基于AMESim的锁环式同步器工作过程研究
基于AMESim的锁环式同步器工作过程研究
摘 要： 惯性式同步器分为锁环式和锁销式两种，轿车和轻、中型货车广泛采用锁环式同步器。介绍了锁环式同步器的结构及工作原理，对同步器位于中间轴上变速器形式的同步器工作过程进行分段研究。重点分析了同步器的同步性能和锁止性能，并建立了基于AMESim仿真软件的同步器工作过程模型。研究结果表明，选取较小且合适的摩擦锥面角α和锁止角可以获得更好的同步性能和锁止性能；对锁环式同步器工作过程的分段研究符合同步器工作过程的实际情况，为换挡过程的进一步研究奠定了基础。
关键字: 锁环式同步器 工作过程 同步性能 锁止性能 分段研究
引 言：
同步器按照结构的不同可分为常压式、惯性式、自增力式等种类，常压式同步器对接合套的轴向阻力是由弹簧压力造成的，其大小有限（“常压式”的名称由此而得），如果驾驶员用力过猛，可能在转速未达到同步之前，接合套压下定位弹簧与待挂入挡齿轮齿圈接触，使齿间产生冲击；自增力式同步器受到弹簧力的增力作用，使换挡更为省力并且迅速，其结构复杂、成本高，使用寿命相对较短；惯性式同步器与常压式同步器一样，都是依靠摩擦作用实现同步的，从结构上保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，从而避免了齿间的冲击和噪声的产生，提高了换挡品质，结构简单、成本低，广泛应用于各类车型的变速器中[1]。
惯性式同步器分为锁环式和锁销式两种，锁环式同步器主要应用在轿车和轻、中型货车上，锁销式同步器主要应用在大中型货车上[2]。其主要由接合套、定位销、花键毂、锁环及待挂入挡齿轮齿圈组成。锁环内锥面的锥面角称为摩擦锥面角α，花键齿两侧斜面的夹角称为锁止角β。同步器工作过程中锥面间产生摩擦，使中间轴和第二轴的转速同步，进而完成换挡。锁环的内锥面上加工出细牙的螺旋槽，以便两锥面接触后能破坏油膜，增加锥面间的摩擦，缩短同步时间。三个定位销分别嵌合在花键毂的三个轴向槽内，并可小范围轴向移动。定位销内部弹簧将定位小球压向接合套的花键齿中部凹槽内，起到带动锁环运动和空挡定位作用。
本文以同步器位于中间轴的变速器形式为例，介绍了锁环式同步器的结构、工作原理，分段研究了同步器的工作过程，在AMESim软件的基础上，验证了分段研究的准确性。
1、 同步器工作过程的分段研究
在锁环式同步器结构及工作原理的基础上，分段研究了锁环式同步器的工作过程，将其分为五个阶段[3~6]，如图1所示。
图1 同步器工作过程分段研究示意图
第一阶段，接合套带动锁环压向待挂入挡齿轮外锥面阶段。该阶段是在锁环内锥面与待挂入挡齿轮外锥面接触前，接合套通过周向分布的三个定位销带动锁环移动。接合套在换挡力的作用下，内花键沿着花键毂外花键滑动，受到的力主要是换挡力、定位销上滑块的摩擦力和花键接触面的摩擦力，对于传统手动变速器，换挡时没有发动机转速调节装置，花键接触面的摩擦力可忽略不计。
第二阶段，转速同步阶段。由于锁止作用的存在，接合套在与待挂入挡齿轮转速达到同步之前不能继续向前移动，直到转速同步后，该阶段结束。由于换挡过程很短，且汽车的行驶阻力矩很大，在换挡过程分析时，可以假定行驶阻力矩固定不变；同步过程相对于汽车行驶来说，是瞬时完成的，变速器输入端的阻力矩也可以忽略不计。换挡过程中，输入端受到来自锁环的同步转矩和输入端的转动惯量引起的惯性转矩同时作用。当变速器输入输出部分转速同步后，锁环解除对接合套的锁止作用，接合套将锁环拨正后才能继续完成换挡操作。锁环受换挡力产生的拨环转矩的作用向后退，后退的角度为锁止角β的二分之一，此过程时间很短，可忽略不计。
第三阶段，接合套穿过锁环阶段。由于同步阶段结束，当接合套需要继续向前移动完成换挡时，必须压下定位销上的定位小球，此时所需换挡力再次增加，换挡力变化规律曲线出现第二次峰值的现象，直至接合套内花键与待挂入挡齿轮齿圈接触后，该阶段结束。
第四阶段，待挂入挡齿轮齿圈拨正阶段。当接合套运动到与待挂入挡齿轮齿圈接触的位置时，接合套内花键端面倒角与齿轮齿圈处于相抵状态，换挡力产生的拨正转矩带动接合套、离合器从动盘、中间轴及其相连部件相对于待挂入挡齿轮转过一个角度γ，γ介于0~β/2之间。
第五阶段，接合套与待挂入挡齿轮齿圈啮合阶段。此阶段控制上应减小换挡力甚至加适量的反方向换挡力，使接合套内花键端面与齿轮齿圈平稳接触，减小换挡冲击，当接合套与齿轮齿圈啮合后，同步器工作过程结束。
2、 同步性能和锁止性能研究
3.1 同步性能
同步性能是同步器最基础也是最重要的性能指标，同步器的同步性能将直接影响变速器的换挡性能，主要表现为在要求的同步力作用下同步时间的大小，也就是同步器同步力矩的大小[7]。对于锁环式同步器，同步过程中摩擦锥面的受力简图如图2所示，其中用BC代表同步阶段。
图2 同步过程中摩擦锥面间受力简图
图中，FBC为同步阶段的换挡力，α为摩擦锥面角的一半，μB为摩擦锥面间的动摩擦系数，RBC为摩擦锥面有效半径。根据受力简图可以得到同步力矩的表达式如下：
（1）
同步前后的锁环受力简图如图3所示。
图中，NB为作用在摩擦锥面上的正压力，μBS为摩擦锥面间的静摩擦系数。对其受力分析后可得如下关系式：
（2）
同步过程结束后锁环上的换挡力FBC消失，锁环要与齿轮锥面分离，而图中的静摩擦力方向变为反方向，阻止其分离，此时要求正压力的轴向分力大于静摩擦力的轴向分力。即：
此时便可以得到同步器最小摩擦锥角表达式：
（3）
图3 同步过程结束后摩擦锥面的受力简图
综上分析可知，锁环材料和摩擦锥面角是影响同步器同步性能的关键参数，摩擦面锥角α越小，同等条件下获得的同步力矩越大，同步时间越短，换挡品质越好。但摩擦锥面角过小，同步过程结束后锁环不能自动脱离摩擦锥面，严重时将影响同步器的使用寿命。
3.2 锁止性能
在同步器的同步过程中必须保证同步器处于锁止状态，以避免同步过程中发生啮合而产生冲击，这就要求同步器必须具有良好的锁止性能[8]。同步过程中接合套内花键和锁环花键之间的受力关系如图4所示。
图中，Ft为接合套受到的切向力，NC为花键接触斜面间的正压力，μC为花键接触斜面间的摩擦系数，β为同步器锁环的锁止角，RJ为接合套内花键和锁环花键的分度圆半径。对其进行受力分析可以得到切向力的表达式如下：
（4）
接合套受到的切向力方向作用在锁环花键上的力产生对锁环的拨正力矩MI，对Ft进行简化后可以得到拨正力矩的计算公式：
（5）
图4 同步过程中接合套内花键和锁环花键之间受力简图
为保证同步器在同步完成前具有锁止作用，作用在锁环上的同步力矩须大于拨正力矩，即MS＞MI，在同步器设计时，必须满足锁止条件，以保证同步器具有优异的锁止性能。
当同步完成后，同步器需要解除锁止状态以便完成与接合齿的啮合，这时同步器需要较大的拨正力矩来克服转动阻力矩，从这一角度来看，此时同步器的锁止角应稍小些，以增大拨正力矩。原则上，在满足使用寿命和使用性能的条件下，尽量选取较小的锁止角以获得尽可能大的拨正力矩，以便轻易地解除锁止状态并完成与接合齿的啮合。
通过以上的分析可知，选取较小且合适的摩擦锥面角α和锁止角可以获得更好的同步性能和锁止性能。
3、 仿真分析
为验证同步器工作过程分段研究的准确性，在对同步性能和锁止性能研究的基础上，建立了基于AMESim的仿真模型，如图5所示。
通过模型的仿真研究可以得到换挡力与换挡位移的变化规律曲线如图6所示，从中可以看出，曲线的阶段性明显，符合同步器工作过程的实际情况，验证了本文分段研究的准确性，为换挡过程的深入研究奠定了基础。
图5 基于AMESim的同步器工作过程仿真模型
图6 换挡力与换挡位移变化规律曲线
4、 结论
本文介绍了锁环式同步器的结构和工作原理，分五个阶段阐述了同步器的工作过程；详细研究了同步器的同步性能和锁止性能，结果表明，选取较小且合适的摩擦锥面角α和锁止角可以获得更好的同步性能和锁止性能。在此基础上建立了基于AMESim的仿真模型，并得到换挡力与换挡位移的变化规律曲线，验证了分段研究的准确性。
参考文献
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