摘要：針對同步器換擋過程中的失效問題，將同步器換擋過程根據(jù)同步器設計的關鍵尺寸按階段分解，明確各階段中重要影響參數(shù)，總結變速箱設計開發(fā)過程中的失效案例，從而解決各種在換擋過程中的失效問題，改進同步器的設計，提升變速箱換擋品質。

關鍵詞：同步器;換擋過程;變速箱

中圖分類號：U463.2文獻標識碼：A文章編號：1005-2550（2020）02-0021-05

李亞娟

畢業(yè)于同濟大學車輛工程專業(yè)，碩士研究生學歷，現(xiàn)就職于上海汽車集團股份有限公司，主要研究方向為齒軸及同步器設計，已發(fā)表《手動變速箱靜態(tài)換擋分析及優(yōu)化研究》、《手動變速箱倒擋卡滯優(yōu)化研究》。

前言

同步器是手動變速箱和雙離合自動變速箱實現(xiàn)換擋的重要零部件之一，由于離合器輸入端和變速箱輸出端具有轉速差，同步器通過同步環(huán)和齒輪錐面產(chǎn)生的摩擦力矩，保證換擋時齒輪和同步器齒套的轉速一致，減少換擋時由于輸入輸出端轉速差導致的沖擊，從而消除換擋時的噪聲，提高換擋舒適性，同步器結構見圖1。

換擋時，駕駛員或者TCU根據(jù)駕駛員意圖發(fā)出換擋指令，以DCT變速箱為例，DCT變速箱的液壓機構驅動撥叉帶動同步器齒套向檔位齒方向移動，齒套推動滑塊，滑塊彈簧產(chǎn)生的軸向力可以消除同步環(huán)摩擦面和齒輪錐面間的油膜，開始建立錐面間的摩擦系數(shù)，完成同步器預同步;同步環(huán)在產(chǎn)生摩擦力矩時，通過梅角對齒套的軸向移動進行鎖止;當同步完成，摩擦力矩消失，齒套可進一步往前移動，克服軸系的阻力矩，完成齒輪結合齒花鍵的嚙合，從而完成換擋實現(xiàn)扭矩的傳動。

目前，手動變速箱、DCT變速箱出現(xiàn)過進擋打齒、卡滯、二次沖擊、脫檔等失效故障，為解決這些問題，需要更清楚的了解同步器同步的過程，將同步器換擋過程按設計原理進行分解，了解故障發(fā)生的位置，從而找到改善的方向。

1同步器換擋過程

同步器從空擋到進擋過程可以分為以下六個階段：空擋、分度、同步、齒套穿過同步環(huán)、齒套撥動結合齒、進擋，過程示意見圖2。

空擋時，撥叉在同步器齒套撥叉槽中間，滑塊鋼球在齒套球槽內，此時滑塊和同步環(huán)軸向間隙約為0.5-1.2mm，為空擋間隙。同步環(huán)摩擦面與齒輪錐面間存在油膜，摩擦扭矩未建立，見圖2（a）。

當變速箱換擋時，撥叉向目標檔位軸向移動，齒套推動滑塊軸向移動，消除滑塊和同步環(huán)之間的軸向間隙。此時，滑塊端面與同步環(huán)接觸，產(chǎn)生錐面間的軸向壓力，剪切同步環(huán)錐面間的油膜，同步環(huán)和齒輪錐面之間產(chǎn)生摩擦力矩，見圖2（b）。此時，同步環(huán)被摩擦力矩帶起旋轉，而同步環(huán)伸出的插腳旋轉后遇到齒轂凹槽壁停止周向運動。齒套花鍵梅角與同步環(huán)梅角斜面相對，分度完成，見圖3：

同步階段，齒套在換擋力的作用下，繼續(xù)往結合齒方向軸向移動，齒套梅角斜面與同步環(huán)梅角斜面頂住，為鎖止狀態(tài)，見圖2（c）。此時同步環(huán)摩擦面與結合齒錐面間產(chǎn)生摩擦力矩，齒套梅角斜面與同步環(huán)梅角斜面產(chǎn)生撥環(huán)力矩，設計要求摩擦力矩大于撥環(huán)力矩。摩擦力矩使得結合齒轉速與齒套轉速趨于一致，在完全同步前，要保持齒套和同步環(huán)的鎖止，否則同步環(huán)尚未同步轉速差，齒套往前繼續(xù)移動會導致打齒。

同步完成后，同步環(huán)和結合齒錐面間的摩擦力矩消失，齒套梅角和同步環(huán)梅角的撥環(huán)力矩開始起作用，齒套梅角撥開同步環(huán)，穿過同步環(huán)花鍵齒槽繼續(xù)往前移動，在到達結合齒前這一段為自由行程，見圖2（d）。在這段自由行程中，由于變速箱自身的阻力矩以及油液的阻力矩，又會引起新的轉速差。

圖2（e），齒套繼續(xù)往前移動，可能會與結合齒的梅角隨機相抵，由于齒套和結合齒又產(chǎn)生新的轉速差，會產(chǎn)牛較大的結合力，因此在齒套撥動結合齒過程易產(chǎn)生二次沖擊的振動和噪聲。如果變速箱拖曳力矩較大，那么此過程二次沖擊也較大。最后，圖2（f）齒套繼續(xù)往前移動，與結合齒花鍵嚙合，完成換擋，扭矩可從齒輪經(jīng)齒套和齒轂傳遞到輸出軸上。

2換擋過程中的失效形式

消費者在體驗車輛時，除了主觀能感受到的造型、內外飾、科技感外，變速箱的換擋性能也是一個影響消費者體驗的重要指標。變速箱在換擋過程中，如設計魯棒性不足、不合理以及零件尺寸控制不嚴會出現(xiàn)磨損、打齒、卡滯、二次沖擊和脫檔等一些列換擋問題。下面便根據(jù)換擋過程的幾個階段，分析一些失效案例。

2.1磨損

某手動變速箱在完成同步器換擋耐久臺架后，拆解時發(fā)現(xiàn)倒檔撥叉塑封和同步環(huán)磨損。但由于該試驗為前進擋換擋耐久試驗，沒有參與工作的倒檔反而磨損，懷疑其換擋系統(tǒng)上尺寸鏈存在問題。

經(jīng)拆解檢測零件尺寸，發(fā)現(xiàn)R檔撥叉的R檔側鉗口圓柱面輪廓度超差嚴重，無法通過檢具，因此在空擋時與選換擋套筒外部圓柱面干涉。此外，撥叉軸孔垂直度超差，會導致?lián)懿婺_往R檔側偏斜?？諜n時，選換擋套筒外部圓柱面將撥叉往倒檔方向撥動，導致?lián)懿婺_靠到齒套撥叉槽側壁;R檔齒套旋轉導致?lián)懿婺_塑封磨損，而被吃掉的同步器空擋間隙導致同步環(huán)摩擦材料一致處于磨損狀態(tài)，導致同步環(huán)磨損，此故障出現(xiàn)在同步器工作的第一階段。由于手動變速箱的空擋間隙尺寸鏈較長，在設計時更要細致校核，并在牛產(chǎn)時嚴控相關尺寸。

2.2打齒

某手動變速箱在低溫啟動后，換3、4檔會出現(xiàn)較明顯的“咔嚓”打齒聲，為冷啟動換擋打齒故障，待熱車后又消失，初步判定于油溫有關。為找到此問題的根本原因，通過同步器零部件低溫換擋臺架上進行模擬復現(xiàn)，試驗證明該同步環(huán)的紙基碳摩擦面，在低溫下摩擦系數(shù)u1會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，見圖6：

橫坐標一循環(huán)次數(shù);

縱坐標（從左到右）：油溫（℃）、換擋力（N）、摩擦系數(shù)u、鎖止位置（mm）、轉速差（1/min）

而摩擦系數(shù)u1與梅角面鎖止安全性有關，如果u1過低，導致同步環(huán)無法鎖止齒套，齒套繼續(xù)往結合齒方向移動，導致打齒。后續(xù)將同步環(huán)摩擦面更換為碳顆粒摩擦材料后，消除低溫下摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，打齒現(xiàn)象消失。此故障在換擋過程的第三個步驟中出現(xiàn)，為同步過程中鎖止失效導致打齒。

2.3卡滯

在第5階段齒套撥結合齒過程中，易發(fā)齒套和同步環(huán)卡滯導致的虛進擋故障。比如某DCT變速箱，在1檔進擋時有客戶抱怨車輛起步加油門無動力脫檔的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)顯示，在1000N換擋力下，撥叉瞬間有很大變形，使軟件誤判進擋到位，踩油門后便立刻報故障脫擋。按測試曲線中的撥叉行程分析，1檔由于在靜態(tài)掛擋時，在齒套撥結合齒這一階段，齒套倒錐倒角與同步環(huán)梅角棱邊頂住，如圖7所示。使同步環(huán)產(chǎn)生一軸向力預壓結合齒錐面，產(chǎn)生一摩擦力矩，此時結合齒被撥正時，需要同時克服拖曳力矩和摩擦力矩，導致進擋力急劇增加，引起撥叉變形，使軟件誤判進擋到位。駕駛員踩油門后，由于實際齒套和結合齒花鍵沒有嚙合而立刻脫檔。

為解決此問題，將一檔三錐同步環(huán)增加預磨.合，減小同步環(huán)錐面抱死風險。并將齒套1擋側倒錐倒角后移1.5mm，避開同步環(huán)梅角棱邊位置，消除頂住同步環(huán)而產(chǎn)生的卡滯。該方案實施應用后，此類虛進擋的脫檔故障率由6.33‰降至1.07‰以下。

2.4二次沖擊

在齒套撥動結合齒的過程中，手動變速箱易產(chǎn)生二次沖擊的問題，這是由于在同步環(huán)鎖止消除后，齒套繼續(xù)往前移動，由于變速箱的拖曳阻力矩，齒套和結合齒之間又產(chǎn)生新的轉速差，拖曳力矩越大，轉速差越大，從而在齒套遇到結合齒花鍵時，導致的二次沖擊越大。某手動變速箱由于二次沖擊大于行業(yè)標準，如圖8所示（2檔換3檔），經(jīng)變速箱加裝轉速傳感器測量發(fā)現(xiàn)，第四階段自由行程時出現(xiàn)142rpm的轉速差，從而換擋力又一次增大，形成二次沖擊。

橫坐標：時間（s）

縱坐標（從左到右）：行程（mm），轉速差（rpm）

為研究二次沖擊的影響因素，對變速箱換擋機構及同步器進行影響因素分析，經(jīng)各方案設計及裝車驗證實測表明：換擋機構的拉索接頭改為軟接頭、合理增加配重塊質量、選換擋detent及凸輪型線更改以及同步器滑塊力增大、齒套梅角政為不對稱設計等方案有改善二次沖擊的作用，其中齒套梅角偏置0.4mm后，自由行程縮短，轉速差也降低明顯，數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)測試，采用偏梅角的齒套方案，其二次沖擊為43%，與對稱梅角方案的61%相比，降低29.5%，主客觀換擋性能得到改講。

2.5脫檔

在換擋最后階段，同步器齒套花鍵與結合齒花鍵嚙合，完成扭矩的傳遞，由于齒套和結合齒上倒錐角的作用下，扭矩會轉化為軸向的鎖止力，從而防止變速箱脫檔。

某變速箱在改型設計時，為提升加速性，增大了一檔的速比，在齒軸耐久試驗時，一檔發(fā)牛脫檔故障。經(jīng)零件尺寸檢測發(fā)現(xiàn)，一檔結合齒倒錐角度基本處于圖紙設計下差，這是由于一檔結合齒為片狀設計，在齒輪焊接結合齒后進行熱處理，結合齒倒錐產(chǎn)牛角度變形所致。因此，將結合齒和齒套的倒錐角從3°±0.5°增加到4°±0.5°后，脫檔故障消失。

因此，結合齒和齒套倒錐角若設計下限值較小，易引起脫檔故障，導致整車行駛過程中動力中斷，設計值建議在4°-5°之間。此外，結合齒和齒套花鍵嚙合的重合長度過短也會引起脫檔，要求重合長度理論計算值大于0.9mm。

4結論

本文從同步器換擋過程各階段出發(fā)，將各階段的設計要點與常見失效案例相結合，分析了與同步器設計相關的打齒、卡滯、二次沖擊和脫檔故障的相關影響因素，并給出了有效的解決方案。

1）同步器打齒與變速箱油品、同步環(huán)摩擦材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性相關，岡此在變速箱換擋耐久臺架試驗前，要充分進行油品與摩擦材料的系列認證試驗。

2）同步環(huán)卡滯經(jīng)常出現(xiàn)在多錐的碳摩擦材料同步環(huán)上，因此多錐同步環(huán)的防抱死安全系數(shù)要按照經(jīng)驗留有余量。

3）同步器設計時要考慮結合齒、同步環(huán)、齒套三者之間的動態(tài)位置關系，避免同步環(huán)與齒套倒錐角結束時的干涉，避免發(fā)生此處的換檔卡滯故障。

4）手動變速箱的二次沖擊主要原因為自由行程產(chǎn)生的轉速差，減少自由行程可以減少二次沖擊的發(fā)生。減少自由行程的主要方法有：齒套、同步環(huán)或者結合齒梅角采用偏梅角設計;齒套花鍵設計為長短齒，長齒可以先與結合齒結合，而短齒仍對同步環(huán)梅角進行鎖止，進而可以減短自由行程的長度。

5）齒套和結合齒的倒錐角設計要考慮到熱處理變形的影響，且多錐同步器的齒套和結合齒的掛檔嚙合長度要格外關注，避免發(fā)牛掛上檔后的脫檔故障。

因此，深入分析同步器換擋過程的動態(tài)尺寸鏈，可以有效避免以上故障模式的出現(xiàn)。