng)接觸便產(chǎn)生摩擦力矩。兩錐面接觸后, 由于齒套有換檔力作用, 使同步器鎖銷倒角與齒套鎖銷孔倒角相抵觸,而不能進入接合,使兩錐面間存在正壓力而產(chǎn)生摩擦力矩,切向力產(chǎn)生撥環(huán)力矩,只要在設(shè)計上保證摩擦力矩大于撥環(huán)力矩,就能可靠地起到鎖止作用。隨著換檔力的繼續(xù)作用, 當摩擦力矩等于慣性力矩時, 輸入端與輸出端的角速度相同時,慣性力矩等于零,摩擦力矩也等于零,實現(xiàn)了同步,使鎖銷相對于齒套轉(zhuǎn)過一個角度完成換檔。3.2.2 構(gòu)造分析(1)鎖銷的作用a.連接作用鎖銷穿過接合套上的鎖銷孔,將對稱跨置于接合套兩側(cè)的摩擦錐環(huán)鉚接成整體框架結(jié)構(gòu);b.周向驅(qū)動作用當汽車行駛時,接合套通過鎖銷剛性地帶動摩擦錐環(huán)一同旋轉(zhuǎn);c.鎖止作用,鎖銷與鎖銷孔為滑動配合,但鎖銷的中部直徑較小,因此在結(jié)構(gòu)上,只有在鎖銷與鎖銷孔對中時,接合套才能相對于鎖銷(包括摩擦錐環(huán))作軸向移動。否則,鎖銷軸與鎖銷孔的倒角相互抵觸。 (2)定位銷的作用a.定位作用如圖及A一A剖面圖所示,利用彈簧11的彈力將鋼球10壓入定位銷中部的環(huán)槽,以確定同步器的空檔位置; b.軸向驅(qū)動作用接合套通過定位銷驅(qū)動摩擦錐環(huán)向左或向右移動,定位銷與接合套上的定位銷孔亦為滑動配合。為了不與鎖銷的作用發(fā)生干涉,在結(jié)構(gòu)上定位銷的兩端面與摩擦錐環(huán)的內(nèi)端面既保留了很小的軸向間隙,又有一定的周向間隙。在使用具有鎖銷裝置的慣性式同步器時,接合套5在軸向換檔撥叉力的作用下,通過鋼球10和定位銷4帶動摩擦錐環(huán)3向左(4檔換5檔)或向右(5檔換4 檔)軸向移動,使之與相應(yīng)的摩擦錐盤2接觸。當具有轉(zhuǎn)速差的摩擦錐環(huán)和摩擦錐盤一經(jīng)接觸,便產(chǎn)生16了摩擦力矩MO一方面,在該摩擦力矩M的作用下,摩擦錐盤(A鏈)經(jīng)過減速(4檔換5檔)或加速(5檔換4檔)過渡到與摩擦錐環(huán)(B鏈)同步,其過程分別見圖 2和圖3中的虛線所示;另一方面,在慣性力矩Mt的作用下,摩擦錐環(huán)連同鎖銷一同相對于接合套超前(4檔換5檔)或滯后(5檔換 4檔)轉(zhuǎn)過一個角度,使得鎖銷中部小徑外圓緊靠在接合套鎖銷孔的內(nèi)圓面上并繼續(xù)一同旋轉(zhuǎn)。這樣,鎖銷中部的鎖止倒角錐面與鎖銷孔相對的鎖止倒角錐面相抵觸,阻止接合套前移、掛檔。由此可見摩擦力矩M一經(jīng)產(chǎn)生,原經(jīng)接合套、鋼球、定位銷作用在摩擦錐環(huán)上的軸向換檔撥叉力便轉(zhuǎn)移而成為作用在鎖止面上的軸向分力。該力經(jīng)鎖銷作用在摩擦錐環(huán)上,使之與摩擦錐盤壓緊。在摩擦力矩M的作用下,摩擦錐環(huán)與摩擦錐盤迅速達到同步。只有在達到同步之時,起鎖止作用的A鏈慣性力矩消失,作用在鎖銷上的切向分力才能通過鎖銷使摩擦錐環(huán)、摩擦錐盤和A鏈一同相對于接合套回轉(zhuǎn)一個角度,使鎖銷重新與鎖銷孔對中,于是接合套便能輕易地克服鋼球的阻力而沿鎖銷移動,直至與花鍵齒圈接合,實現(xiàn)掛檔。173.3 同步器參數(shù)選擇3.3.1 同步環(huán)錐面角的確定在同步階段中摩擦力矩隨著錐面角 T 的減小而增大 , 為了增大同步器的容量 , 錐面角 T 應(yīng)盡取小值。但是它的極限值又受錐面角自鎖條件的限制 , 為了避免錐面角發(fā)生自鎖 , T 的選取要滿足 Tarctan (_ 為摩擦系數(shù) )。 =1sin為錐面摩擦力矩; 為接合套所受換擋力。可知, 的值取得越小,則同步力 矩 就越大。但 過小則摩擦錐面將產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象。在保持同步力矩 不變的條件 下,錐面動摩擦系數(shù) 越大,則 就可取得越大些。避免自鎖的條件是 ??? tan知, 的最小值要受到兩個錐面之間的靜摩擦系數(shù) 值的大小的限制。所以,綜上所 述一般取 。 時,摩擦力矩較大,但在錐面的表面粗糙度控制不=6 8 =6嚴時,則有粘著和咬住的傾向;在 時就很少出現(xiàn)咬住現(xiàn)象。所以本文選擇=7。=73.3.2 同步環(huán)錐面直徑和寬度的確定在中間軸結(jié)構(gòu)允許的情況下 , 為了增大錐面間的摩擦力矩 , 縮短同步時間 , 同步環(huán)錐面直徑應(yīng)盡量取大值。同步環(huán)錐面寬 B 與摩擦錐面的發(fā)熱有關(guān) , 一般取 B= R鎖 /10 R 鎖 /14 ( R 鎖為撥環(huán)半徑 )。3.3.3 錐面工作長度 b縮短錐面工作長度 b,可使變速器的軸向長度縮短,但同時也減小了錐面的工作面積,增加了單位壓力并使磨損加劇。設(shè)計時可根據(jù)下式計算確定 b:= 212式中, 為摩擦面的許用壓力,對黃銅與鋼的摩擦副, ; 為摩擦 =1.01.518力矩; 為摩擦因數(shù); 為摩擦錐面的平均半徑。經(jīng)計算得 b=1.98。所以 b 取 2mm。 13.3.4 摩擦因數(shù) 汽車在行駛過程中換擋,特別是在高檔區(qū)換擋次數(shù)較多,意味著同步器工作頻繁,同步器是在同步環(huán)與連接齒輪之間存在角速度差的條件下工作,要求有足夠的使用壽命,應(yīng)當選用耐磨性能良好的材料,為了獲得較大的摩擦力矩,又要求用摩擦因數(shù)大而且性能穩(wěn)定的材料制作同步環(huán)。另一方面,同步器在油中工作,使摩擦因數(shù)減小,因此要兼顧兩方面。摩擦因數(shù)的選取不僅與選用材料有關(guān),還和工作面的表面粗糙度,潤滑油種類和溫度等因素有關(guān)。作為與同步環(huán)錐面接觸的齒輪上的錐面部分與齒輪做成一體,用低碳合金鋼制成。對錐面的表面粗糙度要求較高,用來保證在使用過程中摩擦因數(shù)變化小。若錐面的表面粗糙度值大,則在使用初期容易損害同步環(huán)錐面。同步環(huán)常選用能保證具有足夠高的強度和硬度、耐磨性能良好的黃銅合金制造。由黃銅合金與鋼材構(gòu)成的摩擦副,在油中工作的摩擦因數(shù) 取為0.1。摩擦因數(shù)對換擋齒輪和軸的角速度能迅速達到相同有重要作用。摩擦因數(shù)大,則換擋省力或縮短同步時間;摩擦因數(shù)小則反之,甚至失去同步作用。為此,在同步環(huán)錐面處制有破壞油膜的細牙螺紋槽及與螺紋槽垂直的泄油槽,用來保證摩擦面之間有足夠的摩擦因數(shù)。3.3.5 同步環(huán)錐面螺紋和油槽的設(shè)計為了破壞被同步齒輪內(nèi)錐面上的油膜 , 增大摩擦力矩 , 同步環(huán)錐面上需車制螺紋 , 并在螺紋垂直方向開設(shè)排油槽 , 油槽的大小及數(shù)量應(yīng)根據(jù)同步環(huán)錐面直徑來確定。一般油槽寬為 2mm 4mm, 數(shù)量 30個 40 個。同步環(huán)螺紋齒頂寬對摩擦系數(shù)的影響較大 , 在設(shè)計時 ,一般螺紋齒頂寬為 0. 15mm 0. 2mm,螺紋牙形角為 50°, 螺距為 0. 65mm 0. 9mm。若螺紋槽螺線的頂部設(shè)計的窄些,則刮去存在于摩擦錐面之間的油膜效果好。但頂部寬度過窄會影響接觸面壓強,使磨損加快。螺紋的齒頂寬對 的影響很大,隨齒頂?shù)哪p降低,換擋費力,故齒頂寬不易過大。螺紋槽設(shè)計的大些,可使被刮下來的油存在于螺紋之間的間隙中,但螺距增大又會使接觸面減少,增加磨損速度。圖3-5中給出的尺寸適用于輕、中型汽車,圖3-6適用于總質(zhì)量大些的貨車。通常軸向泄油槽為6 12個,槽寬 2 4mm。 193-1 同步環(huán)螺紋槽 a3-2 同步環(huán)螺紋槽 b3.4 鎖止角的計算鎖止角 選取得正確,就可以保證只有在換擋的兩個部分之間角速度差達到零值時才能進行換擋。影響鎖止角 選取的因素,主要有摩擦因數(shù) 、摩擦錐面平均半徑 、 1鎖止面平均半徑和錐面半錐角 。已有結(jié)構(gòu)的鎖止角在26 42范圍內(nèi)變化。 從下式20tan2sin12111+22sin式中 為錐面摩擦系數(shù); 為鎖止角摩擦系數(shù); 為摩擦錐面平均半徑; 為1 2 1 2鎖止面平均半徑可以看出,鎖止角 的大小是和許多選定了的幾何尺寸有關(guān),不過影響最大的一個因素要算是錐面之間的動摩擦系數(shù) 了。 角要取得大些,使所產(chǎn)生的1 切向摩擦力矩足以阻止發(fā)生不同步嚙合的不正?,F(xiàn)象,直到同步時摩擦力矩消失,實現(xiàn)同步嚙合為止。鎖止角過大,就是說齒端面太鈍時,只能給齒的嚙合造成困難。有時在汽車起步時,發(fā)生鎖環(huán)齒難以嚙合的問題,這可能是鎖環(huán)式同步器所取的鎖止角過大的緣故,這也是鎖環(huán)式同步器的一個缺點。下面分析一下鎖止角 、錐面摩擦系數(shù) 和鎖止角摩擦系數(shù) 的關(guān)系。1 2tan2sin-12111+22sin=sin-1212112+2sin=(2)本文取鎖止角 為 42°3.4.1 錐面摩擦系數(shù) 和鎖止面摩擦系數(shù)1 2當同步環(huán)以及同步器摩擦副的材料選定后,錐面摩擦系數(shù) 和鎖止面摩擦系數(shù)1與表面光潔度有關(guān),錐面摩擦系數(shù) 還與潤滑油種類和溫度等有關(guān)。2 1鎖環(huán)式同步器的錐面角 和鎖止角 均分別取常用值 7°和 42°,摩擦錐面平均 半徑和鎖止齒面平均半徑的比值在鎖環(huán)式同步器中一般取 0.75。由于撥正力矩 為=22(12tan)tan+2為同步環(huán)花鍵分度圓半徑; 為接合套換擋軸向力。2 2根據(jù)以上公式21=112 tan+2sin(12tan)所以,當假定 =0.07,繪制如圖 3-8 所示.2圖 3-3 扭矩比與錐面摩擦系數(shù)關(guān)系假定 ,則錐面摩擦系數(shù) 與鎖止面摩擦系數(shù) 存在著以下極限關(guān)系:=1 1 21=sin(12tan)tan+2 21另外,由于值 必須大于零,所以2 S4 ,S5= S2- S1= d /( 2tanT)。式中: S 齒套與接合齒之間的空檔間隙;S1 錐環(huán)與錐盤兩基面之間的空檔間隙 , 設(shè)計時取 S1= 1mm 2. 5mm;S2 錐環(huán)小端與錐盤內(nèi)端面之間的間隙 , 設(shè)計時取 S2= 3. 5mm 4mm;S3 鎖銷倒角與齒套鎖銷孔倒角之間的空檔間隙 , 設(shè)計時取 S3 = 0. 95mm1.1mm;S4 同步器定位銷與同步環(huán)之間的空檔間隙 , 設(shè)計時取 S4= 0. 25mm 0. 35mm;S5 同步器的后備行程 , 設(shè)計時取 S5=2.5mm 3mm;d 同步環(huán)徑向磨損量。當 S S1+ S2+ S3 時 ,同步器正常工作 ,直到同步器磨損到預(yù)定的尺寸為止。當 S3 S4 時 , 同步器鎖銷過早地進入了齒套鎖銷孔 , 同步器鎖止條件不能實現(xiàn) , 等于無同步器。265 同步器校核5.1 同步器同步時間校核對乘用車和客車 =60N,變速桿手柄到接合套的傳動比為 ,則作用在同步器 摩擦錐面上的軸向力(5-1)=式中 為換擋的傳動效率。由此可以算得工作面上的摩擦力矩 為:(5-2)=1sin1式中, 為摩擦錐面錐角; 為工作錐面間的摩擦系數(shù); 為摩擦錐面的平均半 1 1徑.同步時的摩擦力矩方程式為11sin= ( 1+11)=sin11(1+11)為發(fā)動機角速度,式中 為第一軸和第二軸常嚙合齒輪連接在一起轉(zhuǎn)動的齒輪 轉(zhuǎn)動慣量;簡化計算(5-3)=122滿足條件:同步時間,乘用車的變速時間,高擋取0.15-0.30s,低擋取0.50-0.80s。手柄力對轎車變速器高擋取60 N,低擋取 100N。在一擋(傳動比為3.077)換入二檔(傳動比為2.011) ,校核同步器同步時間如下:已知條件,如表4-1:表4-1同步器低擋傳動參數(shù)表27sin 1 0 2 1 1 0.122 2.011 3.077 60 28 0.11 100 7850=2220由公式得(5-4) =sin1( 1+11)結(jié)果:t=0.61s在四檔(傳動比為1.074)換入五檔(傳動比0.75) ,校核結(jié)果如下: 由已知條件,如表4-2: 表4-2同步器高擋傳動參數(shù)表sin 4 5 2 1 1 0.122 1.074 0.75 60mm 28mm 0.11 100N 7850N=2220由公式(5-4)得:結(jié)果:t=0.152s5.2 花鍵轂齒輪基本尺寸確定齒輪的損傷形式雖然多種多樣,但在某一具體適用場合并不同時發(fā)生,因此其設(shè)計準則取決于輪齒可能出現(xiàn)的損傷形式。目前,針對前述失效形式中的齒面磨損和塑性變形等,尚未建立起廣為工程使用且行之有效的計算方法和設(shè)計數(shù)據(jù),因此在設(shè)計齒輪傳動時,通常只對彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度進行計算?;ㄦI轂選用材料為 ,采用滲碳淬火,齒面硬度較高,耐沖擊性能好。2028花鍵轂選用標準圓柱直齒輪,有標準模數(shù)查得,根據(jù)同步器初步選用齒輪模數(shù)為 ,并初步選定齒輪齒數(shù) , 。=2 =36=1,=0.25壓力角 。=20確定花鍵轂齒輪分度圓直徑為:=72齒輪齒頂高為:=2齒輪齒根高為:=(+)=1.25=2.5所以初步選用齒輪基本尺寸如下:花鍵轂齒輪模數(shù) 齒輪齒數(shù) ,軸徑=2, =36,花鍵轂寬度 ,鎖環(huán)與接合齒圈,接合套齒形齒數(shù)與花鍵轂相同,=30 =25由花鍵轂齒形參數(shù)確定,接合套選用材料和齒輪相同,鎖環(huán)則初步選用鋁青銅材質(zhì)。齒輪基本參數(shù)確定,相關(guān)零件進行校核。5.3 鎖銷彎曲強度校核5.4 齒輪受力分析與齒輪齒面強度校核齒輪傳動受力分析的目的是為了計算輪齒強度和為支承齒輪的軸和軸承提供設(shè)計計算所需的作用力的數(shù)值。由于齒輪轉(zhuǎn)動時一般均加以潤滑,嚙合齒面間的摩擦力通常很小,故作受力分析時可略去輪齒齒廓在節(jié)點C嚙合時相互作用的總壓力,即為法向力 ,其方向沿嚙合線方向。 可以分解為兩個相互垂直的分力,即圓周力 和徑向力 ,由圖4-3可 知各力大小如下:(5-5)=20001/1(5-6)=tan29(5-7)=/cos圖4-3直齒圓柱齒輪傳動的受力分析鎖環(huán)在工作過程中,由輪齒的失效形式分析可知齒面點蝕是齒輪傳動的主要失效形式之一,因而需對鎖環(huán)的輪齒齒面進行接觸疲勞強度計算進行校核.接觸疲勞強度計算是以Herts接觸應(yīng)力公式為基礎(chǔ)的。根據(jù)齒面疲勞強度公式,可以得到在預(yù)期壽命內(nèi)保證輪齒不發(fā)生齒面點蝕損傷的強度條件應(yīng)為:(5-8)= 1(1211+122)式中: 計算接觸應(yīng)力;、 和 小齒輪、大齒輪材料的彈性模量和泊松比;1 2 1、 2輪齒單位長度計算載荷;綜合曲率半徑;許用接觸應(yīng)力。30對于漸開線齒輪來說齒面接觸疲勞強度校核公式為:(5-9)= 2000131±1彈性影響系數(shù);區(qū)域系數(shù); 重合度系數(shù)。在齒輪中兩齒輪齒面接觸點處的接觸應(yīng)力 是相等的,但其許用應(yīng)力分別與各自的材料、熱處理方法及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān),一般不相同,用此公式計算時代入許用應(yīng)力中的較小值。齒輪傳動的許用接觸應(yīng)力是根據(jù)試驗齒輪的接觸疲勞極限 確定的。由于是在標準運轉(zhuǎn)條件下得到的結(jié)果,因此當齒輪傳動的實際工作條件與實驗條件不同時,應(yīng)對實驗數(shù)據(jù)進行修正。所以在此次設(shè)計中齒輪的許用接觸應(yīng)力按下式計算:(5-10)=式中: 實驗齒輪的接觸疲勞極限,MPa,其值由表查取接觸強度壽命系數(shù);接觸強度最小安全系數(shù),由表(5-4)查取。表5-4最小安全系數(shù)參考值最小安全系數(shù)使用要求

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