锁环式同步器的同步工作是依靠摩擦作用实现的，同步环的内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触产生摩擦，锥面摩擦使得待啮合的齿套与同步环迅速同步。当同步环内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触后，在摩擦力矩的作用下齿轮转速迅速降低(或升高)到与同步环转速相等，两者同步旋转，齿轮相对于同步环的转速为零，因而惯性力矩也同时消失，这时在作用力的推动下，接合套不受阻碍地与同步环齿圈接合，并进一步与待接合齿轮的齿圈接合而完成换档过程。在这一过程中，齿圈外锥面与同步环的内锥面的摩擦对同步的实现起着至关重要的作用，并且摩擦过程也会对对同步环造成一定的的磨损。因此对这一过程中的热力学性能、静力结构变形等通过有限元软件进行耦合分析有着十分重要的意义。　　

       1引言

　　对于采用了同步器换挡的变速箱来说，换挡顺畅与否，很大程度需要取决于同步器优劣。同步器其实说白了就是在结合套和齿轮组上布置的摩擦片，与一般摩擦片不同的是，它的摩擦面是锥形的。这组摩擦片的作用是在直齿和圆盘的立齿相接触以前，提前进行摩擦，来将转速较大的一方的能量传递给转速较小的一方，使得转速较小的一方提升转速，达到与转速较大的一方转速同步。这样不仅可以保证正常换挡，还能起到缓冲的作用，而锥面摩擦片组的数目与材质则直接影响到了同步器性能的优劣。这对摩擦副相互摩擦产生的摩擦力矩是实现同步换挡的关键。

　　同步环的内锥面上通常制有螺线，主要是为了将已经存在的油膜快速刮走，增加金属锥面之间的摩擦力，油膜刮走得越快，摩擦力提高的也越快，对于克服不同步啮合越有利。从这里可以看出同步器的同步效率主要取决于两锥体表面的摩擦力矩以及影响摩擦力矩的润滑油膜这两个关键因素。但这两个关键因素之间也是有相互影响作用的，尤其是在同步过程中随着摩擦力矩的作用，两锥体及周围温度会迅速升高，此时温度对于润滑油膜的影响就非常大，了解锥体在同步过程中的温度场情况，对于选取具有合适的稳定性参数的变速箱油来说具有重要意义。但在实际测试过程中，对于装配起来的变速箱总成来说，测量其中组件同步器的温升是一件相当麻烦的事，因此本文就通过有限元数值模拟仿真的方法对同步器中最关键的锥体间相互摩擦过程进行热-结构耦合分析，求出在这一过程中的温度场分布。

　　2有限元理论基础

　　在有限元分析中涉及两个或多个物理场相互作用的问题称为耦合场分析，例如热-结构耦合分析。ANSYS中对于多场耦合的分析主要有直接耦合法和间接耦合法两种。

　　2.1直接耦合法

　　直接耦合法的耦合单元包含与相应的耦合场相关的所有必须的自由度，采用耦合单元仅仅通过一次求解就能得出耦合场的分析结果。这种方法实际上是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。

　　2.2间接耦合法

　　间接耦合法又称序贯耦合法，主要通过将第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合。例如热-结构耦合分析是将热分析得到的节点温度作为载荷施加在后续的结构分析中来实现耦合的。

　　综上，由于在摩擦生热问题中摩擦力将直接产生摩擦表面的热流，同时对于零件上的热应变也将直接产生影响，因此必须采用直接耦合法进行分析。

　　2.3摩擦生热的有限元理论基础

　　对于摩擦生热分析，通常有 ΔKE（系统动能）=ΔPE（系统势能）=0，由此可得q=dU/dT，即流入或流出的热流速率q等于系统内能的变化。将其用于微元体，可以得到热传导的控制微分方程如下：

　　式中：V_X、V_Y、V_Z---介质传导速率。

　　通过对计算区域的有限单元离散化，可以得到相应的多项式：

　　其中未知数T为单元节点温度;---单元形函数;---单元节点温度矢向量。

　　由单元节点温度可以得出每个单元的温度梯度和热流密度：

　　式中：---热梯度矢量;

　　 ---温度梯度;

        ---热流密度;

            N---单元量。

　　热流量可由公式(6)求得：

　　式中：(D)---材料的热传导属性矩阵。

　　将上述温度变化代入与微分方程等效的积分方程，可以得到矩阵形式的集成总方程：

 

　　其中式(7)就是有限元热分析的计算求解方程。

　　3几何模型的建立

　　在手动变速箱中，为实现迅速、轻便换挡，提高发动机的动力性能和燃料的经济性能，在各档位中多采用同步器来实现换挡操作。

　　根据同步器的结构可将同步器划分为常压式同步器、惯性式同步器、惯性增力式同步器;其中惯性式同步器又可分为齿环式惯性同步器、锁销式惯性同步器;而齿环式惯性同步器又可分为单锥和多锥(双锥或三锥)两大种类型。常压式同步器属于同步器的早期形式，结构简单，无法保证同步换挡，且换挡时啮合冲击较大，因此常压式同步器现已被淘汰;惯性增力式同步器对于材料、热处理及加工精度均要求较高，因此使用也不广泛;惯性式同步器利用制作在啮合齿端面上的倒角斜面，在没有到达同步之前，对啮合件施加惯性锁止作用，以防止不同步啮合，同步性能良好，应用范围广泛。因此，本文分析的即为单锥齿环式同步器的同步环与齿圈之间同步过程中的摩擦生热。如图1、图2所示分别为单锥和双锥同步器总成的三维装配图和剖面视图。

　　图1 单锥同步器总成及剖面图

　　图2 双锥同步器总成及剖面图

　　由于有限元软件自身三维建模功能不太强大，因此在ANSYS中建模时必须要对模型进行简化，比如同步环内锥面上的螺纹槽就需要进行简化，否则不但造型困难而且在后续分析中出错的可能性也非常大。另外，对于一些不必要的结构，例如倒角、圆角也需要进行删除。如图3所示为同步环和齿圈的装配图以及在ANSYSA中简化之后的有限元分析模型。在图中的有限元分析模型中，浅蓝色部分为同步环的钢基体部分，紫色部分为喷钼镀层部分其厚度为0.3-0.5mm，蓝色部分为齿圈部分。材质的各种参数如表1所示。

　　同步环与齿圈在结合的一瞬间二者具有最大的转速差，由于摩擦阻力的作用，同步时间在很短的时间内便可完成。由此可知，同步环与齿圈之间摩擦产生的最大温升就是产生在结合的初期，因此，我们分析的重点也是在这一段时间内，而这一时间段却是非常短暂的，据此我们只需选择模型的一部分来分析即可，这样不但可以减小有限元模型，而且也降低了对分析用电脑内存的要求。提高分析效率。

　　表1 材料性能参数

　　图3 有限元分析模型

　　4模型的网格划分

　　进行网格划分首先要进行单元属性的定义，单元属性不仅影响网格的划分，而且对求解的精度也有很大影响。在有限元分析中，不同的问题需要不同特性的单元，并且ANSYS软件对于单元库中提供的100多种单元类型都进行了唯一的编号，并按类型进行了分类。

　　对于本论文中的耦合场分析，需要选择Coupled Field类型中的Scalar Brick5,三维八节点六面体耦合场分析单元。网格划分的具体方法是采用扫略法网格划分，此方法适合于三维实体在某个方向上的拓扑形式始终保持一致，这种方法对于六面体网格来说也是合适的，本文中首先对于三部分几何体的边线进行等分式的划分，然后由边线的划分扫略出三维实体的网格。这种方法对于复杂的几何体只需经过一些简单的切分处理，就可划分出规整的六面体网格，具有很大的灵活性和可操作性。经过扫略网格划分后，模型共划分为1378个单元。如图4所示为模型的网格划分结果。

　　图4 模型网格划分结果

　　5载荷及边界条件的施加

　　同步器工作的工况条件为：初始温度70℃，角速度差640rpm，轴向载荷620N，同步时间≦0.3s。根据上述条件对模型施加边界条件，由于轴向推力的作用，在图5中的红色部分分别为在齿圈锥体的法向表面和周向表面施加大小为5.84×10⁵Pa和1.873×10⁵Pa的面载荷;在齿圈锥体的外圈表面和同步环的内圈

　　图5 接触条件与载荷

　　表面之间施加摩擦接触，摩擦系数为0.1;齿圈锥体的法兰边下表面与同步环的上表面之间添加标准接触;在镀钼层的外圈表面与钢圈内表面之间施加绑定约束，使二者成为一体;对齿圈锥体施加一个旋转载荷，其方向沿圆周方向，其大小可通过角速度差计算出来;在钢圈外表面施加固定约束，从而将钢圈和镀钼层在x、y、z三个方向的移动和转动限制住。最后，计算时间为0.0003s。根据计算时间的长短和整体网格划分的密度，设定计算总的载荷子步为100。

　　6 结果与分析

　　通过ANSYS的热-结构耦合分析，求得了齿圈与锥体之间在摩擦接触的一瞬间两物体上温度场、应力场、的分布情况如图6、图7、图8、图9所示。

　　从图6中可看到，由于分析时间较短因此温度场云图中变化并不明显，温升主要集中在摩擦起始点的位置，温度从变速箱正常工作时的70℃急速上升到100℃左右，在短短的内温度上升了30℃，由此可知在同步环与齿圈锥体二者在同步的过程中温升主要发生在结合的初期。从图7应力场分布云图中可以看出应力比较集中的区域往往也是温升较快的区域，并且由于轴向力的作用主要施加在齿圈锥体上，因此齿圈锥体上的应力集中情况要比同步环上严重，但综合温升及应力的双重作用，发生磨损和撕裂的可能性主要存在于同步环的端面区域，这有可能是由于此区域没有镀层的缘故，这一点主要在图8中体现出来。由图9可以看出温度场中主要的温升区域位于镀钼层上，最高温升区域也位于镀钼层上，这从另一个侧面也说明了镀钼层的热传导系数较高，吸收和散热功能均较强，这也是同步器中选择在锥体表面镀钼的主要原因。

　　图10、图11分别为温度、应力随时间的变化曲线，从这两幅图中可以从侧面证明温度和应力随时间的变化是呈线性的，并且线性关系的比例系数还是相当大的，说明了温度和应力随时间的变化是相当剧烈和迅速的。

　　7结语

　　通过热-结构耦合的有限元数值模拟分析技术，从理论分析方面验证了同步器在同步过程中温升主要发生在同步过程的初期阶段;同步环表面的镀钼层在吸收、散发热量方面的功能是比较明显的，相对于早期的钢环与铜环直接摩擦的同步器设计方案来说有着一定的进步。另外，通过此分析可以了解同步过程中的温升情况，对于同步器乃至变速箱中润滑油品各参数的选择、添加润滑油品后同步器的摩擦锥体间摩擦系数的选择也有着重要意义。