1、轿车变速箱同步器的结构设计及失效分析摘要：变速箱是车辆传动系统的重要组成部分，其性能的优劣直接影响到传动系统的性能。同步器是变速箱中的一个关键部件，其作用是在变速箱换挡时，通过摩擦副的一个摩擦接触过程，使转速不等的齿轮在达到“同步”时再相互啮合，从而有效的消除换挡过程中齿轮之间的冲击，以延长齿轮寿命，并使换挡操作平顺方便。本次设计主要运用MathCAD、AutoCAD、SolidWorks和UG/Unigraphics软件完成桑塔纳轿车同步器的结构设计及失效分析。关键词：同步器，结构设计，失效分析Car synchronizer structure design and failure ana
2、lysisAbstract：Gearbox is an important part of vehicle transmission system, its performance fit and unfit quality directly affect the performance of the drive system. Synchronizer is one of the key components of gearbox, its role is in the transmission shift, through a frictional contact friction pai
3、r process, make the speed of gear mesh each other again when synchronous, effectively eliminate the impact between gear shifting process, to prolong the life of gear, and shift operation smooth and convenient. This design mainly using MathCAD, AutoCAD, SolidWorks, UG/synchronize santana Unigraphics
4、software, structure design and failure analysis.key words：Synchronizer，Structure design，Failure analysis目 录1 绪论11.1同步器发展现状简述11.2本文内容及选题意义11.3应用软件介绍21.4同步器设计方案选择31.4.1同步器工作原理31.4.2同步器总方案的分析51.5 本章小结62 同步器设计72.1同步器具体参数选择72.1.1同步器类型的选取72.1.2接近尺寸和分度尺寸72.1.3滑块宽度及内啮合套缺口宽度82.1.4同步器装配间隙92.2同步锁环主要参数确定102.2.1
5、锥面角102.2.2锁止角的计算102.2.3锥面摩擦系数1和锁止面摩擦系数2112.2.4锁环内锥面上的螺线132.2.5 同步锁环材料的选取142.3同步器校核152.3.1同步器同步时间校核152.3.2弯曲强度校核162.4小结193 建立同步器零件及装配图203.1建图思路203.2 组件建图203.2.1 同步器齿套203.2.2 同步器齿毂213.2.3 同步器齿环223.2.4同步器滑块及卡簧223.3 同步器装配图233.4本章小结234 同步器组件三维建模及装配244.1建模思路244.2 组件建模244.2.1 同步器齿毂内外花键建模244.2.2 同步器齿套的模型创建2
6、64.2.3同步器锁环284.2.4同步器滑块及卡簧294.3 同步器装配294.4本章小结305 有限元分析315.1有限元分析方法简介315.2锁环的有限元分析315.3本章小结33总结与展望34参考文献35致谢36I1 绪论1.1 同步器发展现状简述同步器是汽车变速器的重要部件，它使变速器主、从动部分同步后再接合，从而减少接合冲击和噪声，减轻换档力，使换档平顺，从而延长了变速器的寿命。近年来随着汽车的发展，对同步器提出愈来愈高的要求。汽车发动机高马力化和高转速比使得换档时同步器所需操纵功能在不断增加。在这种情况下就必须加快对同步器的设计和生产。传统设计方法设计汽车同步器结构参数是一项非常
7、费时和艰苦的工作，而且难以求得较理想的设计参数，不利于产品性能的提高。而近年来以CAD/CAE集成技术为核心的仿真驱动设计技术，使得同步器制造新品的开发周期大为缩短同时也使得以往设计中的一些经验性知识可以以量化的形式出现，使得产品的开发效率更高。近年来，国外汽车和变速器厂家对同步器作了大量的研究工作。总体上有以下几种特点和局势：1）结构上作了很大改进，结构紧凑，体积小，同步力矩大，工作可靠。2）制造和材料上采用了新工艺和新材料。3）设计方法上采用了现代设计方法和计算机辅助设计。4）在试验上进行了许多深入细致的研究。1.2 本文内容及选题意义本文课题来源于太原工业学院机械工程专业。从桑塔纳200
8、0型轿车的用户手册中得到的SVW7180LEi型发动机的具体参数出发，针对轿车发动机的特点和同步器的具体设计要求，采用正向设计的设计思想，来完成同步器的设计。不断完善和优化同步器的性能，降低换挡结合是的冲击和噪声、减小换档力和同步时间、提高换挡的平顺性以及延长变速箱的寿命。在设计的过程中，充分利用UG/Unigraphics、 SolidWorks 、MathCAD、AutoCAD等软件，来辅助完成同步器的设计。通过用任意一个汽车发动机所提供的参数设计出与之相匹配的同步器，了解正向设计的基本过程。在设计的过程中，掌握MathCAD等软件的用法，加深对三维造型设计的了解。1.3 应用软件介绍在设
9、计过程中主要应用了UG/Unigraphics、SolidWorks 、MathCAD、AutoCAD四个软件。UG/Unigraphics用来做同步器的有限元分析，solidworks用来做同步器的三维建模，MathCAD用来做同步器同步时间和锁环强度的校核，AutoCAD用来画同步器的零件图及装配图。1） UG/Unigraphics简介Unigraphics （简称UG）是美国Unigraphics Solutions of EDS公司推出的计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程（）一体化软件，它在全球的航空航天、汽车、模具和电器电子等各个生产行业得到了广泛的应用，它可以完成产品的设计、分析
10、、加工、检验和产品数据管理的全过程。 Unigraphics功能如下： （1）特征操作（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）； （2）参数化（参数、尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）； （3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。 （4）贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展UG/Unigraphics的基本功能。2） MathCAD简介MathCAD是由Math Soft公司推出的一种交互式数值计算系统。当输入一个数学公式、方程组、矩阵等，计算机将直接给出计算结果，而无须去考虑中间
11、计算过程。因而MathCAD在很多科技领域中承担着复杂的数学计算,图形显示和文档处理，是工程技术人员不可多得的有力工具。MathCAD有五个扩展库,分别是求解与优化,数据分析,信号处理,图像处理和小波分析。3） SolidWorks简介SolidWorks 是基于产品设计的三维CAD软件，而不仅仅是基于零件设计的三维CAD软件。不仅支持自底而上的基本设计功能，而且真正支持从产品设计一开始就进行布局设计，拆分部件，最后设计零件，符合实际的自顶而下的设计方法。Solidworks是功能强大、易学易用和高效创新的三维CAD系统，可进行机械设计、零件设计、模具设计、装配体和工程图设计、消费品设计等。4
12、） AutoCAD简介美国Autodesk开发通用计算机辅助绘图与设计软件包。主要用于二维绘图与编辑、文字标注、尺寸标注等。1.4 同步器设计方案选择1.4.1同步器工作原理在变速瞬间, 变速器的输入端和输出端的转速都在变化着, 输出端与汽车整车相连其转动惯量J出输出相当大,换档作用时间较短, 可认为在换档的瞬间输出端转速是恒定的。而输入端在接触锥面上产生的摩擦力矩作用下, 克服输入端被接合零件的等价惯性力矩, 在最短时间内使输入端与输出端的转速达到同步。在实现同步之后完成变速, 这就是同步器的工作原理, 见图1.1。锁环式同步器结构见图1.2。图1.1 同步器示意图图1.2 锁环式同步器下面
13、以采用同步器的变速器从二挡换入三挡时来说明锁环式惯性同步器的工作原理。 1)空挡位置 图1.3表示同步器接合套刚从二挡退入空挡的情况。此时齿轮A和接合套C(连同锁环B)都在本身及其所联系的一系列运动件的惯性作用下 ，继续沿着原方向(如图中箭头所示)旋转。设齿轮A、锁环B和接合套C的转速分别为na、nb和接合套nc。因接合套通过锁环上的挡块，推动锁环一起旋转，因而 na=nc，故nanb。此时锁环B处于自由状态。故其内锥面与齿轮的外锥面并不接触，如图1.3中两条虚线所示 。图1.3 空挡时同步器工况 图1.4 有摩擦力矩时同步器工况 2)接合套移动摩擦力矩产生 当要挂人直接挡时，通过变速杆使拨叉
14、(嵌入接合套凹槽之中)推动接合套C，并带动滑块D一起(左)移动。当滑块前端面与锁环B接口端面接触时，便推动锁环移向齿轮使两锥面接触。由于驾驶员作用在接合套C上的推力，使两锥面间存在正压力，以及二者之间又有转速差，故一经接触便产生摩擦力矩，通过此摩擦力矩的作用，齿轮A即带动锁环相对于接合套C转过一个角度，使锁环挡块靠在接合套切口的一侧上为止 (图1.4所示)，随后则只能与接合套同步旋转。3)拨环力矩的产生 由于驾驶员始终作用在接合套上一轴向推力，于是在锁环齿端倒角面上产生正压力F，该力可分解为轴向分力F1和切向分力F2两个分力。切向分力F2所形成的力矩有使锁环相对于接合套反向转动的趋势 ，称此力
15、矩为拨环力矩。轴向分力F1则使锁环B和齿轮A二者的锥面继续压紧，保持所产生的摩擦力矩的作用。 4)摩擦力矩增长 随着驾驶员继续加于接合套C的推力加大，摩擦面上的摩擦力矩此时不断增加 ，使齿轮A的转速降低。当摩擦力矩达到最大值而等于齿轮A的惯性力矩时，接合套 C、锁环 B和齿轮 A 即达到同步，并一起保持同步旋转。此后齿轮 A与锁环 B不再存在转速差，于是惯性力矩消失，但由于使两摩擦面紧密结合着，从而在切向分力在轴向推力作用所产生的静摩擦力矩M1仍然存在，使两摩擦面紧密结合着，从而在切向分力F1形成的拨环力矩M1的作用下，使锁环连同齿轮及与之相连的所有输入端的零件一起相对于接合套反向倒转一角度，使两个花键齿不再抵触，锁环的锁止作用消除，于是接合套压圈继续前左移。而与锁环的花键齿圈进入接台状态(图1.5所示)。图1.5 摩擦力矩增长时同步器工况 图1.6 完成换挡时同步器工况完成换档，接合套齿圈与锁环齿圈接后，作用在锁环齿圈的轴向分力F1不再存在，锥面上正压力和锥面间的摩擦力矩也就消失。如果此时接合套花键齿与齿轮的花键齿端发生抵触
