汽车设计课程设计（论文）-轿车机械式中间轴式5挡变速器同步器设计.doc

课程设计(论文) 题 目 名 称 轿车机械式中间轴式 5 挡变速器同步器设 计 课 程 名 称 汽 车 设 计 学 生 姓 名 学 号 9 系 、专 业 机械与能源工程系 车辆工程 指 导 教 师 2012 年 5 月 7 日 摘要 本次设计的任务是设计一个用于轿车上的中间式手动变速器的同部器。汽 车同步器是为了解决汽车在换挡操作中发动机转速与变速箱转速不一致的机械 装置，他可以有效地避免挂不上档、消除换挡时的齿轮响声等。在旧式汽车上， 没有同步器的时候，汽车换挡要进行下述步骤操作，1、踏下离合器，2、位退 到空挡，3、松开离合器，然后踏下离合器，4、档位推到要换的档位，5、松开 离合器，否则就会出现挂档困难以及听见挂档时的齿轮响声。如今装有同步器 的汽车，操作就简单了，只需要 1、踏下离合器，2、档位退至空档，然后推到 要换的档位，3、松开离合器。要注意的是：汽车在前进挡和倒档之间换档时， 必须利用刹车在汽车停稳后才能够进行换档松离合，否则对变速设备有损害 。 根据轿车的外形、轮距、轴距、最小离地间隙、最小转弯半径、车辆重量、 满载重量以及最高车速等参数结合自己选择的适合于该轿车的发动机型号可以 得出发动机的最大功率、最大扭矩、排量等重要的参数。再结合某些轿车的基 本参数，选择适当的主减速比。根据上述参数，再结合汽车设计、汽车理论、 机械设计等相关知识，最综确定同部器的形式和主要参数。 它功用是：使汽车的变速器平稳的换档。 关键词：同步器 目录目录 摘摘 要要 II 目目 录录1 第一章第一章 绪论绪论1 第二章第二章 同步器设计同步器设计7 2.1 概述7 2.2 同步器的设计7 2.2.1 同步器器材料的选择8 2.2.2 同步器主要参数的确定9 2.2.同步器的计算10 第三章第三章 同步器校核同步器校核14 3.1 同步器同步时间校核14 3.2 弯曲强度校核15 第第四四章章 小结小结16 第五章第五章 参考文献参考文献17 前言 目前，同步器已广泛应用在机械式齿轮传动的汽车变速器中。由于它的使 用，使得机械式手动变速器的性能大大改善，不但使换档轻便，避免冲击，同 时使得变速器以及整个传动系的平均寿命也得到提高，也有利于提高汽车的动 力性和燃料经济性。并且改变了用两脚离合器换档的操作方法，减少了驾驶员 的疲劳，增加了驾驶员的安全感和舒适感。为此国内现生产的汽车变速器全部 采用了同步器结构。同步器在变速箱内，是为了方便换档，其结构是在可滑动 的换档齿轮两侧有耐磨的锥形盘状物。 在行驶中挂档时，要接合的两个齿轮转 速不同，为了避免挂不上档、打坏齿轮和产生噪声，在两组齿结合前，滑动齿 轮的锥型盘（同步器）与被结合齿轮的腹部先行接触摩擦，使两组齿轮转速同 步，便可顺利使齿轮啮合。现在所有的变速箱都有同步器（国内 70 年代末以后 开始） 。但一档和倒档部位可不需要同步器。在没有同步器的汽车里换档过程比较难其过 程大至是：1、踏下离合器，2、档位退到空挡，3、松开离合器，然后踏下离合 器，4、档位推到要换的档位，5、松开离合器，否则就会出现挂档困难以及听 见挂档时的齿轮响声。现在所以汽车的变速器中都装有了同步变，使换档过程 变得容易操做，而且不会出现换档不同步现象，大大提高了变速器的可靠性。 同步器的设计 1概述 汽车同步器，是使变速器在不同工况下换档下能使其可以平稳的换档，使 其在同速的情况下换档，保护齿轮不被由于不同速情况下，打坏齿轮，使其永 久失效的情况。 对同步器的主要要求： 1.耐高温。由于同步器在变速器内，而变速器，由于高速远转所以会厂生大量 的热量，所以同步的材料要能够可以耐一定的高温。 2.耐摩擦。同步器是由于摩擦而使两个齿轮达到共同的速度，最综使其平稳的 换档。 3.可靠性。由于工况很变化，所以我们须要常换档，至使同部器的可靠性要高。 4.噪声小。 5.重量轻、体积小。 2.同步器的设计 2.1 同步器器材料的选择同步器器材料的选择 同步器同步锥面的材料直接影响到同步器的性能和寿命，一般选择同步环材 料应满足以下几方面要求： （1） 具备良好的加工性能； （2） 耐磨性能好； （3） 具有高强度，耐高温、抗冲击载荷能力强的力学性能； （4） 摩擦系数高而稳定； （5） 稳定的弹性模数； 目前，国内汽车变速器中同步环的材料多以铜基合金为主，自“七五”改 革开放后，随着 ZF、日野、桑塔纳等变速器的引进，国外采用的一种提高同步 器齿环耐磨性和寿命的齿环喷钼工艺也开始应用于国内变速器的生产中。除此 之外，随着对同步器性能要求的提高，现国外同步环采用新型摩擦材料的愈来 愈多，下面就对此做一下介绍： a. 树脂同步环的应用 为了提高同步环的摩擦系数以及耐磨性并降低制造成本，日本协和合金株式 会社在 1985 年开发成功了热硬化性树脂同步环，它使采用注塑成形工艺在同步 器钢齿环或铸铁齿环的摩擦圆周面上注塑一层热硬化性酚醛树脂后进行螺纹加 工。这种树脂同步环目前在协和公司 2000 年的销售额中已占到 20%，应用愈来 愈广并认为将要代替铜基齿环。根据协和合金公司对几种摩擦材料的试验实验 结果也可看出采用树脂同步环在各方面都显示出其优越性，其试验结果之比较 分别如图 7、图 8、图 9、所示，根据实验结果协和公司得出以下结论： （1） 耐 久性：在试验台 上， 轿车：变速器一、 二、档同步器转 速为3000rpm， 换档力为 60kg；载重车：其汽车变速器二、四档同步器转速为 2500rpm,换档力 为 115kg；试验结果表明：树脂同步环比铀齿环的耐抗性平均要提高 1.7 倍。 （2） 同步性能：树脂同步环的摩擦效率要比铜基齿环高出 15%-30%； （3） 成本：对载重车和公共汽车所用的同步环来讲，树脂的成本可比 铜 基齿环高出 30%-40%，而对轿车来讲大体相当。 图为各试验材料的摩擦特性的比较 日产柴油机汽车公司现生产的一种输入扭矩为 90kgm 的变速器中，除 4-6 档同步器采用树脂齿环外其他各档的齿环仍采用铜基齿环，但今日开发的一种 输入扭矩为 170-190kgm 的变速器中所有同步环将全部采用树脂齿环，由此也证 明了树脂齿环的发展趋势。 2、碳纤维摩擦材料 为了在保证一定摩擦系数下提高同步环的耐磨性和寿命，目前协和合金株 式会社正在进行碳纤维材料的开发。而从陕齿引进美国 EATON 公司的 fuller 变 速器的技术中，其同步环是采用一种盖伦（Gylon）的摩擦材料，它是一种以聚 四氟乙烯为基体的合成耐磨塑料，用特殊的粘结剂及严格的粘结工艺粘接在以 粉末冶金为基体的同步环锥面上，然后再在盖伦材料上加工出纵向和圆周方向 上的排油槽。该材料是美国 COLT 公司的保密技术，至今，EATON 公司所用的带 有盖伦材料的同步器锥环是由 Colt 公司直接供应。盖伦材料强度很高，摩擦系 数大，富有弹性，环档无声，使用寿命长，与铜尺环相比性能优良，价格便宜。 目前，EATON 公司生产的同步器是粉末冶金基体上粘结。该公司新研制的碳纤 维耐磨材料 EFM-I 或 EFM-II，这种材料摩擦系数高，磨损小，压缩性小，它已 经全部替代了盖伦材料，从 94 年开始 EATON 公司供陕齿的同步器已经用 EFM-I 材料。 由上述可以看出，碳纤维材料必然是今后同步器材料的发展趋势。 2.2 同步器方式的确定同步器方式的确定 同步器有常压式、惯性式和惯性增力式三种。常压式同步器结构虽然简单， 但有不能保证啮合件在同步状态下(即角速度相等)换挡的缺点，现已不用。得 到广泛应用的是惯性式同步器。 1.锁销式同步器： 同步器换挡过程由三个阶段组成。第一阶段：同步器离开中间位置，做轴 向移动并靠在摩擦面上。摩擦面相互接触瞬间，如图 317a 所示，由于齿轮 3 的角速度 3，和滑动齿套 1 的角速度 l 不同，在摩擦力矩作用下锁销 4 相对 滑动齿套 1 转动一个不大的角度，并占据图上所示的锁止位置。此时锁止面接 触，阻止了滑动齿套向换挡方向移动。第二阶段：来自手柄传至换挡拨叉并作 用在滑动齿套上的力 F，经过锁止元件又作用到摩擦面上。由于，3 和 l 不 等，在上述表面产生摩擦力。滑动齿套 1 和齿轮 3 分别与整车和变速器输入轴 转动零件相连接。于是，在摩擦力矩作用下，滑动齿套 1 和齿轮 3 的转速逐渐 接近，其角速度差 =|1-3|减小了。在 =0 瞬间同步过程结束。第三 阶段：=0，摩擦力矩消失，而轴向力 F 仍作用在锁止元件上，使之解除锁 止状态，此时滑动齿套和锁销上的斜面相对移动，从而使滑动齿套占据了换挡 位置。 2 锁环式同步器： 换挡时，沿轴向作用在啮合套上换档力，推啮合套并带动滑块和锁环移动， 直至锁环锥面与被接合齿轮上的锥面接触为止。之后，因作用在锥面上的法向 力与两锥面之间存在角速度差，致使在锥面上的作用有摩擦力矩，它使锁环相 对啮合套和滑块转过一个角度，并由滑块予以定位。接下来，啮合套的齿端与 锁环齿端的锁止面接触（如图 2）所示，使啮合套的移动受阻，同步器处在锁 止状态，换挡的第一阶工作至止已完成。换挡力将锁环继续压靠在锥面上，并 使摩擦力矩增大，与此同时在锁止面上处作用有与之相反的拨环力矩。齿轮与 锁环的角速度逐渐接近，在角速度想等的时时候，同步过程结束，完成了换挡 过程的第二阶工作。之后摩擦力矩随之消失，而拨环矩使锁环回位，两锁环分 开，同步器解除锁止状态，啮合套上的接合齿在换挡力作用下通过锁环去与齿 轮上的齿轮上的接合齿啮合如图三所示，完成换挡过程。 3,多锥式同步器 多锥式同步器多用于总质量大的货车主，副变速度器中。 4.惯性增力式同步器 惯性增力式同步器的摩擦力矩大，结构简单，工作可靠，轴向尺寸短， 适用于货车变速器。 综上所述锁环式同步器由于摩擦面和换挡行程并行故轴向空间小，且锁止 安全性及抗摩损强度高、啮合传递性好。滑块式同步器工作可靠，零件耐用， 但因结构布置上的限制，转矩容量不大，而且由于锁止面在同步锥环的接合套 上，会因齿端磨损而失效，因而主要用于轿车和轻型货车变速器中。 锁销式同 步器的摩擦面位于外侧故换挡力较小，可以分开调整锁止件形状和换挡啮合圈， 但摩擦面和换档行程串接故零件总成长度较大且锁止面易摩损，多用于中、重 型货车变速器。外锥式同步器在相同的直径下提供比内锥面大一点的摩擦力矩， 使同步器可以迅速完成同步过程。但造价比较高，多用于高级轿车中。综合以 上因素以及对同步器可靠性、稳定性、经济性及持久性的考虑，我们选择锁环 式同步器作为所需的同步器类型。 2.3 同步器主要参数的确定同步器主要参数的确定 1.摩擦系数 汽车在行驶过程中换挡，特别是在高挡区换挡次数较多，意味着同步器工作 频繁。同步器是在同步环与连接齿轮之间存在角速度差的条件下工作，要求同 步环有足够的使用寿命，应当选用耐磨性能良好的材料。为了获得较大的摩擦 力矩，又要求用摩擦因数大而且性能稳定的材料制作同步环。另一方面，同步 器在油中工作，使摩擦因数减小，这就为设计工作带来困难。摩擦因数除与选 用的材料有关外，还与工作面的表面粗糙度、润滑油种类和温度等因素有关。 作为与同步环锥面接触的齿轮上的锥面部分与齿轮做成一体，用低碳合金钢制 成。对锥面的表面粗糙度要求较高，用来保证在使用过程中摩擦因数变化小。 若锥面的表面粗糙度差，在使用初期容易损害同步环锥面。同步环常选用能保 证具有足够高的强度和硬度、耐磨性能良好的黄铜合金制造，如锰黄铜、铝黄 铜和锡黄铜等。早期用青铜合金制造的同步环因使用寿命短，已遭淘汰。由黄 铜合金与钢材构成的摩擦副在油中工作的摩擦因数取为 0.1。 f 摩擦因数对换挡 齿轮和轴的角速度能迅速达到相同有重要作用。摩擦因数大，换挡省力或缩短 同步时间；摩擦因数小则反之，甚至失去同步作用。为此，在同步环锥面处制 有破坏油膜的细牙螺纹槽及与螺纹槽垂直的泄油槽，用来保证摩擦面之间有足 够的摩擦因数。 2同步环主要尺寸的确定 (1)同步环锥面上的螺纹槽 如果螺纹槽螺线的顶部设计得窄些，则刮去存在于摩擦锥面之间的油膜效 果好。但顶部宽度过窄会影响接触面压强，使磨损加快。试验还证明：螺纹的 齿顶宽对摩擦因数的影响很大，摩擦因数随齿顶的磨损而降低，换挡费力，故 齿顶宽不易过大。螺纹槽设计得大些，可使被刮下来的油存于螺纹之间的间隙 中，但螺距增大又会使接触面减少，增加磨损速度。图 6-3a 中给出的尺寸适用 于轻、中型汽车；图 6-3b 则适用于重型汽车。通常轴向泄油槽为 612 个，槽 宽 34mm。 (2)锥面半锥角 摩擦锥面半锥角越小，摩擦力矩越大。但过小则摩擦锥面将产生自锁 现 象，避免自锁的条件是tan。一般=6°8°。=6°时，摩擦力矩较 f 大，但在锥面的表面粗糙度控制不严时，则有粘着和咬住的倾向；在=7°时就 很少出现咬住现象。本次设计中采用的锥角均为取7°。 (3)摩擦锥面平均半径 R R 设计得越大，则摩擦力矩越大。R 往往受结构限制，包括变速器中心距 及相关零件的尺寸和布置的限制，以及 R 取大以后还会影响到同步环径向厚度 尺寸要取小的约束，故不能取大。原则上是在可能的条件下，尽可能将 R 取大 些。本次设计中采用的 R 为 5060mm。 （4）锥面工作长度 b 缩短锥面工作长度，便使变速器的轴向长度缩短，但同时也减少了锥面的 工作面积，增加了单位压力并使磨损加速。设计时可根据下式计算确定 （6- 2 2 m M b pfR 1） 设计中考虑到降低成本取相同的 b 取 5mm。 （6）同步环径向厚度 与摩擦锥面平均半径一样，同步环的径向厚度要受机构布置上的限制，包 括变速器中心距及相关零件特别是锥面平均半径和布置上的限制，不宜取很厚， 但是同步环的径向厚度必须保证同步环有足够的强度。 轿车同步环厚度比货车小些，应选用锻件或精密锻造工艺加工制成，可提 高材料的屈服强度和疲劳寿命。货车同步环可用压铸加工。锻造时选用锰黄铜 等材料。有的变速器用高强度，高耐磨性的钢配合的摩擦副，即在钢质或球墨 铸铁同步环的锥面上喷镀一层钼（厚约 0.30.5mm） ，使其摩擦因数在钢与铜 合金摩擦副范围内，而耐磨性和强度有显著提高。也有的同步环是在铜环基体 的锥空表面喷上厚 0.070.12mm 的钼制成。喷钼环的寿命是铜环的 23 倍。 以钢质为基体的同步环不仅可以节约铜，还可以提高同步环的强度。 本设计中同步器径向宽度取 10.5mm。 3.锁止角 锁止角选取的正确，可以保证只有在换档的两个部分之间角速度差达到 零值才能进行换档。影响锁止角选取的因素，主要有摩擦因数、摩擦锥面f 的平均半径R、锁止面平均半径和锥面半锥角。已有结构的锁止角在26°46° 范围内变化。本次设计锁止角取。 30 4.同步时间 同步器工作时，要连接的两个部分达到同步的时间越短越好。除去同步器 的结构尺寸，转动惯量对同步时间有影响以外，变速器输入轴，输出轴的角速 度差及作用在同步器摩擦锥面上的轴向力，均对同步时间有影响。轴向力大， 同步时间减少。而轴向力与作用在变速杆手柄上的力有关，不同车型要求作用 到手柄上的力也不相同。为此，同步时间与车型有关，计算时可在下属范围内 选取：对轿车变速器高档取0.150.30s，低档取0.500.80s；对货车变速器高 档取0.300.80s，低档取1.001.50s。 5转动惯量的计算 换档过程中依靠同步器改变转速的零件统称为输入端零件，它包括第一轴 及离合器的从动盘，中间轴及其上的齿轮，与中间轴上齿轮相啮合的第二周上 的常啮合齿轮。其转动惯量的计算：首先求得各零件的转动惯量，然后按不同 档位转换到被同步的零件上。对已有的零件，其转动惯量值通常用扭摆法测出; 若零件未制成,可将这些零件分解为标准的几何体,并按数学公式合成求出转动惯 量。 2.4. 同步器的计算同步器的计算 同步器的计算目的是确定摩擦锥面和锁止角的角度，这些角度是用来保证 在满足连接健角速度完全相等以前不能进行换档时所应满足的条件，以及计算 摩擦力矩和同步时间。换档第一阶段，处于空当瞬间，考虑到润滑油阻力在常 温下对齿轮转速的降低作用可忽略不计，并假设汽车在阻力不大的道路上行驶， 同时时间不大于一秒，则认为在该瞬间汽车速度保持不变，即变速器输出端转 换于换档瞬间不变，而输入端靠摩擦作用达到与输出端同步。如上所述，换档 时为保证没有冲击的将齿轮和轴连接起来，必使它们的转动角速度相等。 摩擦力矩计算如下: 式中，为离合器从动盘、第一轴和与第二轴常啮合齿轮连接在一起转动的齿轮 的转动惯量；rJe 为发动机的角速度；为在第 K 挡工作时变速器输出轴角 a w 速度；为第 k+l 挡的输出轴上齿轮的角速度；、为变速器第 k 和 k+l 挡的传 b w 动比。 Ik ik+1为变速器第 k 和 k+l 挡的传动比。 另一方面，设换挡时作用在变速杆手柄上的法向力为，(对轿车和大客车， 取=60N；对货车，取=100N)，变速杆手柄到啮合套的传动比为 igs，则作用在同 步器摩擦锥面上的轴向力应为 F=Fgigs 式中， 为换挡机构传动效率。 由此可算得工作面上的摩擦力矩为 Mm 式中， 为摩擦锥面半锥角；f 为工作锥面间的摩擦因数；R 为摩擦锥面平均 径。 同步时的摩擦力矩方程式为 以图 3-21 所示同步器结构为例，分析研究同步器应满足的锁止条件。 为防止连接件在转动角速度相等以前接合换挡，必须满足下述条件 F1F2 式中，F1 为由摩擦力矩 Mm 产生的，用来防止过早换挡的力 F2为因锁止面倾斜而产生的力 式中，r 为锁止面平均半径； 为锁止面锁止角。 将式(3-22)、式(3-23)代人式(3-21)中得到 因此，欲保证锁止和滑动齿套不能继续移动，必须满足如下条件 3.同步器校核 3.1 同步器同步时间校核 对乘用车和客车Ft=60N，变速杆手柄到接合套的传动比为igs，则作用在同步 器摩擦锥面上的轴向力 gs s iFF 式中位换挡的传动效率。 由此可以算得工作面上的摩擦力矩m为 （2-12） 1 sin mMFR 式中，为摩擦锥面锥角；1为工作锥面间的摩擦系数；R为锥面的平均半 径同步时的摩擦力矩方程式为 （2-13） 1 11 1 11sin11 sin kkkk jw FR e r tjwe r tFR iiii 式中Jr为第一轴和第二轴常啮合齿轮连接在一起转动的齿轮转动惯量； 简化计算 （2-14） 2 1 mr Jr 2 We为发动机角速度。 满足条件：同步时间，乘用车的变速时间，高挡取0.15-0.30s，低挡取 0.50-0.80s。手柄力对轿车变速器高档取75200 N，低档取250300 N。 在一挡（传动比为3.077）换入二档（传动比为2.011） ，校核同步器同步时 间为T0.78S 在四档（传动比为1.074）换入五档（传动比0.75）校核同步器同步时间为 T0.182S 3.2 弯曲强度校核 考虑到锁止作用刚开始时的冲击，我们引入动载荷系数k1和k2。动载系 数由下图2.11查的为k1=1.4；k2=1.3 。 1).弯曲正应力校核： 轴向力Fs产生的最大弯曲正应力: 31 max s x k F r Wy 切向力F产生的最大弯曲正应力: 23 max r y k F Wx 式中:r3为锁止齿分度圆到齿根的距离; Wx、Wy为抗弯截面模量 2 x 1 6 ab W 2 y 1 6 a b W 最大弯曲正应力： maxmaxmaxxy 最大弯曲正应力必须满足： max 通过对锁环模型简化，a=2.5mm；b=1.9mm. Z2.923×108 校核结果显示：最大正应力为292MPa。符合受力要求。 2).弯曲切应力校核： 由于锁止齿轴向长度与齿高之比比较小，故必须校核弯曲切应力： 1s ymax 2 xmax 3 k F 2A 3 k F 2A 合成最大弯曲切应力为： 22 maxxmaxymax 必须满足 max 式中A为锁止齿截面积 A=ab 为许用弯曲切应力，它与许用拉应力的关系为: 0.5 0.6 Y7.712×107Pa 弯曲切应力校核结果显示：最大的弯曲切应力为77MPa。 小结 本次设计是中间轴式变速器同步器部分。变速器是车辆不可或缺的一部分， 而同步器是使变速可以平稳换挡的关键零件，国外技术已经成熟，特别最近几 年的发展起来的无级变使器，更是对同部器技术的考验。对于我们还没有踏出 校门的学生来说，其中的设计理念还是很值得我们去探讨、学习的。 对于本次设计的变速箱的同部器来说，其特点是：扭矩变化范围大可以满 足不同的工况要求，结构简单，易于生产、使用和维修，价格低廉，而且采用 结合套挂挡，可以使变速器挂挡平稳，噪声降低，轮齿不易损坏。在设计中采 用了 5+1 档手动变速器，通过较大的变速器传动比变化范围，可以满足汽车在 不同的工况下的要求，从而达到其经济性和动力性的要求；变速器挂档时用结 合套，虽然增加了成本，但是使汽车变速器操纵舒适度增加，齿轮传动更平稳。 本着实用性和经济性的原则，在各部件的设计要求上都采用比较开放的标准， 因此，安全系数不高，这一点是本次设计的不理想之处。但是，在以后的工作 和学习中，我会继续学习和研究变速器技术，以求其设计更加合理和经济。 紧张忙碌的毕业设计已经接近尾声，这次设计是对我大学四年来的学习的 一次最综合的检验，也更是一次综合的学习过程。毕业设计不仅使我学习和巩 固了专业课知识而且了解了不少相关专业的知识，个人能力得到很大提高。同 时也锻炼了与人协作的精神，为以后我踏入社会工作打下了良好的基础。 参考文献 1王望予.汽车设计M.北京：机械工业出版社.2004 2陈家瑞.汽车构造M.北京：机械工业出版社.2005 3俞志生.汽车理论M.北京：机械工业出版社.2005