锁环式惯性同步器结构与工作过程 - 全文

　　什么是锁环式同步器

　　同步器有多种结构形式，目前汽车上广泛采用摩擦惯性式同步器。它是依靠摩擦作用实现同步的。结构上除有接合套、花键毂、对应齿轮上的接合齿圈外，还增设了使接合套与对应齿圈的圆周速度迅速达到同步的机构，以及阻止两者在达到同步之前接合以防止冲击的机构。锁环式同步器是其中一种，其结构紧凑，但径向尺寸小、锥面间摩擦力矩较小，多用于传递转矩不大的轿车和轻型货车的变速器。

　　基本结构

　　图1所示是锁环式惯性同步器的结构分解图，图1b 所示是其装配图。其主要由花键毂4、接合套5、锁环（同步环）1 和6、滑块2 以及弹簧圈3 等元件组成。

　　花键毂 4的内孔和外圆柱面上都加工有花键，其内花键与第二轴12连接，并用垫圈和卡环作轴向定位，外花键与接合套的内花键作滑动连接。接合套5 的外圆柱面加工有与换挡拨叉配合的环槽，拨动换挡拨叉可使接合套沿花键毂做轴向移动。

　　花键毂4的两侧与齿轮8和11之间各有一个锁环1和6。锁环有内锥面，齿圈9、10的端部有相同的外锥面，两者之间通过锥面相接触，组成锥面摩擦副。通过这对摩擦副的摩擦，可使转速不等的两个齿轮在接合之前迅速达到同步。为了增强锥面之间的摩擦作用，一般在锁环的内锥面上制造出细密的螺纹槽，以使两锥面接触后破坏油膜，提高摩擦系数。

　　锁环的外圆柱面上有短花键齿圈，花键齿的断面形状和尺寸与齿轮8、11上的接合齿圈9、10的外花键齿均相同。两个齿圈和锁环上的花键齿，在对着接合套5的一端都制有倒角，并且与接合套5内花键齿齿端的倒角相同，称为锁止角。两个锁环的端部沿圆周方向均布有三个缺口c。

　　三个滑块2 分别装在花键毂4 的三个轴向槽b 中，滑块可沿槽b 做轴向移动。滑块的中部有凸起a，在两个弹簧圈3 的作用下，将滑块压在接合套的内表面上，使滑块中部凸起a 正好嵌在接合套中部的内环槽中，保证接合套在空挡时处于正中位置。滑块的两端伸入锁环的缺口c 中，滑块的宽度小于缺口c，只有当滑块位于缺口c的中央时，接合套才能与锁环接合。

　　锁环式惯性同步器结构与工作过程

　　锁环式惯性同步器是依靠摩擦作用实现同步。它可以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，以避免齿间冲击和发生噪声。

　　轿车和轻、中型货车的变速器广泛采用锁环式惯性同步器，其结构和工作原理可以解放CAl091型汽车六档变速器中的五、六档同步器（图14—13a）为例说明。将花键毂15套装到第二轴上后，即用卡环18轴向固定。在花键毂两端与齿圈3和9之间，各有一个青铜制成的同步锁环（也称同步环）4和8。锁环上有断续的短花键齿圈（图14—13b），花键齿的断面轮廓尺寸与齿圈3、9及花键毂15上的外花键齿均相同。

　　两个同步锁环上的花键齿，在对着接合套的一端，都有倒角（称锁止角），且与接合套齿端的倒角相同。同步锁环具有与齿圈3和9上的锥形摩擦面锥度相同的内锥面，锥面上制出细牙的螺旋槽，以便两锥面接触后，破坏油膜，增加锥面间的摩擦。三个滑块5分别嵌合在花键毂的三个轴向槽b内，并可沿槽轴向滑动。三个定位销6分别插入三个滑块的通孔中。在弹簧16的作用下，定位销压向接合套，使定位销端部的球面正好嵌在接合套中部的凹槽a中，起到空档定位作用。

　　滑块5的两端伸入锁环4和8的三个缺口c中。锁环的三个凸起部d分别伸入到花键毂的三个通槽e中，只有当凸起部d位于缺口e的中央时，接合套与锁环的齿方可能接合。

　　以变速器由五档换入六档（直接档）为例，锁环式惯性同步器的工作过程如图14—14所示。当接合套7刚从五档退到空档时（图14—14a），齿圈3和接合套7（连同锁环4）都在其本身及其所联系的一系列运动件的惯性作用下，继续沿原方向（如图中箭头所示）旋转。设它们的转速分别为n3、n7和n4，此时，n4＝n7，n3＞n7，即n3＞n4。锁环4在轴向是自由的，故其内锥面与齿圈3的外锥面并不接触。

　　若要挂入六档，可用拨叉拨动接合套7，并通过定位销6带动滑块5一起向左移动。当滑块左端面与锁环4的缺口c（图14—13）的端面接触时，便推动锁环移向齿圈3，使具有转速差（n3＞n4）的两锥面一经接触便产生摩擦作用（图14—14b）。齿圈3即通过摩擦作用带动锁环相对于接合套超前转过一个角度，直到锁环的凸起部d与花键毂15通槽e的另一侧面接触时，锁环便与接合套同步转动。此时，接合套的齿与锁环的齿，较锁环的凸起部d位于花键毂的通槽e中央时错开了约半个齿厚（花键毂通槽宽度为锁环凸起部d的宽度加上接合套的一个齿厚A），从而使接合套的齿端倒角与锁环相应的齿端倒角正好互相抵触而不能进入啮合。

　　显然，此时若要接合套的齿圈与锁环的齿圈接合上，必须使锁环相对于接合套后退—个角度。由于驾驶员始终对于接合套施加一个轴向力，使接合套齿端倒角压紧锁环齿端倒角，于是在锁环的锁止角斜面上作用有法向压力N。力N可分解为轴向力F1和切向力F2。切向力F2所形成的力矩力图使锁环相对于接合套向后退转，称为拨环力矩。轴向力F1则使锁环4与齿圈3二者的锥面产生摩擦力矩，使二者转速n3与n4迅速接近，并且实际上可认为n4不变，只是n3趋近于n4。这是因为锁环4连同接合套7通过花键毂15与整个汽车相联系，转动惯量大，转速下降很慢。而齿圈3仅与离合器从动部分相联系，转动惯量很小，速度降低较前者快得多。因为齿圈3是减速旋转，根据惯性原理，即产生惯性力矩，其方向与旋转方向相同。此惯性力矩通过摩擦锥面作用到锁环上，阻止锁环相对接合套向后退转。亦即在锁环上作用着两个方向相反的力矩：其一为切向力F2形成的力图使锁环相对于接合套向后退转的拨环力矩M2；另一为摩擦锥面上阻止锁环向后退转的惯性力矩M1。

　　在n3尚未等于n4之前，两个锥面间摩擦力矩的数值与齿圈3惯性力矩相等。

　　如果M2＞M1，则锁环4即可相对于接合套向后退转一个角度，以便二者进入接合；若M2＜M1，则二者不可能进入接合。摩擦力矩M1与轴向力F1的垂直于摩擦锥面的分力成正比，而M2则与切向力F2成正比。F1和F2都是法向力N的分力，二者的比值取决于花键齿锁止角的大小。故在设计同步器时，适当地选择锁止角和摩擦锥面的锥角，便能保证在达到同步（n3＝n4）之前，齿圈3施加在锁环4上的惯性力矩M1总是大于切向力F2形成的拨环力矩M2，因而，不论驾驶员通过操纵机构加在接合套上的轴向推力有多大，接合套齿端与锁环齿端总是互相抵触而不能接合。

　　这说明锁环4对接合套的锁止作用是齿圈3的惯性力矩造成的，而不像常压式同步器那样由定位销的弹力造成的，此即“惯性式”名称的由来。

　　只要驾驶员继续加力于接合套上，摩擦作用就迅速使齿圈3转速降到与锁环4转速相同，而后二者保持同步旋转，即齿圈3相对于锁环的转速和角减速度均为零，于是其惯性力矩便消失。但由于轴向力F1的作用，两个摩擦锥面还是紧密接合着的。因而此时切向力F2形成的拨环力矩M2便使锁环连同齿圈3及与之相连的所有零件一起相对于接合套向后退转一个角度，使锁环凸起部d又移到花键毂毅15的通槽中央，两个花键齿圈不再抵触，此时接合套压下定位销6继续左移，而与锁环的花键齿圈进入接合（图14—14c），锁环的锁止作用即行消失。

　　接合套与锁环接合后，轴向力F1不再存在，锥面间的摩擦力矩也就消失。如果此时接合套花键齿与齿圈3的花键齿发生抵触，如图14—14c所示，则与上述相似，作用在齿圈3花键齿端斜面上的切向分力，使齿圈3及其相连零件相对于锁环及接合套转过一个角度，使接合套与齿圈3进入接合（图14—14d），而最后完成了换入六档（由低速档换入高速档）的全过程。

　　如果是由六档（直接档）换入五档（由高速档换入低速档），上述过程也适用。但应注意，此时齿圈9和齿轮10（图14—13a）被加速到与锁环8（亦即与接合套7）同步，从而使接合套先后与锁环及齿圈9进入啮合而完成换档过程。