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1、九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 I JIUJIANG UNIVERSITY 毕毕 业业 设设 计计 题 目 基于 UG 的同步器设计 英文题目 Design of Synchronizer based on UG 院 系 机械与材料工程学院 专 业 车辆工程 姓 名 年 级 2007 级（机 A0721） 指导教师 二零一一 年 六 月 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 II 摘 要 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换挡的缺点，现已不用。得到广泛应用的是 惯性式同步器。惯性式同步器是依靠摩擦
2、作用实现同步的，在其上面设有专设 机构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，从而避免了 齿间冲击。本文主要完成桑塔纳轿车机械变速器同步器的设计。文中，首先根 据同步器经验公式的计算，确定锁环式同步器零件主要参数，及各零件之间在 设计计算中的关系式；然后使用 MathCAD 软件校核同步器设计中的诸多参数， 确定锁环式同步器的基本几何参数和装配位置参数；最后采用 UG/Unigraphics 软件完成了同步器的三维建模及锁环的有限元分析。 【关键词关键词】锁环式同步器；UG/Unigraphics；有限元分析 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 III Abstr
3、act Synchronizers have atmospheric type, inertial type and inertia increase strength type. Atmospheric type synchronizer structure simple, but have not guarantee in synchronization condition of meshing pieces of faults, has no shift. Of widely used is inertial type synchronizer. Inertial type synchr
4、onizer depend on friction role in achieving synchronization with above them exclusively institutions guarantee of engagement with the spine tooth circle for engagement in inaccessible synchronism could not contact before between so as to avoid the tooth impact. It mainly designs Santana mechanical t
5、ransmission synchronizer in this paper. Firstly， the synchronizer ring main parameters are determined by the relevant calculation formula. Then, using MathCAD software check a number of design parameters and determine the lock ring synchronizer of the basic geometric parameters and position paramete
6、rs of the assembly. Finally，guided by the principles of the above parameters, with the combination of transmission lock ring synchronizer working principle and working process, it can make three-dimensional modeling by using UG/Unigraphics software ,which analysis module of the model. Finally make t
7、he result achieve the necessary requirements. 【Key words】 lock ring synchronizer；UG/Unigraphics；finite element analysis 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 1 目 录 摘摘 要要 II AbstractIII 目目 录录1 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 同步器发展现状简述1 1.2 本文内容及选题意义1 1.3 应用软件介绍2 1.4 同步器设计方案选择2 1.4.1 同步器工作原理2 1.4.2 同步器总方案的分析5 1.5 本章小结6 第二章第二章 同
8、步器设计同步器设计7 2.1 同步器具体参数选择7 2.1.1 同步器类型的选取7 2.1.2 接近尺寸和分度尺寸7 2.1.3 滑块宽度及内啮合套缺口宽度8 2.1.4 同步器装配间隙9 2.2 同步锁环主要尺寸确定10 2.2.1 锥面角10 2.2.2 锁止角的计算10 2.2.3 锥面摩擦系数 1和锁止面摩擦系数 211 2.2.4 锁环内锥面上的螺线13 2.3 同步器校核14 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 2 2.3.1 同步器同步时间校核14 2.3.2 弯曲强度校核15 2.4 小结18 第三章第三章 同步器组件三维建模及装配同步器组件三维建模及装配19
9、3.1 建模思路19 3.2 组件建模19 3.2.1 啮合座套内外花键建模19 3.2.2 接合套的模型中锁止角创建22 3.3 同步器装配25 3.4 本章小结27 第四章第四章 有限元分析有限元分析28 4.1 有限元分析方法简介28 4.2 锁环的有限元分析29 4.3 本章小结31 第五章第五章 总结与展望总结与展望32 5.1 总结32 5.2 展望32 参考文献参考文献33 致谢致谢34 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 1 第一章 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
10、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：
11、 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 本文课题来源于九江学院机材学院车辆工程专业。从桑塔纳2000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 点和具体同步器的设计要求，采用正向设计的设计思想，来完成同步器的设计。 在设计的过程中，充分利用UG/Unigraphics和MathCAD两个软件，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
12、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UG/Unigraphics软件的用法， 加深对三维造型设计的了解。 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 2 1.3 应用软件介绍 在设计过程中主要应用了UG/Unigraphics 和 MathCAD 两个软件。 UG/Unigraphics 用来做同步器的三维建模和有限元分析，MathCAD 用来做同步 器同步时间和锁环强度的校核。 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
13、、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、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
14、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 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。 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 九江学院机材学院车辆工程毕业设计
15、 A0721 王雄 3 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
16、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 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 4 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 (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
17、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
18、，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 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 5 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
19、)。 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 (图1.6所示)，则与上述相似。作用在齿轮花键齿 倒角面上的切向反力便使齿轮及与其相联系的输入端零件相对于锁环和接合套 反转一个角度使接合套与齿轮的花键齿圈进入接合状态而最后完成换入直 接挡(低挡换高挡)的过程。 如果高挡换低档时，上述过程也相似，只是接合套向相反方向(右)移动。 1.4.2 同步器总方案的分析 同步器位置布置从理论上看有两种可能性: 1） 接
20、合套在空转齿轮上，同步环布置在接合套和轴之间。 2） 接合套在轴上，同步环布置在接合套和齿轮之间。 但是第一种布置方式接合套只能用于一个档。而第二种方式一个接合套可 以用来挂二个档。空挡时，同步环可与接合套或空转齿轮一起转动，但必须保 证同步环有一定的相对运动，以使同步初期同步环可周向转动一定角度，锁止 副起作用。因此目前同步器都是采用这种布置形式。 同步器各功能元件位置布置总结如下: 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 6 同步元件应位于存在转速差的两元件之间，如同步环与接合套一起转动， 摩擦面位于同步环和空转齿轮之间;同步环与空转齿轮一起转动，摩擦面位于同 步环和接合套之间
21、。 锁止元件位于空档时一起转动的两元件之间，即同步环与接合套一起转动， 锁止元件位于同步环和接合套之间，同步前阻止接合套轴向移动穿过同步环进 入啮合。同步环与空转齿轮一起转动，锁止元件位于同步环和空转齿轮齿圈之 间，同步前阻止接合套和同步环一起轴向移动进入啮合。弹性元件布置应使得 接合套能够自动回位处于空档位置，接合套在无轴向外力作用下无法离开空档 位置，接合套运动初期(锁止元件起作用后，由锁止副传递轴向力)或整个同步 过程可传递轴向力。布置方案如图1.7所示。 图 1.7 同步器布置方案 1.5 本章小结 通过查阅相关资料，了解了同步器的类型、结构及作用。结合 UG/Unigraphics和
22、MathCAD两软件各自的特点和优势，并提出了同步器设计方案， 初步确定了本论文的主体内容。 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 7 第二章 同步器设计 2.1 同步器具体参数选择 2.1.1 同步器类型的选取 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
23、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。 2.1.2 接近尺寸和分度尺寸 惯性式同步器中有两个主要尺寸:接近尺寸b和分度尺寸a，如图2.1。分度 尺寸a就是当滑块的侧边与同步环缺口侧边接触时，啮合套齿与同步环接合齿中 心线间的距离。接近尺寸b是当滑块的侧边抵住同步环缺口侧边、啮合套相对滑 块刚开始轴向移动时，啮合套齿与同步环接合齿倒角之间的轴向距离。 接
24、近尺寸b应大于零，一般b=0.2 0.3m m。对于滑块式惯性同步器，分度 尺寸a等于接合齿的1/4周节，t=4.7. b和a是保证同步器处于正确锁止位置的主 要尺寸，必须予以控制。 1 4.71.17 4 a 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 8 图 2.1 分度尺寸 a 与接近尺寸 b 1啮合套齿 2.滑块 3.同步锁环 4.齿轮接合齿 本设计中同步器分度尺寸和接近尺寸分别为：a=1.17；b=0.25。 2.1.3 滑块宽度及内啮合套缺口宽度 锁环式同步器中的啮合套的缺口与同步锁环挡块之间转动距离的计算设计 中，缺口与同步环挡块之间转动距离直接影响分度尺寸。由于锁环式同
25、步器在 结构上与滑块式同步器的相似，所以在滑块宽度的设计中，可以采用滑块式变 速器的原理来设计锁环挡块的宽度以及啮合套的缺口宽度。 图2.2示出啮合套和同步环在锁止面接触最佳时的正投影，由此确定转动距 离c。未转动时，同步环的A点与啮合套的B点重合，最佳接触时的分度尺寸a等 于接合齿的1/4周节，即。由图2.2可知有下列近似关系式: t a 4 （2-1） f u uf Ra R ca c RR 式中Rf为接合齿分度圆半径;Ru为滑块轴向移动后的外半径。 当挡块宽度h确定后，H=E,就可以求出糟宽H: (2-2) 2 Ehc 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 9 图 2.2
26、滑块与同步器缺口之间的转动距离的确定 1.啮合套 2.同步锁环 3.滑块 4.滑块槽 同步器设计中取Ru=21.5mm Rf= mz/2=22.5mm； 本文计算得：c=1.12mm； 当取h=9mm，此时可得E=11.24mm。 2.1.4 同步器装配间隙 为了保证同步器换档无冲击，正常磨损后仍能有效地工作，必须对同步器 有关装配尺寸进行合适的选择。如图2.3所示。滑块端隙1不能过大，如 12，则造成换档时摩擦锥面尚未接触而啮合套已处于与同步环齿端锁止面 相贴的位置，即接近尺寸 Z0，此时同步环还是浮动的，因没有摩擦力矩，啮 合套可以很快通过同步环，而使同步器失去锁止作用。考虑到同步环正常磨
27、损 后，仍能继续使用，在同步环端面与齿轮接合齿端面之间应有一定的间隙2。 以锥面角=7和锥面半径方向0.2mm为例，则端面间至少留1.6mm的间隙，通 常取2=1.52 mm。本文取2 =1.7mm。 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 10 图 2.3 同步器装配尺寸确定 2.2 同步锁环主要尺寸确定 2.2.1 锥面角 （2-3） sin st t s Fr M 可知，的值取得越小，则同步力矩Ms就越大。在保持同步力矩Ms不变的 条件下，锥面动摩擦系数1越大，则就可取得越大些。 由避免抱死条件： （2-4） tan s 可知，的最小值要受到两个锥面之间的静摩擦系数 s值的大
28、小的限制。 综合以上条件，锥面角的值一般取在6 7之间。 本文中选7。 2.2.2 锁止角的计算 在锁环式同步器中，在齿端面上的锁止角一般取在5260度之间。从 下式 （2-5） 21 12 12 12 sin tan sin rr rr 可以看出，锁止角的大小是和许多选定了的几何尺寸有关，不过影响最 大的一个因素要算是锥面之间的动摩擦系数1了。角要取得大些，使所产生 的切向摩擦力矩足以阻止发生不同步啮合的不正常现象，直到同步时摩擦力矩 消失，实现同步啮合为止。锁止角过大，就是说齿端面太钝时，只能给齿的啮 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 11 合造成困难。 有时在汽车起步时
29、，发生齿环齿难以啮合的问题，这可能是锁环式同步器 所取的锁止角过大的缘故，这也是齿环式同步器的一个缺点。 下面分析一下锁止角、锥面摩擦系数1和锁止角摩擦系数2的关系。 （2-6） 1 12 1 122 1 12 12 12 2 r sin sin rr r2 tan rsin rr sin r 2 （） 当1和2取不同值时，取值如图2.4所示。 图 2.4 锁环锁止角与锁止面摩擦系数2关系 取锁止角为60。 2.2.3 锥面摩擦系数1和锁止面摩擦系数2 当同步环以及同步器摩擦副的材料选定后，锥面摩擦系数1和锁止面摩擦 系数2与表面光洁度有关，锥面摩擦系数1还与润滑油种类和温度等有关。 锁环式同
30、步器的锥面角和锁止角均分别取常用值7和60，摩擦锥面 平均半径和锁止齿面平均半径的比值在齿环式同步器中一般取0.75。由于拨正 力矩t为 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 12 （2-7） 2 2 2 12 2 (1tan) tan t F MF r r 根据公式（2-1）和（2-7） （2-8） s1 2 1 2 2 tan sin(1tan) Mr y Mr 所以，当假定2=0.07，绘制图2.5。 图 2.5 扭矩比与锥面摩擦系数关系 假如, 则锥面摩擦系数1与锁止面摩擦系数2存在看以下极限关 s 1 M M 系： （2-9） 22 1 2 sin(1tan) 1 ta
31、n r r 另外，由于值t必须大于零，所以 （2-10） 2 1 tan 因此， 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 13 由以上数据可得图2.6。 图 2.6 锥面摩擦系数和锁止面摩擦系数关系 锁环式1和2的取值在曲线2、1=0.12和2=0.578上。 故可取1=0.12 2=0.19 。 2.2.4 锁环内锥面上的螺线 同步锁环的内螺线有下面几项技术要求: 1 螺线型式 锥面摩擦系数大，则换档省力或缩短同步时间，摩擦系数小则反之，甚至 会失去同步作用。因此保持较大的锥面摩擦系数对同步器有利。为此在锥面上 制有破坏油膜的螺纹槽，型式主要有以下两种，其中图2.7a给出的尺寸适
32、合于 轻、中型汽车，图2.7b给出的尺寸适合于重型汽车。 图 2.7 同步环螺纹槽型 本设计中采用图2.7中a）型设计 九江学院机材学院车辆工程毕业设计 A0721 王雄 14 2 螺顶宽度 为了能把锥面之间已经存在的油膜很快地刮走，螺线顶的宽度要做得窄一 些。油膜刮走得越快，在同步环内锥面上摩擦力提高得也越快，对克服“不同 步啮合”越有利。常取螺顶宽度为0.25一0.4m m 。如螺顶太尖，则接触面上的 压强和磨损就越大.所以在接触面压强很高的小型同步器中，螺顶宽度小须能经 得起在使用初期磨损的考验。另一个重要方面是螺顶的表面粗糙度要高，不允 许留有切削刀痕。所以螺顶表面最后加一道研磨工序是比较好的。本文取 0.3mm。 3 螺距和螺纹角 螺距要大得使螺纹之间的间隙足以容纳挤出来的油量。当然螺距也不能过 大，否则接触面要变小，磨损会变大。所以螺距一般取0.6-0.75 mm,本文取 0.7mm。螺纹角一般取。 0 60 2.