汽车变速器换挡打齿现象分析及优化设计

■常州铁道高等职业技术学校 （江苏 213011） 许红丹

1.变速器同步器工作原理

汽车变速器是通过齿轮间的相互啮合实现变速的，变速器在执行换挡的过程中，应当使准备啮合的那一对齿轮的结合齿圈的圆周速度达到一致，才能平顺地挂上挡。否则，两个齿轮齿圈间会相互冲击，并发出噪声，造成齿轮啮合区域磨损加快，不仅很难顺利挂上挡，而且也会影响齿轮的寿命，多次打齿后，就会造成磨损加剧，挂挡时，齿轮咬合不彻底，在汽车的行使过程中，遇到振动就容易出现掉挡现象，严重影响驾驶，并造成安全隐患，这时，汽车变速器就必须大修，代价显而易见。所以，现代汽车变速器在常用的各挡位间都装有同步器，同步器提升换入挡位的齿轮的转速，将其转速提升至和输出端齿轮速度同步，这样使相互啮合的一对齿轮先同步后啮合，从而降低汽车变速器的噪声，消除换挡时齿轮啮合的冲击，实现平稳可靠、迅速地换挡动作，避免发生打齿现象。齿环式同步器因其具有零件数量少、同步时间短、同步容量大和制造成本较低等优点，被广泛地应用于各种汽车的变速器上。

该手动变速器在三挡、四挡和五挡均使用单锥面同步器。这套单锥面同步器的结构如图1所示。

如图1所示，从原理上来分析，整个同步器的主要同步过程就是通过同步环的内锥面和结合齿的外锥面间的摩擦，克服结合齿和传动轴的速度差，当速度差消除后，结合齿通过同步器与传动轴完成连接的过程。

由于本文主要讨论同步环内锥面和结合齿外锥面的配合情况，所以省略了同步器总成中的其他零部件及其作用。

图1 单锥面同步器的结构

2.变速器故障问题描述

我们拆解了存在四换三打齿现象的变速器，通过分析，发现了两个问题：①二轴三挡齿锥面接触痕迹异常，锥面啮合区域受力不均（见图2a）。②三挡同步器齿环结合齿啮合痕迹异常，左齿面根部和右齿面有明显接触痕迹（见图2b）。

3.变速器失效情况分析

针对故障变速器的以上情况进行失效原因分析，分析鱼骨图如图3所示。

针对以上引起同步器失效的原因，逐一进行分析。

（1）我们对同步环、二轴三挡齿和三四挡同步器齿套等相关零部件进行了尺寸、材质检测，经检测，相关零部件的尺寸和材质完全合格，初步排除由零件质量问题引起的故障原因。

（2）锥面啮合长度分析。同步环与结合齿的内外锥面贴合后，由于要求同步环与结合齿的接触靠大端，所以同步环的大端磨损比较严重。运行一段时间后，大端螺纹的全齿高磨损相对严重，尺寸链上同步环的小端如果有露出结合齿小端部分情况存在的话，小端螺纹的全齿高可能会高出大端严重磨损的螺纹全齿高，逐渐形成台阶，如图4所示。当同步环和结合齿再次配合时，这个小端螺纹处的台阶可能顶在结合齿小端的端面上，导致同步环的锥面无法很好的贴合结合齿的锥面，最终致使同步环和结合齿的锥面无法很好的贴合摩擦，引起同步环打齿现象的发生。

通过对锥面啮合长度尺寸链计算发现，在极限状态下，三挡同步器齿环锥面有限长度长于三挡结合齿环锥面，Max0.54mm，计算如图5所示。

通过故障总成的零件测量数据做尺寸链，分析发现三挡同步器齿环锥面有效长度长于三挡结合齿环锥面，为0.3mm，计算如图6所示。

图2

图3 故障分析鱼骨

通过以上对该项目发生打齿的三挡同步器的同步环和结合齿的沿锥面贴合接触尺寸进行的计算，结果表明，在极端恶劣情况下，同步环锥面小端可能超出结合齿小端0.54mm。按照上面的理论有可能导致打齿现象发生的。

（3）对同步轴向分力和拨环分力进行分析。齿套梅角角度（100°）小于同步环结合齿梅角角度（120°），两者接触时非面接触，导致齿套推动同步环推力减小，影响同步效能。齿套梅角切入点位置存在差异（和缺陷描述2吻合），在二挡换三挡时齿套结合齿与三挡同步器齿环接触距离长，轴向推力接续时间长；四挡换三挡时，齿套结合齿与三挡同步器齿环接触距离短，轴向推力持续时间短，造成同步效率下降，易产生四挡进三挡打齿。如图7所示。

4.优化改进方案的确定

（1）使齿轮结合齿锥面啮合长度大于同步环锥面啮合长度。如图8所示，通过增大同步环小端的倒角AE，来减小EB的长度；通过减小结合齿小端的倒角CG，来增大GD的长度，使EB小于GD的长度，以达到减小台阶产生的可能性。

图4 台阶形成

图5 三挡锥面啮合长度计算

图6 故障零件锥面啮合长度计算

图7

原图样上AFE的倒角长度为0.5mm，CG的倒角长度为0.5mm，将同步环的有效贴合长度EB减去结合齿的有效贴合长度GD后，最坏的情况是同步环超出结合齿0.54mm。如果将AFE的倒角长度改为0.8mm，CG的倒角长度改为0.2mm，则最不理想时，同步环超出结合齿0.06mm，完全符合要求。

（2）增大轴向分力，减小拨环分力。原三四挡齿套三挡侧梅角角度为100°，现改为120°。由计算公式可以看出（见图9），拨环力F1＝F×cot50°变为F×cot60°，明显较小；轴向分力F2＝F×tan50°变为F×tan60°，明显增大。

图8 啮合面

图9 力的计算

这样，摩擦锥面的压力就增大，摩擦力也增大，同步时间就会缩短，同步效果就会大大增强，不易产生打齿现象。

5.效果验证

抽取另外几台三挡打齿变速器，更换优化过的三挡同步环、三挡齿轮和三四挡齿套，重新装车验证后，再无打齿现象发生。

对同步器优化以后，未再出现四换三打齿现象，所以，针对该同步器的优化取得了成功，对其他类型变速器打齿现象的解决也起到了很好的借鉴作用。