本文結合國內現有的同步器應用情況，簡要分析了市場上的三錐同步器同步環主要技術路線的優缺點及常用錐面摩擦材料的使用情況，提出了三錐同步器設計應用的關注要點。
伴隨著發動機排放升級和發動機輸出扭矩也越來越高，同時為顯著提高汽車的性能，在卡車上除動力性、燃油經濟性外，對行駛操控的舒適性也的要求也越來越高，要求變速器的換擋更輕便、平順和精準。但是，由于發動機輸出扭矩的增加，離合器的容量要求同步增加，轉動慣量隨之增加，變速器的操縱性能有惡化的傾向。
目前國內的卡車變速器大多還在采用單錐或雙錐同步器，這種變速器由于同步器的同步容量小，換擋時間長、換擋力大，換擋舒適性較差。影響同步容量的直接原因主要是：同步環的有效錐面直徑和摩擦系數。一般情況下，摩擦系數受摩擦材料的限制，系數不易提高；同步環的有效錐面直徑受變速器徑向空間的限制，加大的空間也十分有限。為此，以大幅度提高同步器容量為目標，各變速器廠商紛紛開始采用三錐同步器。由于三錐同步器結構復雜，且軸向安裝長度要求越來越短，為了在使用條件相對苛刻的大中型卡車上得到應用，我們有必要對其結構進行分析研究。
為方便大家理解，我們來了解下同步器的工作原理。變速時在處于空擋的瞬間，變速器的輸入端和輸出端的轉速度不相同且都在變化，因輸出端與汽車整車相連，轉動慣量相當大，換擋作用時間短，在換擋的瞬間可以認為輸出端轉速度恒定。輸入端在接觸錐面摩擦力矩的作用下，克服輸入端零件的等效慣性力矩，使輸入端與輸出端的轉速達到同步。工作原理如圖1所示：
圖1同步器工作原理圖
根據動量矩原理可得其平衡方程：
PR錐μ/sinα-J入△W/t=0
式中：
p--作用在錐面上的軸向力；R錐--錐面的平均半徑；μ--錐面間的摩擦系數；t--同步時間；α--錐面角的1/2；J入--輸入端的等價轉動慣量；△W--輸入端與輸出端的角速度。
這個方程是同步器設計計算的基本方程。它說明同步器的結構參數一定、轉動慣量及角速度一定，且摩擦系數μ恒定時，換擋力P與同步時間t的關系：換擋力P小則同步時間長，同步時間t短則換擋力P要大。增加同步環摩擦半徑可縮短同步時間或換擋力。增加錐面數量可增加等效的同步環摩擦半徑。
三錐同步器的核心部件是同步環組件，下面簡單分析其目前市場上的主要技術路線：
一、同步環組件的結構
1）外環與內環耦合
結構特點：
外環與內環通過卡爪聯接，內環由外環帶著一同旋轉。
優點：
所有同步扭矩都傳遞到外環鎖止齒上，可以減小鎖止角設計，增大撥環力矩。同步器齒轂結構相對簡單，整體制造成本較低。
缺點：
卡爪厚度及中間環到卡爪間隙占用軸向尺寸，減少了摩擦副有效軸向寬度。
2）外環與內環非耦合
結構特點：
內環通過凸臺或凹槽與齒轂聯接，內環由齒轂帶著一同旋轉。步器齒轂結構相對復雜，大錐徑鋼質齒轂制造成本較高、難度較大。
優點：
可以最大程度利用軸向空間增加摩擦副軸向寬度或減小同步器總成的軸向安裝長度，減小摩擦副單位面積承載。
缺點：
只有外環摩擦錐的同步扭矩傳遞到外環鎖止齒上，鎖止角度同單錐環設計，撥環力矩沒有改善。
二、同步環材料
1）銅合金環
特點：
外環與內環為銅合金鍛造機加工環，摩擦副由機加工螺紋線或粘碳材料或噴鉬形成。
優點：
制造成本低。
缺點：
同步環基體強度差，外環鎖止面容易磨損，環體容易斷裂，不適合用在大扭矩卡車變速器的低擋區上。
2）沖壓鋼環粘碳或燒結青銅
特點：
外環、中間環、內環都是鋼板沖壓成形，表面碳氮共滲處理，錐面粘碳或燒結青銅做為摩擦材料。
優點：
大批量生產效率高成本低，重量輕轉動慣量小。
缺點：
模具及設備投入巨大，開發費用高，大批量生產才有成本優勢，應用于商用車強度不足。
3）精鍛鋼環噴鉬或粘碳
特點：
外環、中間環精鍛成形，表面碳氮共滲處理，錐面噴鉬或粘碳做為摩擦材料。
優點：
適合中小批量生產，重量輕轉動慣量小，同步環強度高、可靠性高。
缺點：
模具及設備投入較大，開發費用高，生產成本較高。
三、常用錐面摩擦材料分析
三錐同步環上應用的摩擦材料有粘碳、噴鉬、燒結青銅以及機加工成形的銅螺紋線錐面。
1.噴鉬及銅螺紋線的摩擦材料在乘用車三錐同步器上應用較多，存在動摩擦系數低，抗過載性能差的問題。目前乘用車三錐同步器基本開始使用粘碳材料做為摩擦材料，但對粘碳工藝要求較高，目前國內同步器廠家尚處于試制、試驗及小批量驗證中；
2.噴鉬--是德國ZF、瑞典Volvo等公司的主要應用的摩擦材料，目前在中重卡變速器單錐同步器上使用廣泛、可靠性高、性能穩定，但噴鉬材料存在動摩擦系數一般，產品制造成本較高等問題；
3.燒結青銅是德國hoerbiger公司的主要應用的摩擦材料，三錐同步環組為燒結青銅沖壓結構，燒結青銅摩擦材料存在動摩擦系數不足、油品兼容性差的問題；
4.碳摩擦材料因為動摩擦系數高且穩定、耐磨耗、油品適應性好、抗過載能力強的優點，目前在乘用車和商用車三錐同步器的開發上開始采用的新摩擦材料。
三錐同步器設計應用關注要點：
1.同步性能分析計算
同步容量計算中應充分考慮拖拽扭矩的影響；材料選擇及幾何尺寸設計不合理可能不能達到改善換檔性能的目標。
2.摩擦材料與錐角選擇
根據不同摩擦材料合理選擇摩擦副錐角，需充分了解所選擇摩擦材料的靜摩擦系數，防止摩擦副自鎖或粘連導致二次換檔力的增加。
3.潤滑與散熱
三錐同步器潤滑散熱條件更惡劣一些，同步環基體熱容量小，設計中考慮足夠的潤滑油通過能力。
4.拖拽扭矩
摩擦副數量增加導致變速箱拖拽扭矩的增加，設計中考慮足夠的同步環間隙以及合理的錐角設計。
基于高可靠性和性能穩定，目前我司高端商用車變速器低速擋采用精鍛鋼環噴鉬三錐同步器，且全部通過兩倍于國家標準的20萬次壽命試驗，GSA同步器性能測試良好，并獲得主機廠及客戶較好的評價。
來源：徐衛權等齒輪傳動
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