汽車變速器換擋打齒現(xiàn)象分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

■常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 （江蘇 213011） 許紅丹

1.變速器同步器工作原理

汽車變速器是通過齒輪間的相互嚙合實(shí)現(xiàn)變速的，變速器在執(zhí)行換擋的過程中，應(yīng)當(dāng)使準(zhǔn)備嚙合的那一對(duì)齒輪的結(jié)合齒圈的圓周速度達(dá)到一致，才能平順地掛上擋。否則，兩個(gè)齒輪齒圈間會(huì)相互沖擊，并發(fā)出噪聲，造成齒輪嚙合區(qū)域磨損加快，不僅很難順利掛上擋，而且也會(huì)影響齒輪的壽命，多次打齒后，就會(huì)造成磨損加劇，掛擋時(shí)，齒輪咬合不徹底，在汽車的行使過程中，遇到振動(dòng)就容易出現(xiàn)掉擋現(xiàn)象，嚴(yán)重影響駕駛，并造成安全隱患，這時(shí)，汽車變速器就必須大修，代價(jià)顯而易見。所以，現(xiàn)代汽車變速器在常用的各擋位間都裝有同步器，同步器提升換入擋位的齒輪的轉(zhuǎn)速，將其轉(zhuǎn)速提升至和輸出端齒輪速度同步，這樣使相互嚙合的一對(duì)齒輪先同步后嚙合，從而降低汽車變速器的噪聲，消除換擋時(shí)齒輪嚙合的沖擊，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)可靠、迅速地?fù)Q擋動(dòng)作，避免發(fā)生打齒現(xiàn)象。齒環(huán)式同步器因其具有零件數(shù)量少、同步時(shí)間短、同步容量大和制造成本較低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各種汽車的變速器上。

該手動(dòng)變速器在三擋、四擋和五擋均使用單錐面同步器。這套單錐面同步器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，從原理上來分析，整個(gè)同步器的主要同步過程就是通過同步環(huán)的內(nèi)錐面和結(jié)合齒的外錐面間的摩擦，克服結(jié)合齒和傳動(dòng)軸的速度差，當(dāng)速度差消除后，結(jié)合齒通過同步器與傳動(dòng)軸完成連接的過程。

由于本文主要討論同步環(huán)內(nèi)錐面和結(jié)合齒外錐面的配合情況，所以省略了同步器總成中的其他零部件及其作用。

圖1 單錐面同步器的結(jié)構(gòu)

2.變速器故障問題描述

我們拆解了存在四換三打齒現(xiàn)象的變速器，通過分析，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)問題：①二軸三擋齒錐面接觸痕跡異常，錐面嚙合區(qū)域受力不均（見圖2a）。②三擋同步器齒環(huán)結(jié)合齒嚙合痕跡異常，左齒面根部和右齒面有明顯接觸痕跡（見圖2b）。

3.變速器失效情況分析

針對(duì)故障變速器的以上情況進(jìn)行失效原因分析，分析魚骨圖如圖3所示。

針對(duì)以上引起同步器失效的原因，逐一進(jìn)行分析。

（1）我們對(duì)同步環(huán)、二軸三擋齒和三四擋同步器齒套等相關(guān)零部件進(jìn)行了尺寸、材質(zhì)檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)，相關(guān)零部件的尺寸和材質(zhì)完全合格，初步排除由零件質(zhì)量問題引起的故障原因。

（2）錐面嚙合長(zhǎng)度分析。同步環(huán)與結(jié)合齒的內(nèi)外錐面貼合后，由于要求同步環(huán)與結(jié)合齒的接觸靠大端，所以同步環(huán)的大端磨損比較嚴(yán)重。運(yùn)行一段時(shí)間后，大端螺紋的全齒高磨損相對(duì)嚴(yán)重，尺寸鏈上同步環(huán)的小端如果有露出結(jié)合齒小端部分情況存在的話，小端螺紋的全齒高可能會(huì)高出大端嚴(yán)重磨損的螺紋全齒高，逐漸形成臺(tái)階，如圖4所示。當(dāng)同步環(huán)和結(jié)合齒再次配合時(shí)，這個(gè)小端螺紋處的臺(tái)階可能頂在結(jié)合齒小端的端面上，導(dǎo)致同步環(huán)的錐面無法很好的貼合結(jié)合齒的錐面，最終致使同步環(huán)和結(jié)合齒的錐面無法很好的貼合摩擦，引起同步環(huán)打齒現(xiàn)象的發(fā)生。

通過對(duì)錐面嚙合長(zhǎng)度尺寸鏈計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在極限狀態(tài)下，三擋同步器齒環(huán)錐面有限長(zhǎng)度長(zhǎng)于三擋結(jié)合齒環(huán)錐面，Max0.54mm，計(jì)算如圖5所示。

通過故障總成的零件測(cè)量數(shù)據(jù)做尺寸鏈，分析發(fā)現(xiàn)三擋同步器齒環(huán)錐面有效長(zhǎng)度長(zhǎng)于三擋結(jié)合齒環(huán)錐面，為0.3mm，計(jì)算如圖6所示。

圖2

圖3 故障分析魚骨

通過以上對(duì)該項(xiàng)目發(fā)生打齒的三擋同步器的同步環(huán)和結(jié)合齒的沿錐面貼合接觸尺寸進(jìn)行的計(jì)算，結(jié)果表明，在極端惡劣情況下，同步環(huán)錐面小端可能超出結(jié)合齒小端0.54mm。按照上面的理論有可能導(dǎo)致打齒現(xiàn)象發(fā)生的。

（3）對(duì)同步軸向分力和撥環(huán)分力進(jìn)行分析。齒套梅角角度（100°）小于同步環(huán)結(jié)合齒梅角角度（120°），兩者接觸時(shí)非面接觸，導(dǎo)致齒套推動(dòng)同步環(huán)推力減小，影響同步效能。齒套梅角切入點(diǎn)位置存在差異（和缺陷描述2吻合），在二擋換三擋時(shí)齒套結(jié)合齒與三擋同步器齒環(huán)接觸距離長(zhǎng)，軸向推力接續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；四擋換三擋時(shí)，齒套結(jié)合齒與三擋同步器齒環(huán)接觸距離短，軸向推力持續(xù)時(shí)間短，造成同步效率下降，易產(chǎn)生四擋進(jìn)三擋打齒。如圖7所示。

4.優(yōu)化改進(jìn)方案的確定

（1）使齒輪結(jié)合齒錐面嚙合長(zhǎng)度大于同步環(huán)錐面嚙合長(zhǎng)度。如圖8所示，通過增大同步環(huán)小端的倒角AE，來減小EB的長(zhǎng)度；通過減小結(jié)合齒小端的倒角CG，來增大GD的長(zhǎng)度，使EB小于GD的長(zhǎng)度，以達(dá)到減小臺(tái)階產(chǎn)生的可能性。

圖4 臺(tái)階形成

圖5 三擋錐面嚙合長(zhǎng)度計(jì)算

圖6 故障零件錐面嚙合長(zhǎng)度計(jì)算

圖7

原圖樣上AFE的倒角長(zhǎng)度為0.5mm，CG的倒角長(zhǎng)度為0.5mm，將同步環(huán)的有效貼合長(zhǎng)度EB減去結(jié)合齒的有效貼合長(zhǎng)度GD后，最壞的情況是同步環(huán)超出結(jié)合齒0.54mm。如果將AFE的倒角長(zhǎng)度改為0.8mm，CG的倒角長(zhǎng)度改為0.2mm，則最不理想時(shí)，同步環(huán)超出結(jié)合齒0.06mm，完全符合要求。

（2）增大軸向分力，減小撥環(huán)分力。原三四擋齒套三擋側(cè)梅角角度為100°，現(xiàn)改為120°。由計(jì)算公式可以看出（見圖9），撥環(huán)力F1＝F×cot50°變?yōu)镕×cot60°，明顯較小；軸向分力F2＝F×tan50°變?yōu)镕×tan60°，明顯增大。

圖8 嚙合面

圖9 力的計(jì)算

這樣，摩擦錐面的壓力就增大，摩擦力也增大，同步時(shí)間就會(huì)縮短，同步效果就會(huì)大大增強(qiáng)，不易產(chǎn)生打齒現(xiàn)象。

5.效果驗(yàn)證

抽取另外幾臺(tái)三擋打齒變速器，更換優(yōu)化過的三擋同步環(huán)、三擋齒輪和三四擋齒套，重新裝車驗(yàn)證后，再無打齒現(xiàn)象發(fā)生。

對(duì)同步器優(yōu)化以后，未再出現(xiàn)四換三打齒現(xiàn)象，所以，針對(duì)該同步器的優(yōu)化取得了成功，對(duì)其他類型變速器打齒現(xiàn)象的解決也起到了很好的借鑒作用。