1 引言
对于变速器来说，尤其是机械式齿轮传动结构的变速器，同步器是不可或缺的零部件之一[1]。安装同步器的机械式变速器具有一般同步器没有的优点，包括换挡更加柔和、换挡噪声小等优点，而且由于换挡时的齿轮冲击减少，同时也能增加齿轮使用寿命[2]。对于同步器的设计，最好能在不增加尺寸和质量的基础上，同时使同步器具有更大的同步容量[3]。目前6挡变速器普遍采用的一二挡同步器是双锥面的同步器[4]。
但是重型商用车的使用条件和要求较高，普通双锥面同步器不能达到使用要求[5]。因此，本文将探索三锥面同步器相关设计参数的优化方面，以达到缩短一二挡同步时间，降低换挡力，提升同步器使用寿命等目的[6]。
2 三锥面同步器的设计
2.1 同步器工作原理及锥面结构分析
根据牛顿第二定律以及动量矩定理[7]：
(1)
(2)
其中: M为 力矩; θ 为角加速度; w1为同步器输入端零件的角速度; J为同步器输入端零件的转动惯量; t 为同步时间; TC为同步器工作锥面上的摩擦力矩。
从上式可以推出
设同步器的输入端与输出端角速度差为ΔW1，在时间t内同步。则平均角减速度为dW1/dt=ΔW1/t，即：
(3)
另一方面，在换挡时，当换挡力的大小不发生改变时，则同步器工作锥面上的摩擦力矩如下式所示:
(4)
式中： F为作用在锥面上的轴向分力,一般情况下F为接合套上的轴向力； u为工作锥面上的摩擦系数； R为 锥面平均摩擦半径； α为摩擦锥面的锥面角。
想要完成同步这一过程，需要同步提供的摩擦力矩大于克服转动惯量所需的力矩，即
(5)
变形得：
(6)
对于多锥同步器，其同步摩擦力矩方程式应该是：
(7)
如果选择三锥同步器，式(5)变形得
(8)
由式(6)、式(7)可以得出结论：锥面越多，可以产生更大的摩擦力矩，换挡所需的力和时间的乘积将成倍降低，提高换挡轻便性。
在重型变速器，特别是在低挡位中，由于受中心距和尺寸结构限制[7]，无论怎样优化各种参数，同步器容量还是不能满足需要，这并不是同步器本身的问题，此时应考虑的是采用多锥面同步器。
2.2 技术方案
通过结构设计，分别将同步环2、锥毂3、中间环4、内环5组成3套摩擦副，固定在2个挡位齿轮9、10上。见图1。
图1 三锥同步器的结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of the three-cone synchronizer
换挡时，齿套1移动，带动同步推块7，压紧同步环2、锥毂3、中间环4、内环5等4个零件，通过锥面接触， 3套摩擦副产生摩擦力矩，克服惯性力矩，最后拨环力拨动同步环2，并通过同步环，完成换挡[8]。
2.3 性能指标
在同步器设计时，我们有很多评价指标来评价同步器是否满足设计要求。常用的指标有：换挡力、同步时间，比摩擦功、极限压强等等[9]。
换挡力和同步时间是是同步器设计时最重要的指标，也是用户使用时唯一能感受到的指标[10]。由于每辆车的换挡操纵杆系不同，导致换挡的杠杆比不一样，所以理论计算时常以同步滑套上的力来判定，由于同步器的换挡力和换挡时间成反比，所以行业内常常用换挡冲量这个概念来评价换挡性能，换挡冲量是指在换挡过程中，提供的换挡力与时间t之积[11]。其大小直接关系着换挡性能的好坏。
主要是以摩擦功和锥面极限压强来评判，其值越小，代表寿命越安全[12]。
表1为三锥面同步器性能指标计算结果，通过与双锥同步器计算性能指标对比，换挡冲量值大幅降低，换挡性能提升明显。摩擦功和锥面极限压强均明显降低，使用寿命提高。
表1 双锥和三锥同步器的性能指标
Table 1 Comparison of performance between bicone and tricone synchronizers
挡位1-21-22-12-1一二挡同步器三锥同步器双锥同步器三锥同步器双锥同步器输入转速/(r·min-1)1 5001 5001 5001 500离合器从动片转动惯量/(kg·m-2)0.1170.1170.1170.117换挡时间/s0.50.50.70.7作用在滑套上的换挡力/N461.1912.9974.61 929.7滑套上的换挡冲量/(N·s)230.55456.45682.221 350.79比摩擦功/(J·mm-2)0.033 420.049 060.098 90.145 2同步环锥面的极限压强/MPa0.256 50.663 30.542 21.402
2.4 换挡卡滞等问题分析和优化
对换挡卡滞进行分析，根据动态换挡全过程图分析，卡滞分为换挡卡滞和退挡卡滞[13]。
2.4.1 换挡卡滞优化方案
换挡卡滞一般主要体现在图2中的2次冲击区域，评价指标为2次冲击力，在这个区域，主要有2个进挡卡滞点，如图3所示。
图2 动态换挡过程曲线
Fig.2 The whole process of dynamic shifting
第一进挡卡滞点是锥毂与齿套(如图4所示)的锁止面接触产生的冲击。减小锁止角1有利于降低2次冲击力。降低卡滞感。
第二进挡卡滞点是同步完成后，同步环与齿套倒锥的过渡导向角2接触产生的冲击,加大过渡导向角2,有利于同步环顺利通过，降低卡滞感。
图3 进挡卡滞点 1和进挡卡滞点2示意图
Fig.3 The delay point 1 and the delay point 2
图4 齿套示意图
Fig.4 Tooth sleeve
因此，针对换挡卡滞，调整锁止角1和过渡导向角2的尺寸，可以降低换挡卡滞感。见表2。
表2 双锥和三锥同步器的换挡卡滞角
Table 2 Shift lag Angle of double cone and triple cone synchronizers
锥毂锁止角1齿套锁止角1齿套倒锥的过渡导向角2双锥同步器10010560三锥同步器9510070
2.4.2 退挡卡滞优化方案
主要体现从2个方面考虑，一方面是倒锥角度的选择[14]。一般的倒锥角，主要有1∶9-1∶11、1∶14 -1∶16、1∶18-1∶23三种规格，分别是5°，4°，3°左右，倒锥角度太小，容易跳挡，倒锥角度太大，容易产生退挡卡滞感，本次三锥面同步器倒锥角度综合考虑退挡卡滞感和跳挡因素，最终选择1∶14 -1∶16。
另一方面是同步器结构的原因[15]。目前普遍采用的双锥同步器的齿座的齿的宽度较窄，只有12 mm，开始退挡时，齿顶的倒角与齿套倒锥的导向角，刚好接触，容易产生卡滞，见图5。在试验过程，有时退挡会有轻微的卡滞感。本次三锥同步器设计时，加大齿座的齿宽到18 mm，这样，退挡时，齿座齿顶的倒角正好位于齿套的中部，从设计上避免了退挡时，齿座的倒角与齿套倒锥的导向角的冲击，见图6。
图5 普通双锥同步器示意图
Fig.5 Ordinary bicone synchronizer
图6 三锥同步器示意图
Fig.6 Three-cone synchronizer
无论何种卡滞，偏摆量的减少可以改善齿座与滑套工作时的对中性，可以降低卡滞感，因此对齿座与齿套偏摆量的控制，是很重要的。经检测，新设计的三锥同步器的偏摆量远小于双锥同步器，见表3。
表3 双锥和三锥同步器的偏摆量
Table 3 Oscillations of bicone and tricone synchronizers
齿座与滑套齿座齿套偏摆量/mm双锥同步器1 312 304 1581 156 304 0075-6.5三锥同步器1 556 304 0061 556 304 0052.2—2.8
3 三锥面同步器的试验
换挡性能测试结果见表4。
表4 换挡性能测试结果
Table 4 Test results of shift performance
换挡挡位同步器类型最大换挡力/N同步时间/s换挡冲量/(N·s)性能提升/%1-2双锥7860.19911927.71-2三锥7250.1548627.72-1双锥1 1950.83591730.92-1三锥1 2430.58463430.9
从图7中可以看出，双锥同步器2挡换1挡和1挡换2挡，均有较明显的卡滞点，而三锥同步器无明显卡滞点。说明本次三锥同步器卡滞测试无明显卡滞感，优与双锥同步器。
图7 动态换挡性能测试曲线
Fig.7 Dynamic shift performance test curve
对三锥面同步器1、2挡进行换挡寿命试验，总共完成了109365次换挡试验，在试验结束后该同步器仍具有正常使用功能，使用寿命高于Q/QJC8—2011《汽车机械式变速器总成技术条件》标准。
从性能测试结果可以看出：碳纤维三锥同步器相比碳纤维双锥同步器性能有较大提升，最大提升达到30.8%。
从寿命试验结果可以看出：寿命试验次数达到109 365次，高于标准规定的1、2挡同步器寿命8万次指标要求，且试后同步器仍具正常使用功能。
综上所述，本次试验的1、2挡三锥同步器，其换挡性能提升明显，同步器寿命达到并超过Q/QJC8—2011《汽车机械式变速器总成技术条件》的指标要求。
4 结论
以某商用车变速器为研究对象，对1、2挡使用的双锥面及三锥面同步器进行了研究，对其参数进行了优化。解决了一般同步器换挡过程中的换挡卡滞和退挡卡滞，通过台架试验表明，采用优化后的三锥面同步器可以有效的降低商用车在换挡时的噪声和齿间冲击，该同步器具有较高的疲劳强度，使用寿命远高于国标对变速器同步器的要求，具有良好的性能。
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