机械式变速器同步器换挡性能的分析

马卓　程森　王成清

摘 要：随着人们对驾驭的舒适性的要求越来越高，汽车变速箱换挡性能是直接关系着驾驶的舒适性。而与变速箱的换挡性能相关的一个关键的部件就是同步器，因此，为提升换挡舒适性，需要对变速箱同步器的性能进行深入研究。

关键词：机械式变速器；同步器；换挡性能

中图分类号：U463.212 文献标志码：A

0 引言

目前，在我国机械式变速器依然占据着变速器市场的主导地位，其换挡性能直接影响着整个汽车的动力性、燃油的经济性以及驾驶员的舒适性，这也对变速器的换挡功能提出了更高的要求，而变速器中的同步器能够有效提高齿轮传动系统的平均寿命和换挡时的平顺性。

1 同步器换挡性能研究

为了保证变速箱的质量，提高它在市场当中的竞争力，我国各个变速器制造厂加强了对同步器的研究，并且国内外的很多工程师都对同步器性能展开了深入的研究，包括仿真研究以及同步器换挡试验台等方面。相对于国外来说，我国对同步器的研究起步是比较晚的，甚至很多技术都是从国外引进的，但是近些年，国内一些个人企业对变速箱方面的投资力度越来越大，使得一些高校以及学者也开始了对同步器的研究，而且还取得了不小的成果。在变速箱性能试验中，同步器性能试验是比较重要的，主要对整车的行驶工况进行了模拟，因此也就要求试验中用到的模拟台和整车的各项参数的指标要保持一致。

2 同步器结构与工作原理

惯性增力式同步器能够保证变速箱在换挡时目标挡位的齿轮转速与齿套的转速在同步之后才能完成换挡，这样能更好地避免换挡中花键的冲击。换挡的过程主要有以下4个阶段，即预同步、同步拨环、自由行程、结合齿接合阶段。在换挡之前，由于换挡机构上面存在一系列的弹性元件，使齿套、拨叉等换挡的元件保持在了空档的位置上，当驾驶员进行换挡时，由于其要对操纵手柄施力，此力又通过外部换挡机构以及拉线等装置将其传递到拨叉上，再传递到齿套上，进而推动了压在钢球槽上的滑块发生移动，待滑块顶到同步环后，其摩擦锥面就会与齿圈的摩擦锥面进行相互摩擦，摩擦后，同步环转动一个角度，齿套也就会向前移动，其锁止面与同步环的锁止面贴合在一起，阻止齿套进一步移动。当驾驶员的换挡力进一步增加时，齿套通过锁止面给同步环的推力也进一步加大，使得同步环与锥体锥面之间的摩擦力也随着增加，待两者的转速非常接近后，其之间存在的摩擦力就会消失，齿套拨动同步环反转一个角度，从而越过同步环，移动一个后备量的空行程后，到达结合齿。当齿套与结合齿完全啮合后，即完成了换挡。

其中：Mc表示同步力矩；F表示作用在同步环上的轴向力；μc表示同步环的摩擦锥面与齿圈的摩擦锥面之间的摩擦系数；Rc表示同步环锥面的半径；φ表示同步环锥面的半角；Mg表示惯性的力矩；Jw 表示输出端的转动惯量；△w表示齿套的锁止面与同步环的锁止面转速之差；t表示齿套的花键和同步环的花键同步的时间；Mz表示阻力力矩。

3 同步器工作中的异常情况

同步器工作时所出现的异常情況主要有啮合不同步、摩擦锥面抱死、换挡速度过慢导致车速出现损失以及换挡时用力过小无法完成低换挡。啮合不同步，主要就是还没有达到同步就出现了啮合，导致产生了较大的冲击，换挡变得更加困难。造成此种现象的原因主要有同步器的锁止角与摩擦锥面角的设计不合理，导致锁止角失去了锁止的作用；或者是因为同步器零件端面的装配间隙不足；又或者是同步器输入端的转动惯量过大，而造成了啮合不同步的现象发生。对其进行分析后发现，如果是因为同步器锁止角的设计不恰当造成了锁止角失效，那么在同步前，接合套就会越过同步环与等待啮合的齿轮进行啮合，在此过程中会产生一定的冲击力，导致出现噪声，但是依旧会完成换挡工作。对于同步器零件端面的装配间隙不足，当间隙过小时，在进行换挡的过程中，接合套就会通过滑块来推动同步环进行轴向运动，但是由于此时力量太小，在还没有完成同步工作时，同步环的端面已经与齿轮环的端面接触在了一起，造成了同步器功能的失效，但是，此时，由于受到了换挡力的作用的接合套，依然在进行着轴向运动，而同步失效以及锁止作用也就造成了换挡的失败。

在换挡的过程中，如果换挡力以及转速差过大时，就会加大对同步器的磨损，因此，同步器的失效也可能是由于同步环受到了磨损而造成的。由于一档的转速差比较大，使用一段时间后，会对同步环造成较大的磨损，导致锥面的间隙增大，而配合间隙相对减小，虽然此时能够在润滑油的作用下获得一定的摩擦力，但是却依旧没有办法达到同步的效果。

4 同步器换挡性能影响因素及优化

4.1 提升同步力矩（Mc）

通过对计算换挡公式进行分析后发现，可以通过增加同步环上的轴向力（F）、同步环的摩擦锥面与齿圈的摩擦锥面之间的摩擦系数（μc）以及同步环锥面的半径（Rc），与此同时，还要减小同步环锥面的半角（φ）的值来提升同步力矩（Mc）。

（1）在增加同步环上的轴向力（F）时，主要通过增加变速箱内部拨叉对同步环的波动轴向力，来进一步加大驾驶员换挡的操纵力、提升换挡系统的效率以及提高系统的杠杆比。但是如果操纵力过大，则会导致换挡卡滞等不好挂挡的情况，所以在实际情况中，主要以提升换挡系统的效率以及提高系统的杠杆比来达到提升同步环上的轴向力的目的。

这几项参数都是同步环的容量参数，主要是来评价同步环性能的。同步环的表面可以利用一些摩擦系数比较高的材料来提高μc值，如贴碳。Rc因为其受制于变速箱内部空间的限制，一般无法直接加大，而是sinφ调整时，要考虑锥面的自锁型。

4.2 降低惯性力矩（Mg）

根据计算惯性力矩的公式

可知，要想降低惯性力矩，就要降低Jw、以及△w的值，同时还要增大t的值。在降低Jw时，由于其输入端转动惯量中包括了齿轮系的转动惯量以及离合器从动盘的惯量，通过对其进行综合性的分析后，发现离合器从动盘的惯量占据主要地位，因此，一般情况下都是通过降低离合器从动盘的惯量来减小Jw的值。在降低△w值时，由于其直接影响着换挡瞬间发动机的转速和进行同步时两档位齿轮的速比差值，因此，通过降低以上两个数值来降低△w的值。在提升t值时，由于t的提升会影响到驾驶员挂挡的感觉，因此，一般情况下t商用车按0.5s、乘用车按0.3s以内进行计算。

结语

本文中分析了换挡性能的计算公式，对其中关键参数进行了分析，并根据分析的结果提出了一些改进的措施以及建议。由于整车换挡系统是一个极其复杂的系统，除了以上分析出来的因素会对换挡性能造成影响外，还有系统的摩擦力、操纵过程中存在的阻力、驾驶员的换挡时机以及离合器的分离系统等因素也会对同步器的换挡性能造成影响，所以针对具体的问题还需要有针对性地进行分析。

参考文献

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