4.6. Расчет синхронизатора

Наибольшее распространение для коробок передач современных автомобилей получили инерционные конусные синхронизаторы.

Процесс работы синхронизатора состоит из трех этапов (выравнива­ние, блокировка и включение), в соответствии с чем синхронизатор имеет три обязательных элемента:

1. выравнивающий – фрикционный элемент, поглощающий энергию сил инерции вращающихся масс за счет трения (латунные конусные кольца);

2. блокирующий – устройство, препятст­вующее перемещению включающего элемента до полного выравнивания угловых скоростей (блокирующие кольца или пальцы);

3. включающий – элемент, жестко соединяющий зубчатое колесо с валом (зубчатая муфта или каретка).

Помимо этого, синхронизаторы имеют вспомогательные элементы – элементы упругой связи между деталями.

Выравнивание угловых скоростей можно проиллюстрировать динамической системой, принятой для анализа работы инерционного синхронизатора (рисунок), где – суммарный приведенный момент инерции деталей, связанных с включаемым зубчатым колесом при выключенном сцеплении;– суммарный приведенный момент инерции деталей, связанных с ведомым валом коробки передач.

Для выравнивания угловых скоростей соединяемых элементов необходимых на поверхностях конусов создать момент трения .

Управление динамики подсистемы с моментом инерции можно записать в виде:

. (4.32)

Считая = const в течении синхронизации и проинтегрировав выражение, получим:

, (4.33)

где – угловая скорость включаемого зубчатого колеса более высокой передачи;– угловая скорость ведомого вала до переключения (принято, что в процессе переключения= const);– время синхронизации.

Тогда

. (4.34)

Момент трения может быть выражен через нормальную силу на конусах выравнивающих элементов:

. (4.35)

где – коэффициент трения;– средний радиус конуса.

В свою очередь, нормальная сила может быть выражена через усилие S, создаваемое водителем:

, (4.36)

откуда

. (4.37)

Работу, затрачиваемую на выравнивание угловых скоростей (работу трения, затрачиваемую на поглощение кинетической энергии вращающихся деталей), определяют по формуле:

. (4.38)

Синхронизаторы принято оценивать по удельной работе буксования, которую рассчитывают по формуле:

, (4.39)

где – площадь конуса трения синхронизатора.

Допустимая удельная работа буксования – [] = 0,03 0,4 МДж/м².

Работа трения синхронизатора сопровождается выделением теплоты. За одно включение передачи температура синхронизатора повышается на величину:

, (4.40)

где – коэффициент перераспределения теплоты между деталями;– масса синхронизатора;– удельная теплоемкость материала.

Допустимый нагрев – [] = 15 ÷ 30° C.

Как уже было отмечено выше, блокировка осуществляется кольцами или пальцами, препятствующими включению передачи до полного выравнивания угловых скоростей шестерни и вала. На рисунке показаны схемы наиболее часто применяемых блокирующих устройств:

где – нормальное усилие в блокирующем элементе;– осевое усилие;– окружное усилие.

Осевое и окружное усилия в блокирующем элементе определяют по формулам:

; (4.41)

, (4.42)

где – радиус расположения блокирующих элементов.

Чтобы исключить преждевременное включение передач должно выполняться условие S < . Выразив усилие, создаваемое водителем, через параметры синхронизатора, получим:

. (4.43)

В некоторых конструкциях =, и тогда.

Включение передачи осуществляется после выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей. Действие окружной силы, прижимающей блокирующие детали, прекращается и происходит разблокировка. При этом блокирующая деталь под действием осевой силы поворачивается и возвращается в нейтральное (исходное) положение. Зубчатая муфта или каретка синхронизатора свободно передвигается и входит в зацепление с зубчатым венцом шестерни включаемой передачи.