锁环式同步器压簧对锁止可靠性的影响分析

魏小强，冯瑞

(陕西法士特汽车传动工程研究院，陕西西安 710119)

锁环式同步器压簧对锁止可靠性的影响分析

魏小强，冯瑞

(陕西法士特汽车传动工程研究院，陕西西安 710119)

同步器压簧在锁环式同步器的工作过程中起着极其重要的作用，压簧的刚度和工作长度设计是影响同步器工作的两个重要方面，刚度对同步器预锁止十分重要，工作长度设计与同步器的结构布置和形式有关。着重分析压簧的刚度对同步器锁止可靠性的影响，通过理论分析、变速器总成台架试验和整车道路运行试验详细而深入地阐明同步器压簧设计的重要性，具有重要的参考价值。

锁环式同步器； 弹簧； 变速器； 锁止可靠性

0 引言

锁环式同步器，如图1所示，基本都是采取滑套、弹簧和顶销换挡方式，弹簧一端顶住齿毂径向开设的凹槽中，另一端顶住顶销的尾端，顶销的头部嵌入滑套的凹槽中，将弹簧装入同步器中时，弹簧由自由长度变短，此时为预压缩，预压缩使得顶销下端承受一定的弹簧力，当同步器装在变速器中，变速器在空挡时有一定的阻力。

当同步器滑套离开空挡挂向啮合齿轮或啮合结合齿圈时，弹簧进一步被压缩，弹簧工作长度最短，保证了驾驶员挂挡时的手感。除此之外，同步器重要的作用在于弹簧由预锁止到锁止过程中弹簧刚度对同步器同步过程的重要影响，这直接影响着同步器同步时锁止可靠性，进而影响同步器的使用寿命。

1 弹簧影响同步过程的原理分析

同步器在挂挡过程中要经历空行程、预同步、同步、啮合4个阶段，简单可描述为滑套离开空挡位置，通过柱塞带动滑块轴向移动经过空行程；预同步阶段：同步环旋转1/4花键周节，进入锁止位置；同步阶段：滑套上的齿与锥环的齿锁止面相接触，锥面间产生摩擦力矩；同步结束，摩擦力矩降为零，同步环在拨环力矩作用下，回转1/4周节，滑套穿过同步环；滑套与结合齿圈的齿相结合，挂挡结束。

当拨叉拨动滑套带动弹簧、柱销和滑块一起推动同步环压在啮合齿轮锥面上时，由于滑套上有拨叉的轴向力F和转速差存在，两个锥面一经接触将产生沿周向的摩擦力矩，使同步环相对于滑套转过1/4花键周节，由于加在换挡手柄上的力仍继续增加，滑套克服弹簧的阻力带动滑块继续前移，使得滑套的齿端斜面压住同步环的齿端斜面[1]。

此时在力F的作用下，同步环齿端斜面受到一个正压力N，如图2所示，左侧为同步环，右侧为滑套的预同步和同步的两个位置，将此正压力分解为轴向分力N1=N×sinδ、周向分力N2=N×cosδ，斜面的锁止角为δ。其中N1=F，N1使同步环锥面产生正压力而产生摩擦力矩，N2形成一个拨环力矩，此力使同步环沿原转动方向相反脱离滑套的齿端斜面，但是摩擦力矩却要阻止同步环反转，所以在设计同步环时要保证摩擦力矩大于拨环力矩，且摩擦力矩大于拨环力矩越多，同步器越不容易发生打齿现象，同步器同步时锁止更可靠[2]。

从以上受力分析中似乎看不出弹簧在锁止环节发生的作用，实际并非如此。同步器锁止是靠锁止角、锁止接触面积大小、挂挡力以及摩擦力矩大于拨环力矩等来保证的。在变速器进行换挡时，轴向力F很大，则同步器滑套移动的速度将会变得很快。若如果轴向力F和转速差提供的摩擦力矩不足以使同步环尽快转过1/4花键周节，那么同步环齿端斜面来不及与滑套齿端斜面接触，或接触区域很小，无法承担足够大的轴向力F，则滑套就会很快通过同步环齿端斜面的轴向部分直接与同步环的花键直齿部分接触，产生冲击，并进而走过后备量和啮合齿轮或结合齿圈的花键齿啮合，这样就失去了同步环的同步作用而发生打齿。

所以为了避免轴向力F推动滑套轴向移动的速度过大，应该适当增大移动的阻力，但又不应该影响移动的顺畅性，其中较为重要的一点就是可以加大弹簧的刚度，以保证压缩弹簧提供足够的阻力，保证滑套在轴向力F下的移动速度不至于过快从而使同步环齿端斜面与滑套齿端斜面充分接触，保证同步过程的可靠进行[3-4]。

2 变速器总成台架试验验证

此问题来源于实践中，售后市场服务及部分客户反映某变速器某挡位的同步器故障较多，主要故障现象是同步器挂挡时异响。经研究发现，同步器弹簧的刚度对同步性锁止可靠性影响很大。文中针对此问题展开深入研究。

通过上面的理论分析，了解了同步器弹簧在同步器中的重要作用。针对出现的同步器异响故障，作者进行了以下试验[5-6]，将某故障变速器装在变速器总成试验台架上，在变速器二轴端输入动力，在自动换挡臂杆作用下进行挂挡试验，调整臂杆的力使其大于某个值使臂杆的移动速度较快，此时就会发生同步器打齿异响，发生清脆的尖叫嚎鸣声，超过120 dB；去掉自动换挡臂杆连接装置，改用手动模式，设定好相应挡位换挡时的输入转速，进行手动挂挡试验，当使用较大力去推动臂杆换挡时也存在和自动模式一样的异响，当使用较小力去推动臂杆换挡时将不发生异响，据此推断可能为同步器弹簧的刚度不够。

接着将原变速器故障挡位的同步器中弹簧更换为刚度为原来2倍的同步器弹簧，并保持其自由长度和工作长度不变，将此同步器装入原变速箱中，其余零件不变,重复上述试验，分别在手动模式下快速挂挡和自动换挡臂杆作用下快速换挡。通过多次试验后都无同步器打齿异响情况出现，由此验证了同步器弹簧的刚度是影响同步器异响的重要原因。

3 整车道路运行试验验证

为了验证上述理论分析结果的正确性，除了进行变速器总成台架试验验证之外，还进行了整车道路运行试验。进行了3次试验，都选用同一台车辆，第一次试验将原某故障变速器装到某型号车辆上，进行道路试验，由专业驾驶员进行手动换挡，结果在原异响挡位发生和变速器台架试验一样的尖叫嚎鸣声，发生频率约为9/10；第二次试验将原变速器故障挡位的同步器中弹簧更换为刚度为原来2倍的同步器弹簧(上述变速器台架试验使用的)，由专业驾驶员重复第一次试验过程，整个过程中没有发生任何异响，即发生频率为0；第三次试验将第二次试验后的同步器弹簧由2倍刚度的换回原刚度的弹簧，装入原变速器由专业驾驶员重复第一次试验过程，结果在原异响挡位发生和变速器台架试验一样的尖叫嚎鸣声，发生频率依然为9/10。

由此说明：在整车道路试验中，使用原刚度的弹簧的同步器会发生打齿异响，当更改为2倍刚度的弹簧后，同步器不会发生打齿异响。此试验证明：同步器弹簧的刚度对同步器工作可靠性有重要影响，并进而对同步器的功能和变速器的使用产生重要影响。

4 总结

经过以上分析可以看出：同步器弹簧在同步器设计中有着极其重要的作用，同步器弹簧的刚度、自由长度和工作长度设计将对同步器挂挡过程中受力变化，对于同步器空挡位置的确定，以及对同步器同步工作的整个过程都有重要影响，尤其影响预同步和同步过程。设计时应该保证同步器压簧在不影响挂挡锁止可靠性的前提下不至于有太大的挂挡阻力，造成同步器静态挂挡力太大，但当同步器锁止可靠性受到影响时，则应该以保证锁止可靠性为前提，再考虑其他的措施降低滑套轴向移动的挂挡阻力，达到锁止可靠性和静态挂挡力两者的统一。

【1】 高维山，张思浦.变速器[J].北京：人民交通出版社，1990.

【2】 马超圣.汽车变速器同步器[M].成都：汽车杂志社，1990.

【3】 黄旦中.轿车变速器同步器设计和研究[D].上海：同济大学，2002：1-6.

【4】 刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社，2001.

【5】 全国汽车标准化技术委员会.QC/T 568-2010 汽车机械式变速器台架试验方法[S].2010.

【6】 全国汽车标准化技术委员会.QC/T 29063.1-2010 汽车机械式变速器总成技术条件[S].2010.

ImpactAnalysisoftheSpringofLockRingSynchronizeronLockingReliability

WEI Xiaoqiang，FENG Rui

(Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Research Institute, Xi’an Shaanxi 710119,China)

The synchronizer compression spring plays an important role in the locking ring synchronizer working process. The stiffness and working length design of the compression spring are the two major aspects to influence synchronizer working. The stiffness is important to synchronizer pre-locking, and the working length design is related with the structural arrangement and form of the synchronizer. The impact of the spring stiffness to the synchronizer locking reliability was mainly analyzed. Through theoretical analysis, transmission assembly bench test and vehicle road running test, the importance of synchronizer compression spring design was clarified in detail and in-depth. It has a considerable reference significance.

Locking ring synchronizer； Spring； Transmission； Locking reliability

2014-03-31

魏小强(1985—)，硕士，工程师，研究方向为汽车变速器设计开发。E-mail：weixq222@sina.com。