同步过程分析.doc

《同步过程分析》 黄兴福
同步过程分析
本文将同步过程分解成三个阶段进行详细解释，分析了带滑块的惯性式同步器的相关功能几何参数，论述了同步器设计时所必须满足的条件

一、同步之前
① 齿毂与轴同转速：
轴段上的外花键与齿毂上的内花键连接，可以说，轴与齿毂永远都同转速的运动；
② 齿套与齿毂同转速：
齿毂上的外花键与齿套上的内花键连接，从而保证两者在圆周方向的运动状况一致。齿套与齿毂相比，就运动状况而言，不同之处在于：在同步过程中，齿套可以作轴向移动，但在圆周方向，两者的转速一致；
③ 同步环与齿毂同转速：
这一同转速是这样实现的——齿毂上有供滑块用的滑块槽，同步环上也有供滑块嵌入的凹槽。也就是说，通过滑块的“过渡”作用，而使齿毂与同步环转速一致，且是始终一致的。但是，这些槽与滑块之间存在大约0.2mm的间隙。在齿毂与同步环传力的滑块是通过它的“侧面”传递，这涉及到滑块在同步过程中的功能，具体将在后文描述；
④ 预同步的档位齿也在转：
不管这个齿是在主动轴上还是在从动轴上，在同步之前（即该档位空）是被另一个与之常啮合的档位齿驱动的，具体的转速与该档位传动比及与之常啮合的那个齿轮转速有关。
综上：齿毂所在的轴、齿毂、齿套、同步环四者是同转速旋转，而待啮合的档位齿与它们之间存在有转速差。
二、同步过程分析——同步过程三阶段分解：
在分解几个阶段之前，先作以下几点说明：
Ⅰ.齿套的轴向移动是怎么引起的？：
操纵机构换档方向作用，通过一系列杠杆牵连运动、拨叉轴的轴向移动、拨叉作跟随运动、拨叉脚驱动齿套。
Ⅱ.假设：
某一档位的同步器单向间隙为a，预同步档的齿轮间隙为b，这两个值的获得可以通过关联尺寸链的计算：例如桑车齿轮间隙一档0.2；二档0.32；三档0.2；四档0.2；五档0.15。
齿套的移动分以下几个阶段：
㈠ 预同步阶段
ⅰ）齿套起步
齿套轴向位移x达到a＋b之前（其实应该是a≦x≦a＋b），因为这个时候由滑块轴向推移齿环。这个排除该齿轮间隙的力的大小，理论上与该档斜齿轮受的轴向力的具体方向是关联的：⑴若方向相反，则滑块产生的轴向推移力去克服；⑵若方向相同，则齿轮间隙在齿轮轴向分力的作用下自行排除。
说明：滑块产生有限小的力，可以认为由此产生的摩擦力几乎为0，滑块之所以跟随齿套移动，是由于滑块上的斜坡面受齿套上滑块槽的内斜面作用，产生水平分力。所以，理论上，这一阶段滑块与齿套没有相对运动，而是作整体平移。

图1 空档位置

图2 预同步过程 图3 预同步结束时

在空档时，滑块在中立位置，滑块端面与齿环上滑块槽上的端面凸起部位之间是有间隙的，这一间隙就是平时所说的“排除齿轮间隙时的同步器单向间隙”。
② 滑块下沉
第①阶段结束时，滑块被顶住，不能继续移动而齿套仍要作轴向移动，怎么办？滑块斜坡上的力增加，产生的径向分力克服同步器弹簧作用在滑块上的径向预紧力，使滑块“沉入”齿毂的槽内，而齿套越过这一斜坡继续前行，如上图。
在空档时，要求滑块处于图示中立位置，待在齿套的槽内，而不自行轴向滑出齿套槽，这就要求弹簧有一定的预紧力F、滑块有一定的斜面度δ和斜面坡长。
而在第②阶段，外力T预使滑块下沉使齿套越过滑块继续前进，必须满足关系式：T﹥F.tgδ
所以：弹簧、滑块斜坡、坡段长度在设计时，该综合考虑。
把上述两个阶段合称为预同步阶段。齿套在外力的作用下强行通过滑块坡面。预同步阶段结束时滑块端面顶在了齿环滑块槽上的端面凸起，齿轮外锥面与齿环内锥面接触了，但是由于没有可计的压力，在锥面之间并未产生摩擦力。排除了齿轮锥面与齿环锥面之间的间隙，为同步摩擦作准备。
㈡ 同步过程的完成
齿套在完成同步之前，暂时不能继续作轴向移动。只有同步了，才能继续前移。当然，要实现这一“不同步就不能继续前移”是有条件的：后文将具体描述。
a） 何为同步？
实现预同步的档位齿轮与同步环达到同转速，也就是与同步器总成、与齿毂所在轴的同转速，有以下情况：
1）同步器在主动轴上，升档（例如从一档换二档）是通过齿环降速实现；降档（例如从五档降四档）是通过同步环升速实现；
2）同步器在从动轴上，升档是通过档位齿升速实现，降档是通过档位齿降速实现。
在1）状况下，是档位齿的转速在变化
在2）状况下，则是同步环的转速在变化
b） 同步机理何在？
靠同步环与档位齿之间的锥面摩擦力矩实现。
摩擦的产生有两个条件：
ⅰ）锥面之间有正压力的存在；
ⅱ）预同步的档位齿与同步环之间要有转速差；
这两个条件缺一不可！
在空档时，有转速差，但是没有正压力；
在上文所述预同步阶段也是有转速差，但是没有可计的正压力；
在同步过程结束后，虽然是存在正压力的过程，但是没有了转速差；
所以，只有在同步过程这一阶段，都具备上述的两个条件。
c） 同步过程的力学解析
先设定如下几个参数：
齿环结合梅角β，大约在110°
齿环摩擦锥面角度α，大约7°
齿环结合梅角至齿环轴心线的锁止半径r
齿环处在同步阶段受力如下：

图4 图5 受力图

作用在梅角处的力F分解成如图F1、F2；
各齿分力f1的合F1依然是沿轴线方向，对锥面产生正压力N=F1/sinα；
进一步分析可知，F1的大小影响由拨叉作用在齿套上的轴向换档力。
N.μ.R就是同步摩擦力矩，记为Mf＝μ.R.F1/sinα；
其中R是锥面上的名义作用半径；
所有结合齿上F2的合力是沿圆周方向的，使得齿环产成一个回拨力矩：
Mr＝F2.r 其中r 是齿环梅角至齿环轴心线的锁止半径 ；
F1与F2的关系：F2=F1/tg（β/2）；
特别：预使同步，必须符合：
Mf﹥Mr μ.R .tg（β/2）﹥r.sinα，其中μ是锥面摩擦系数；
这是同步器设计中必须要满足的。
从这个意义上讲，β越大对满足这一条件是有利的，所以在齿环上的锁止角β往往较大，达到110°甚至120°；
为什么是Mf﹥Mr的条件呢？
Mf是指作用在齿环上的，Mr也是作用在齿环上的，此两力矩的施力者分别是预同步的档位齿和齿套，此两力矩必然方向相反，下面论述在“未达到同步之前Mf和Mr必然反方向”：

⑴由档位齿升高转速而完成同步，即上文所述的“同步器在从动轴上时，由高档换低档的过程”。同步初时齿环转速比档位齿高，假设转速差为ω，与Mf、Mr，之间的方向关系如图：

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则：齿环受Mf与转速差ω必然相反，因为此时齿环对档位齿而言是主动，靠摩擦力矩去提升档位齿的转速；而Mr与ω始终是同方向的，所以Mf与Mr反方向。

⑵由档位齿降低速度而完成同步，即上文所述的“同步器在从动轴上时，由低档换高档的过程”。

这种情况下，齿环相对档位齿而言是被动，靠摩擦力矩去降低档位齿的转速，齿环受Mf与齿环转速差ω相反；而Mr与ω始终是同方向，所以Mf与Mr也是反方向的

类似的对以下两种工矿的分析也能得出Mf与Mr反方向的结论：同步器在主动轴上，通过齿环降速实现升档（例如从一档换二档）；通过同步环升速实现降档（例如从五档降四档）。
正是Mf﹥Mr以及Mf与Mr反方向这两个条件保证了在档位齿和齿环未达到同转速之前，上图中的偏角ζ的存在。只有达到同步了，前文所述的条件ii)不满足而Mf消失，而Mr继续存在,正是这个拨正力矩的存在使得齿环迅速偏转，ζ迅速增大到半齿角而使齿套得以继续作轴线移动。如图：

同步过程 同步结束

㈢ 同步齿套与档位齿上结合齿的结合过程：
在同步过程结束之后，档位齿、齿环和齿套的转速已经达到一致，齿套继续作轴向移动而与档位齿上的结合齿结合，完成整个的换档过程：
⑴ 当齿套与结合齿刚接触时，梅角前沿点（且称之为“鼻子”）可能出现以下工况;齿套上“鼻子”正对结合齿上的“鼻子”。因为结合齿与同步器齿套在圆周方向是没有任何关联定位的，完全是随机的，所以也就不可避免的会有上述“鼻子”对“鼻子”的工况发生.
但是也考虑到实际，整个圆周上不可能所有齿都是“鼻子”对“鼻子”相碰，只要稍有错开，就会有回拨力迅速加速偏致拨正。
另外，实际上梅角“鼻子”上有角度，大约6°，如图b、c

图a工况是线－线接触，考虑到实际有一定的宽度，真正的是面－面接触，所以接触冲击大；图b或c都是由点接触逐渐过渡，啮合平稳。
那么，为什么齿套在与齿环啮合时没有这种状况的发生呢？因为滑块、同步环上的滑块槽、滑块在齿套上的定位槽共同保证了齿套上的梅角齿与齿环上的梅角齿在圆周方向有关联，即大约错开半个齿角度。
只有当齿套上的梅角正对结合齿槽时，才能完全“轻松自如”的进入，但这在随机状况下总是得不到保证的。所以，其侧面必然相接触产生回拨力使其产生一个角度偏转而实现正对，如前文所述。

分解产生的轴向力F1此时是无用处的，而径向力F2正是产生回拨力矩的。F2=F.cos(β/2),从式中可见此β角度应该小一些，一般是约90°
这就是往往看到的：
齿环上的梅角较大（110°～120°）；而档位结合齿上的梅角较小（90°～100°）。这两个角度从同步过程中的功能上看是完全不一样的：一个是降低回拨力增大轴向力而达到增大同步摩擦力矩（齿环上的角）；另一个是减小轴向正压力增大回拨力矩（结合齿上的角）。
附表：几种变速器上齿套、同步环、结合齿上梅角
桑330
齿套梅角①
齿环梅角②
结合齿梅角③
备注
一/二档
60°±30′
55°±30′
90°(÷2)
①﹥②﹥③
三/四档
60°±30′
60°±30′
110°±2°(÷2)
①＝②﹥③
五 档
60°±30′
60°±30′
90°(÷2)
①＝②﹥③

金杯
齿套梅角①
齿环梅角②
结合齿梅角③
备注
一/二档
115°±2°(÷2)
115°±1°(÷2)
90°(÷2)
①＝②﹥③
三/四档
115°±1°(÷2)
115°±1°(÷2)
90°(÷2)
①＝②﹥③
五 档
115°±1°(÷2)
115°±1°(÷2)
90°(÷2)
①＝②﹥③

猎豹
齿套梅角①
齿环梅角②
结合齿梅角③
备注
一/二档
57.5°±30′
57.5°±30′
90°(÷2)
①＝②﹥③
三/四档
57.5°±30′
57.5°±30′
90°(÷2)
①＝②﹥③
五 档
57.5°±30′
57.5°±30′
90° (÷2)
①＝②﹥③