變速箱同步器換擋打齒問題研究

張 瑞

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

前言

同步器是汽車變速器中的關鍵零部件。在變速器換擋時，它使欲嚙合的齒輪副迅速同步并保持接合狀態，并且能防止在同步前接合。同步器可以保證換擋時齒輪嚙合不受沖擊，消除噪聲，延長齒輪壽命，同時使換擋動作方便迅速，有利于提高汽車的動力性和燃油經濟性。因此，在手動變速箱和雙離合變速箱中得到了廣泛的應用。同步器的性能優劣直接影響汽車的換擋品質。換擋打齒作為同步器最常見的失效模式，其影響因素較多。

1 同步器簡介

滑塊式同步器在乘用車上應用最為廣泛。圖1為滑塊－鎖環式同步器結構，由齒套、齒轂、同步環、滑塊和結合齒組成。同步環的摩擦錐面位于結合齒圈的錐面上，在同步時產生摩擦力矩。同步環齒面和結合齒圈花鍵齒端部均為斜面（鎖止面）。滑塊由滑塊基體、鋼球以及彈簧組成。空擋時，三個滑塊鋼球頂部壓入齒套的凹槽中，使得換擋系統保持在空擋位置。

圖1 滑塊－鎖環式同步器結構

根據同步器的工作原理，換擋過程中，齒套推動滑塊頂觸同步環，待同步環與結合齒圈錐面的油膜排除干凈后，齒套鎖止面與同步環鎖止面接觸，產生同步力矩和撥環力矩。在同步力矩的作用下，使同步器兩端轉速逐漸趨于同步。待兩端同步后，在齒套軸向力的作用下，撥環力矩使同步環連同結合齒圈及與之相連的所有零件一起相對齒套轉動一個角度，使鎖環凸起結構移到花鍵齒轂凹槽的中央位置。此時齒套軸向力克服滑塊鋼球力后，而與同步環的外花鍵進入接合。同步環的鎖止作用隨即消失。齒套繼續向擋位齒移動，待其與結合齒圈花鍵進行接合后，即完成換擋。

2 換擋打齒失效模式

換擋打齒是指在齒套與結合齒轉速差非零時，齒套與結合齒進行接合所產生的現象。打齒是同步器常見的失效模式。由于同步器的工作過程比較復雜，對于換擋打齒失效模式而言，單純從某一個方面分析出原因是比較困難的。所以，本文制定換擋打齒失效的分析過程圖，如圖2所示。

圖2 換擋打齒問題分析流程圖

2.1 性能分析[1]

與換擋打齒相關的性能分析主要體現在鎖環比。鎖環比為同步力矩與撥環力矩的比值，設計指標為大于1。當同步環被軸向力Fa推向結合齒錐面時，結合齒錐面上的潤滑油膜被切開，在錐體和摩擦面之間沿錐角方向產生摩擦力，此時同步環轉速基本不變，齒輪的轉速在改變，產生同步力矩。同步力矩的計算方式如下：

式中：TC為同步力矩；Fa為齒套軸向力；μc為同步環摩擦系數；R為錐面平均摩擦半徑，?為錐角止面由于在同步過程中，由于齒套鎖止面的作用，會產生與同步力矩相反方向的力矩，稱為撥環力矩。撥環力矩的計算方式如下：

式中：TI為撥環力矩；Fa為齒套軸向力；RB為鎖止面分度圓直徑，μβ為鎖止面摩擦系數；θ為鎖止角度。

2.2 尺寸鏈分析

同步環是否處于正確的鎖止位置，是同步器起作用的前提。同步環摩擦系數的建立、撥環力矩的產生、排油的發生均建立在正確的鎖止位置前提下。在同步器設計中，尺寸鏈分析是一項重要的工具。鑒于多錐同步器結構較復雜，本文從換擋過程尺寸鏈及三錐同步環尺寸鏈兩個方面進行討論。

2.2.1 換擋過程的尺寸鏈

從換擋的過程進行分析，重點從滑塊間隙、接近尺寸、分度尺寸、同步環凸臺與齒轂花鍵嚙合長度及同步環摩擦材料是否突出齒輪錐面邊緣來考慮。

1）滑塊間隙：由于同步環摩擦材料異常磨損所導致的打齒。滑塊間隙是指當齒套處于空擋位置時，滑塊端面抵住同步環凸臺端面的距離。此間隙的意義在于：在間隙過小時，同步器處于空擋位置，在同步器偏擺情況下，滑塊將持續擠壓同步環錐面貼向齒輪體，而兩端持續存在轉速差，此造成同步環錐面磨損。

2）分度尺寸：保證同步階段齒套鎖止面與同步環鎖止面接觸面積足夠。滑塊端面抵住同步環凸臺端面后，齒套相對滑塊剛開始軸向移動時，齒套與同步環所知面中心線的距離。分度尺寸應大于0.635mm[2]。

3）接近尺寸：結合齒錐面油未排除干凈導致摩擦系數無法建立而產生的打齒。滑塊抵住同步環凸臺時，齒套與同步環鎖止面之間的軸向距離為接近距離。如果滑塊穿越力在兩者的鎖止鎖止面接觸前消失，將會使同步環錐面負載減小，中斷劃開油膜的過程，導致摩擦系數達不到理論值。為保證可靠鎖止，對接近距離的推薦值為大于0.38mm[2]。

4）后備量[3]：考慮到同步環正常磨損后，仍能繼續使用，在同步環后端面與齒輪結合齒端面之間應有一定的間隙（后備量）。間隙的理論值在1～2mm之間。

5）同步環凸臺與齒轂外花鍵重疊長度及同步環邊緣脫出錐面邊緣：同步器工作時，同步環凸臺不能突出齒轂外花鍵的邊緣及同步環邊緣不能脫離齒輪錐體邊緣，這是保證鎖止及摩擦面接觸區域可靠的前提。

2.2.2 三錐同步環尺寸鏈

1）內外環凸臺重疊長度；

2）中間環插腳與齒輪凹槽重疊長度；

3）內環大徑與結合齒端面間隙；

4）中間環大徑與結合齒端面間隙[3]；

5）內環小徑與外環內側端面間隙[3]；

6）中間環小徑與外環內側端面間隙[3]。

上述相關尺寸鏈的計算，需在耐久情況下進行考慮。以上是保證同步器的三個錐面都能實現正常工作的前提。

2.3 摩擦材料特性分析

2.3.1 錐面油未排除到位導致理論計算的摩擦系數過低

潤滑油的黏度影響同步初期的刮油速度。黏度過大時，同步環的摩擦材料不能及時破壞錐面上的油膜，就不能快速提供足夠大的摩擦系數而導致沒有同步。

2.3.2 摩擦材料系數穩定性

鎖環比的計算需考慮摩擦系數的穩定性。目前，常用的摩擦材料有金屬材料和非金屬材料。金屬材料分為黃銅、燒結銅、噴鉬；非金屬材料分為紙基碳、碳顆粒及織物基復合材料。摩擦系數的選取需根據各項試驗進行判定。其試驗工況包括如表1所示。

表1 摩擦系數試驗工況

以紙基碳材料和碳顆粒兩種摩擦材料為例，說明摩擦系數穩定性的重要性。

紙基的碳摩擦材料的表面非常光滑，且可以看到一些微孔；碳顆粒是一種雙層的織物基摩擦材料，此材料是由樹脂和碳顆粒組合的混合物，其表面有非常多的小孔。紙基材料設計時需包含油槽，但碳顆粒不需要油槽，是因為它是一種開放多孔的結構。在排油時，油首先從碳顆粒材料的小孔中排掉，且存在于摩擦材料表面與錐面之間的油膜可以被分散。

圖3為紙基和碳顆粒兩種摩擦材料在變速箱油環境下的低溫試驗。可以發現，在低溫下的碳顆粒的摩擦系數穩定性優于紙基。

圖3 紙基及碳顆粒在低溫情況下摩擦系數曲線

2.4 其他影響因素分析

2.4.1 結合齒錐面粗糙度[2]

錐面粗糙度確定了錐體接觸時產生的摩擦系數值，在很大程度上說明摩擦材料的磨損量。過于光滑的錐面導致摩擦副無法在預同步階段破壞油膜；粗糙度較差的錐面易導致摩擦材料的磨損急劇增加。一般而言，結合齒錐的粗糙度控制在RZ1.0-4.0。

2.4.2 變速箱清潔度[4]

變速器內部有較多的雜質如金屬鐵屑等，當該雜質進入同步環與擋位齒輪的錐面摩擦副之間時，將影響或降低同步時錐面摩擦副的摩擦性能。導致同步環接觸面積不足或者摩擦副未完全建立，從而導致換擋打齒。

2.4.3 同步環潤滑情況

當同步環潤滑不足時，在同步階段，由于摩擦所產生的熱量無法通過潤滑油順利帶走，導致錐面溫度持續增加。對于銅螺紋摩擦材料而言，錐面摩擦所產生的熱量，導致摩擦副溫度過高，銅螺紋摩擦副將出現快速磨損，當后備量為零時，將出現換擋打齒。

3 結論

由于同步器換擋打齒問題產生的比較復雜，本文從同步性能、總成間隙及摩擦材料特性出發，并制定了問題分析思路，為同步器換擋打齒問題的解決提供了一定的思路。