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(tài)，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(yōu)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(huán)式同步器結構，由齒套、齒轂、同步環(huán)、滑塊和結合齒組成。同步環(huán)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(huán)齒面和結合齒圈花鍵齒端部均為斜面（鎖止面）?；瑝K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(tǒng)保持在空擋位置。

圖1 滑塊－鎖環(huán)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(huán)，待同步環(huán)與結合齒圈錐面的油膜排除干凈后，齒套鎖止面與同步環(huán)鎖止面接觸，產生同步力矩和撥環(huán)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(huán)力矩使同步環(huán)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(huán)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(huán)的外花鍵進入接合。同步環(huán)的鎖止作用隨即消失。齒套繼續(xù)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(xiàn)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(xiàn)在鎖環(huán)比。鎖環(huán)比為同步力矩與撥環(huán)力矩的比值，設計指標為大于1。當同步環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)力矩。撥環(huán)力矩的計算方式如下：

式中：TI為撥環(huán)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(huán)是否處于正確的鎖止位置，是同步器起作用的前提。同步環(huán)摩擦系數的建立、撥環(huán)力矩的產生、排油的發(fā)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(huán)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(huán)凸臺與齒轂花鍵嚙合長度及同步環(huán)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(huán)摩擦材料異常磨損所導致的打齒?；瑝K間隙是指當齒套處于空擋位置時，滑塊端面抵住同步環(huán)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(xù)擠壓同步環(huán)錐面貼向齒輪體，而兩端持續(xù)存在轉速差，此造成同步環(huán)錐面磨損。

2）分度尺寸：保證同步階段齒套鎖止面與同步環(huán)鎖止面接觸面積足夠?；瑝K端面抵住同步環(huán)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(huán)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?；瑝K抵住同步環(huán)凸臺時，齒套與同步環(huán)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(huán)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(huán)正常磨損后，仍能繼續(xù)使用，在同步環(huán)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(huán)凸臺與齒轂外花鍵重疊長度及同步環(huán)邊緣脫出錐面邊緣：同步器工作時，同步環(huán)凸臺不能突出齒轂外花鍵的邊緣及同步環(huán)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(qū)域可靠的前提。

2.2.2 三錐同步環(huán)尺寸鏈

1）內外環(huán)凸臺重疊長度；

2）中間環(huán)插腳與齒輪凹槽重疊長度；

3）內環(huán)大徑與結合齒端面間隙；

4）中間環(huán)大徑與結合齒端面間隙[3]；

5）內環(huán)小徑與外環(huán)內側端面間隙[3]；

6）中間環(huán)小徑與外環(huán)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(xiàn)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(huán)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(wěn)定性

鎖環(huán)比的計算需考慮摩擦系數的穩(wěn)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(wěn)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(huán)境下的低溫試驗。可以發(fā)現(xiàn)，在低溫下的碳顆粒的摩擦系數穩(wěn)定性優(yōu)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(huán)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(huán)接觸面積不足或者摩擦副未完全建立，從而導致?lián)Q擋打齒。

2.4.3 同步環(huán)潤滑情況

當同步環(huán)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(xù)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(xiàn)快速磨損，當后備量為零時，將出現(xiàn)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(fā)，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。