同步器鎖銷斷裂分析

喬湘鶴， 蒙遠春 ，張建軍

(浙江萬里揚變速器股份有限公司研究院，浙江金華 321000)

同步器鎖銷斷裂分析

喬湘鶴， 蒙遠春 ，張建軍

(浙江萬里揚變速器股份有限公司研究院，浙江金華 321000)

鎖銷斷裂是鎖銷同步器易出現的故障。為解決這個問題，對同步器鎖銷進行受力分析，結合有限元分析對鎖銷結構進行有針對性的改進，明顯改善了鎖銷的受力情況。

同步器；鎖銷；斷裂分析

Abstract:Locking pin fracture is a commom fault for synchronizer. To solve the problem,the force analysis for the synchronizer locking pin was done. Combining with finite element analysis results,the structure of the locking pin was improved.Then the stress condition of the improved locking pin was improved.

Keywords:Synchronizer; Locking pin; Stress analysis

0 前言

同步器是變速器發展過程中最重要的發明之一，更是汽車發展過程中最重要的發明之一。其壽命以及使用情況是變速器性能指標中關鍵一環。鎖銷同步器是商用車領域中最常用的同步器之一，其錐面直徑不受齒套限制使得它在商用車變速器中的低擋位置的使用頻率更加頻繁。圖1為變速器二軸裝配圖。

雖然鎖銷同步器的結構使得它在同步器磨損、后備量等方面的故障頻率都較鎖環同步器明顯偏低，但是從市場維修情況來看，鎖銷斷裂是大部分鎖銷同步器的一個通病。而各大變速器廠家對于鎖銷斷裂通常采用的措施是簡單地由3個鎖止銷改為6個鎖止銷，或者直接把鎖銷的直徑增大，然后由市場進行驗證，并沒有一個合適的理論方法對此進行分析改進。

1 故障模式

鎖銷兩端直徑一般為8～9.5 mm，中間段的直徑一般為9.5 mm，材料一般采用40Cr等。從市場故障件來看，同步器鎖銷斷裂主要集中在鎖銷的1和2兩處，如圖2所示。

2 鎖銷受力分析

常用的鎖銷式同步器換擋過程如下：換擋撥叉帶動滑動齒套向被同步齒輪移動，滑動齒套通過彈簧及鋼球帶動定位銷移動，定位銷將同步環推向被同步齒輪的錐盤，使同步環與被同步齒輪的錐盤接觸，這時因為速度差的緣故，同步環帶動鎖銷與滑動齒套相對偏轉，滑動齒套上的鎖止面與鎖銷的鎖止面接觸；滑動齒套帶動鎖銷移動，使同步環的錐面與被同步齒輪的錐盤錐面接觸，產生摩擦力矩，在摩擦力矩的作用下，滑動齒套和被同步齒輪速度趨于一致，同步過程完成后，滑動齒套爬過鎖止銷的鎖止面，齒套內花鍵掛上被同步齒輪的接合齒，完成換擋。

2.1 普通換擋受力分析

從換擋過程中可以分析，在完全理想的情況下，鎖銷受力情況如圖3所示。

F=Wcosθ+μWsinθ

得到齒套受到的切向分力

其中：F為齒套受到的撥叉力，按照一般變速器設計要求，這個力最大不超過600 N；μ為齒套鎖止面和鎖銷鎖止面之間的摩擦因數。

若鎖止角為90°，θ=45°，F=300 N，因為μ越大Fr越小，設μ=0，則Fr=F=300 N。

2.2 極限受力情況分析

變速器同步器換擋是一個轉動慣量的同步過程，見圖4。

圖中，Jc為輸入端一軸和離合器從動片等零件的轉動慣量；Mc為離合器阻力矩；ωc為輸入端角速度；Mf為同步環摩擦力矩；Mv為汽車行駛阻力矩；ωv為輸出端角速度；Jv為輸出端轉動慣量。

一般情況下除了倒擋和1擋外，基本都不存在靜止或者低速掛擋的情況，一般都是兩個擋位之間的轉換，如2擋→空擋→3擋、3擋→空擋→2擋等，都是一個運動中的過程，所以這里不能簡單地以靜受力模型進行受力分析。

以3擋減2擋為例，當同步器掛在3擋時，同步器總成與主軸3擋齒輪轉速一致，當同步器掛到空擋時，在一定時間內，同步器總成仍舊與3擋轉動速度相同，當同步器繼續向2擋作用時，同步環在定位銷的作用下與2擋齒輪錐體接觸，在一瞬間，同步環與2擋轉速一致，導致同步環與齒套產生轉速差，從而產生一個沖擊力后，同步環再次脫開2擋錐體，與齒套轉速一致。

在同步環與2擋齒輪第一次接觸且與齒套沖擊之前，可以認為此時同步環上的轉動慣量與2擋齒輪一致。根據動量矩定理可列出下列方程式：

J·Δω=FtR

式中：Δω為角速度差；J為輸入轉動慣量；R為鎖銷分布圓半徑；沖擊時間為t；F為沖擊力。

轉動慣量的轉換基本公式為

各擋的總轉動慣量ΣJ，需要將各相應零件的轉動慣量轉到被同步的零件上。

ΣJ=J+J換

角速度差Δω的計算。在理論設計計算中，一般是按角速度差的最大值計算，所以只有假設在兩個角速度中有一個是相當于發動機最大功率時的轉速值，才是同步過程中的最大角速度差。從而可以推導出以下公式。

(1)低擋換高擋

(2)高擋換低擋

根據以上公式，某6擋變速器，假設發動機最大轉速為2 600 r/min，2擋速比為3.727，3擋速比為2.263，4擋速比為1.393，5擋速比1，6擋速比0.789，鎖銷分布圓半徑為0.063 25 m，從動盤直徑φ330 mm。假設沖擊時間為0.1 s，則3擋減2擋時可以算出

F3-2≈2 723 N

4擋減2擋時可以算出

F4-2≈11 610 N

如果由4、5、6擋位強行減擋，則因為角速度差的增大，力F會進一步增大，因為屬于特殊情況，文中不對此進行計算。

3 鎖銷模型分析

根據上面所算的受力情況，鉚接狀態如圖5所示。

圖5中，1、2、3為3個鎖銷鉚接后的鎖銷與同步環的接觸面。

通過Workbench分析，在受力600 N的情況下鎖銷不會產生任何問題。主要分析受力為2 700 N時的應力。

假設圖5中的3處地方均能夠很好地接觸，固定鎖銷，分析結果見圖6。

假設圖5中的2、3兩處地方均能夠很好地接觸，固定鎖銷，分析結果見圖7。

4 優化改進

根據以上分析，如果完全按照設計意圖，3個接觸面均能較好地接觸，進行支撐，鎖銷基本不會產生損壞，而當3個接觸面中的1號接觸面不能較好地接觸，導致只有2個面受力時，會直接導致鎖銷的薄弱處產生一個危險點，即圖7中的max點。為了保證鎖銷受力，加強1號接觸面的支撐強度，首先對產品圖和工藝進行優化。

在圖8中1處允許有一個內凹的小角度，使同步器的鉚接和壓裝過程中端面大面積接觸，且是外圓接觸，保證了鎖銷的受力狀況為圖6所示的狀況。按照圖9在鎖銷與同步環接觸位置增加沉臺，在鎖銷受力位置1處局部增大鎖銷直徑，使得鎖銷最大的外圓可以輔助支撐，從而明顯改善鎖銷受力情況，得到圖10的分析結果?？梢姡焊倪M后鎖銷的應力進一步減小。

圖8 鎖銷改進簡圖一

圖9 鎖銷改進簡圖二

【1】 姜玉明.扭轉軸在沖擊載荷作用下沖擊應力和動載系數的計算[J].南京農業大學學報，1994,17(4):138-141.

【2】 劉維信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

FractureAnalysisforSynchronizerLockingPin

QIAO Xianghe, MENG Yuanchun, ZHANG Jianjun

(Transmission Research Institute ，Zhejiang Wanliyang Transmission Co.,Ltd., Jinhua Zhejiang 321000, China)

2014-05-05

喬湘鶴(1980—)，男，學士，工程師，從事變速器、減速器方面的開發設計工作。E-mail：wind_q@sina.com。