同步器说明书
同步器说明书
同步器分为常压式，惯性式和惯性增力式。但是在现在的汽车领
域中，得到广泛使用的是惯性式同步器。
惯性式同步器有锁销式，滑块式，锁环式，多片式和多维式几种。
今天我们设计的是以款锁环式同步器。
一，同步器工作原理：
同步器换挡过程由三个阶段组成。
第一阶段：同步器离开中间位置，做轴向移动并靠在摩擦面上。
摩擦面相互接触瞬间，由于齿轮的角速度和滑动齿套的角速度不同，
在摩擦力矩作用下锁销相对滑动齿套转动一个不大的角度，并占据锁
止位置。此时锁止面接触，阻止了滑动齿套向换挡方向移动。
第二阶段：来自手柄传至换挡拨叉并作用在滑动齿套上的力F，
经过锁止元件又作用在摩擦面上。由于齿轮的角速度和滑动齿套的角
速度不相同，在上述表面产生摩擦力。滑动齿套和齿轮分别与整车和
变速器输入转动零件相连接。于是，在摩擦力矩作用下，滑动齿套和
齿轮的转速逐渐接近，其角速度差减小了。在角速度差等于零的瞬间
同步过程结束。
第三阶段：角速度差等于零，摩擦力矩消失，而轴向力F仍作用
在锁止元件上，使之解除锁止状态，此时滑动锁套和锁销上的斜面相
对移动，从而使滑动齿套占据了换挡位置。
二，主要参数的确定
1． 摩擦系数f
汽车在行驶过程中换挡，特别是在高档区换挡次数较多，意味着
同步器工作频繁。同步器是在同步环与连接齿轮之间存在角速度差的
条件下工作，要求同步环有足够的使用寿命，应当选用耐磨性能良好
的材料。为了获得较大的摩擦力矩，又要求用摩擦因素大而且性能稳
定的材料制作同步环。另一方面，同步器在油中工作，使摩擦因数减
小，这就为设计工作带来困难。
摩擦因数除与选用的材料有关以外，还与工作面得表面粗糙度，
润滑油种类和温度等因素有关。作为与同步环锥面接触的齿轮部分与
齿轮做成一体，用低碳合金钢制成。对锥面的表面粗糙度要求比较高，
用来保证在使用过程中摩擦因数变化小。若锥面的表面粗糙度差，在
使用过程初期容易损害同步环锥面。
同步环常选用能保证具有足够高的强度和硬度,耐磨性能良好的
黄铜合金制造，如锰黄铜，铝黄铜和锡黄铜等。早期用青铜合金制造
的同步环因使用寿命短，已经遭淘汰。
由黄铜合金与钢材料构成的摩擦副，在油中工作的摩擦因数f取
为0.1.
摩擦因数f对换挡齿轮和轴的角速度能迅速达到相同有重要作
用。摩擦因数大，换挡省力或缩短同步时间；摩擦因数小则反之，甚
至失去同步作用。为此，在同步环锥面处制有破坏油膜的细牙螺纹槽
及与螺纹槽垂直的泄油槽，用来保证摩擦面之间有足够的摩擦因数。
2.同步环主要尺寸的确定
（1）同步环锥面上的螺纹槽
如果螺纹槽螺线的顶部设计的窄些，则刮去存在于摩擦锥面之间
的油膜效果好。但顶部宽度过窄会影响接触面压强，使摩擦加快。试
验还证明：螺纹的齿顶宽对f的影响很大，f随齿顶的磨损而降低，
换挡费力，故齿顶宽不易过大。螺纹槽设计得大些，可使被刮下来的
油存在于螺纹之间的间隙中，但螺距增大又会使接触面减少，增加磨
损速度。通常轴向泄油槽为6~12个，槽宽3~4nm。
（2）锥面半锥角α
摩擦锥面半锥角α越小，摩擦力矩越大。但α过小则摩擦锥面
将产生自锁现象，避免自锁的条件是tanα≥f。一般取α=6°~8°。
Α=6°时，摩擦力矩较大，但在锥面的表面粗糙度控制不严时，则有
粘着和咬住的倾向；在α=7°时很少出现咬住现象。
(3)摩擦锥面平均半径R
R设计得越大，则摩擦力矩越大。R往往受结构限制，包括变速
器中心距及相关零件的尺寸和布置的限制，以及R取大以后还会影响
到同步环径向厚度尺寸要取小的约束，故不能取大。原则上是在可能
的条件下，尽可能将R取大些。
(4)锥面工作长度b
缩短锥面工作长度b，便使变速器的轴向长度缩短，但同时也减
小了锥面的工作面积，增加了单位压力并使磨损加速。设计时可根据
下式计算确定b b=Mm/2πpfR²
（5）同步环径向厚度与摩擦锥面平均半径一样，同步环的径向
厚度要受机构布置上的限制，包括变速器中心距及相关零件，特别是
事锥面平均半径和布置上的限制，不宜取很厚，但是同步环的径向厚
度必须保证同步环有足够的强度。
轿车同步环厚度比货车小些，应选用锻件或精密锻造工艺加工制
成，可提高材料的屈服强度和疲劳寿命。货车同步环可用压铸加工。
锻造时选用锰黄铜等材料。有的变速器用高强度，高耐磨性的钢配合
的摩擦副，即在钢质或球墨铸铁同步环的锥面上喷镀一层钼（厚度约
0.3~0.5mm）,使其摩擦因数在钢与铜合金摩擦副范围内，而耐磨性和
强度有显著提高。也有的同步环是在铜环基体的锥空表面喷上厚
0.07~0.12mm的钼制成。喷钼环的寿命是铜环的2~3倍。以钢质为基
体的同步环不仅可以节约铜，还可以提高同步环的强度。
3.锁止角β
锁止角β选取的正确，可以保证只有在换挡的两个部分之间角
速度差达到零值才能进行换挡。影响锁止角β选取的因素主要有摩
擦因数f、摩擦锥面的平均半径R、锁止面平均半径和锥面半锥角α。
已有结构的锁止角在26°~46°范围内变化。
4.同步时间t
同步器工作时，要连接的两个部分达到同步的时间越短越好。除
去同步器的结构尺寸，转动惯量对同步时间有影响以外，变速器输入
轴，输出轴的角速度差及作用在同步器摩擦锥面上的轴向力，均对同
步时间有影响。轴向力大，同步时间减少。而轴向力与作用在变速杆
手柄上的力有关，不同车型要求作用到手柄上的力也不相同。为此，
同步时间与车型有关，计算时可在下属范围内选取：对轿车变速器高
档取0.15~0.30s，低档取0~0.80s；对货车变速器高档取0.30~0.80s，
低档取1.00~1.50s。
5.转动惯量的计算
换挡过程中依靠同步器改变转速的零件统称为输入端零件，它包
括第一轴及离合器的从动盘，中间轴及其上的齿轮，与中间轴上齿轮
相啮合的第二轴上的常啮合齿轮。其转动惯量的计算：首先求得各零
件的转动惯量，然后按不同档位转换到被同步的零件上。对已有的零
件，其转动惯量通常用扭摆法测出；若零件未制成，可将这些零件分
解为标准的几何体，并按照数学公式合成求出转动惯量。
三．同步器的计算
同步器的计算目的是确定摩擦锥面和锁止角的角度，这些角度是
用来保证在满足连接键角速度完全相等以前不能进行换挡时所应满
足的条件，以及计算摩擦力矩和同步时间。换挡第一阶段，处于空挡
瞬间，考虑到润滑油阻力在常温下对齿轮转速的降低作用可忽略不
计，并假设汽车在阻力不大的道路上行驶，同时时间不大于一秒则认
为在该瞬间汽车速度保持不变，即变速器输出端转换于换挡瞬间不
变，而输入端靠摩擦作用达到与输出端同步。如上所述，换挡时为保
证没有冲击的将齿轮和轴连接起来，必须使他们的转动角速度相等。
摩擦力矩Mm计算如下

11()1()11()barmreerkkrekkJMJttJtiiJtii
式中，rJ为离合器从动盘、第一轴与第二轴常啮合齿轮连接在
一起转动的齿轮的转动惯量；e为发动机的角速度；a为在第K
档工作的变速器输出轴角速度；b为第K+1档的输出轴上齿轮的角
速度；

k
i
、1ki为变速器第K和K+1档的传动比。

另一方面，设换挡时作用在变速杆手柄上的法向力为sF，（对轿
车和大客车，取sF=60N；对货车，取sF=100N，变速杆手柄到啮合

套的传动比为gsi，则作用在同步器摩擦锥面上的轴向力F应为
sgsFFi
式中，为换挡机构传动效率。
由此可算得工作表面上的摩擦力矩mM为

sinmFfRM
式中，为摩擦锥面半锥角；f为工作锥面的摩擦因数；R
为摩擦锥面平均半径。
同步时的摩擦力矩方程式为

111()sinrekkJFfRtii
1sin11()rekkJtFfRii
同步器应满足的锁止条件。
为防止连接件在转动角速度相等以前接合换挡，必须满足下述条
件 12FF
式中，1F为由摩擦力矩mM产生的，用来防止过早换挡的力
1sinmMFfRFrr
2F为因锁止面倾斜而产生的力
2tanFF
式中，r为锁止面平均半径；为锁止面锁止角。
将1sinmMFfRFrr和2tanFF代入到12FF中，
得到 tansinFfRFr
因此，欲保证锁止和滑动齿套不能继续移动，必须满足如下条
件
fR
tan<

rsin




参考文献：（1）汽车构造（第2版）陈家瑞 机械工业出版社
（2）机械设计综合课程设计 王大康 机械工业出版社
（3）机械设计(第八版) 纪名钢 泭良贵 高等教育出
版社
（4） 画法几何及机械制图 陕西科学技术出版社