鎖環式同步器壓簧對鎖止可靠性的影響分析

魏小強，馮瑞

(陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西西安 710119)

鎖環式同步器壓簧對鎖止可靠性的影響分析

魏小強，馮瑞

(陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西西安 710119)

同步器壓簧在鎖環式同步器的工作過程中起著極其重要的作用，壓簧的剛度和工作長度設計是影響同步器工作的兩個重要方面，剛度對同步器預鎖止十分重要，工作長度設計與同步器的結構布置和形式有關。著重分析壓簧的剛度對同步器鎖止可靠性的影響，通過理論分析、變速器總成臺架試驗和整車道路運行試驗詳細而深入地闡明同步器壓簧設計的重要性，具有重要的參考價值。

鎖環式同步器； 彈簧； 變速器； 鎖止可靠性

0 引言

鎖環式同步器，如圖1所示，基本都是采取滑套、彈簧和頂銷換擋方式，彈簧一端頂住齒轂徑向開設的凹槽中，另一端頂住頂銷的尾端，頂銷的頭部嵌入滑套的凹槽中，將彈簧裝入同步器中時，彈簧由自由長度變短，此時為預壓縮，預壓縮使得頂銷下端承受一定的彈簧力，當同步器裝在變速器中，變速器在空擋時有一定的阻力。

當同步器滑套離開空擋掛向嚙合齒輪或嚙合結合齒圈時，彈簧進一步被壓縮，彈簧工作長度最短，保證了駕駛員掛擋時的手感。除此之外，同步器重要的作用在于彈簧由預鎖止到鎖止過程中彈簧剛度對同步器同步過程的重要影響，這直接影響著同步器同步時鎖止可靠性，進而影響同步器的使用壽命。

1 彈簧影響同步過程的原理分析

同步器在掛擋過程中要經歷空行程、預同步、同步、嚙合4個階段，簡單可描述為滑套離開空擋位置，通過柱塞帶動滑塊軸向移動經過空行程；預同步階段：同步環旋轉1/4花鍵周節，進入鎖止位置；同步階段：滑套上的齒與錐環的齒鎖止面相接觸，錐面間產生摩擦力矩；同步結束，摩擦力矩降為零，同步環在撥環力矩作用下，回轉1/4周節，滑套穿過同步環；滑套與結合齒圈的齒相結合，掛擋結束。

當撥叉撥動滑套帶動彈簧、柱銷和滑塊一起推動同步環壓在嚙合齒輪錐面上時，由于滑套上有撥叉的軸向力F和轉速差存在，兩個錐面一經接觸將產生沿周向的摩擦力矩，使同步環相對于滑套轉過1/4花鍵周節，由于加在換擋手柄上的力仍繼續增加，滑套克服彈簧的阻力帶動滑塊繼續前移，使得滑套的齒端斜面壓住同步環的齒端斜面[1]。

此時在力F的作用下，同步環齒端斜面受到一個正壓力N，如圖2所示，左側為同步環，右側為滑套的預同步和同步的兩個位置，將此正壓力分解為軸向分力N1=N×sinδ、周向分力N2=N×cosδ，斜面的鎖止角為δ。其中N1=F，N1使同步環錐面產生正壓力而產生摩擦力矩，N2形成一個撥環力矩，此力使同步環沿原轉動方向相反脫離滑套的齒端斜面，但是摩擦力矩卻要阻止同步環反轉，所以在設計同步環時要保證摩擦力矩大于撥環力矩，且摩擦力矩大于撥環力矩越多，同步器越不容易發生打齒現象，同步器同步時鎖止更可靠[2]。

從以上受力分析中似乎看不出彈簧在鎖止環節發生的作用，實際并非如此。同步器鎖止是靠鎖止角、鎖止接觸面積大小、掛擋力以及摩擦力矩大于撥環力矩等來保證的。在變速器進行換擋時，軸向力F很大，則同步器滑套移動的速度將會變得很快。若如果軸向力F和轉速差提供的摩擦力矩不足以使同步環盡快轉過1/4花鍵周節，那么同步環齒端斜面來不及與滑套齒端斜面接觸，或接觸區域很小，無法承擔足夠大的軸向力F，則滑套就會很快通過同步環齒端斜面的軸向部分直接與同步環的花鍵直齒部分接觸，產生沖擊，并進而走過后備量和嚙合齒輪或結合齒圈的花鍵齒嚙合，這樣就失去了同步環的同步作用而發生打齒。

所以為了避免軸向力F推動滑套軸向移動的速度過大，應該適當增大移動的阻力，但又不應該影響移動的順暢性，其中較為重要的一點就是可以加大彈簧的剛度，以保證壓縮彈簧提供足夠的阻力，保證滑套在軸向力F下的移動速度不至于過快從而使同步環齒端斜面與滑套齒端斜面充分接觸，保證同步過程的可靠進行[3-4]。

2 變速器總成臺架試驗驗證

此問題來源于實踐中，售后市場服務及部分客戶反映某變速器某擋位的同步器故障較多，主要故障現象是同步器掛擋時異響。經研究發現，同步器彈簧的剛度對同步性鎖止可靠性影響很大。文中針對此問題展開深入研究。

通過上面的理論分析，了解了同步器彈簧在同步器中的重要作用。針對出現的同步器異響故障，作者進行了以下試驗[5-6]，將某故障變速器裝在變速器總成試驗臺架上，在變速器二軸端輸入動力，在自動換擋臂桿作用下進行掛擋試驗，調整臂桿的力使其大于某個值使臂桿的移動速度較快，此時就會發生同步器打齒異響，發生清脆的尖叫嚎鳴聲，超過120 dB；去掉自動換擋臂桿連接裝置，改用手動模式，設定好相應擋位換擋時的輸入轉速，進行手動掛擋試驗，當使用較大力去推動臂桿換擋時也存在和自動模式一樣的異響，當使用較小力去推動臂桿換擋時將不發生異響，據此推斷可能為同步器彈簧的剛度不夠。

接著將原變速器故障擋位的同步器中彈簧更換為剛度為原來2倍的同步器彈簧，并保持其自由長度和工作長度不變，將此同步器裝入原變速箱中，其余零件不變,重復上述試驗，分別在手動模式下快速掛擋和自動換擋臂桿作用下快速換擋。通過多次試驗后都無同步器打齒異響情況出現，由此驗證了同步器彈簧的剛度是影響同步器異響的重要原因。

3 整車道路運行試驗驗證

為了驗證上述理論分析結果的正確性，除了進行變速器總成臺架試驗驗證之外，還進行了整車道路運行試驗。進行了3次試驗，都選用同一臺車輛，第一次試驗將原某故障變速器裝到某型號車輛上，進行道路試驗，由專業駕駛員進行手動換擋，結果在原異響擋位發生和變速器臺架試驗一樣的尖叫嚎鳴聲，發生頻率約為9/10；第二次試驗將原變速器故障擋位的同步器中彈簧更換為剛度為原來2倍的同步器彈簧(上述變速器臺架試驗使用的)，由專業駕駛員重復第一次試驗過程，整個過程中沒有發生任何異響，即發生頻率為0；第三次試驗將第二次試驗后的同步器彈簧由2倍剛度的換回原剛度的彈簧，裝入原變速器由專業駕駛員重復第一次試驗過程，結果在原異響擋位發生和變速器臺架試驗一樣的尖叫嚎鳴聲，發生頻率依然為9/10。

由此說明：在整車道路試驗中，使用原剛度的彈簧的同步器會發生打齒異響，當更改為2倍剛度的彈簧后，同步器不會發生打齒異響。此試驗證明：同步器彈簧的剛度對同步器工作可靠性有重要影響，并進而對同步器的功能和變速器的使用產生重要影響。

4 總結

經過以上分析可以看出：同步器彈簧在同步器設計中有著極其重要的作用，同步器彈簧的剛度、自由長度和工作長度設計將對同步器掛擋過程中受力變化，對于同步器空擋位置的確定，以及對同步器同步工作的整個過程都有重要影響，尤其影響預同步和同步過程。設計時應該保證同步器壓簧在不影響掛擋鎖止可靠性的前提下不至于有太大的掛擋阻力，造成同步器靜態掛擋力太大，但當同步器鎖止可靠性受到影響時，則應該以保證鎖止可靠性為前提，再考慮其他的措施降低滑套軸向移動的掛擋阻力，達到鎖止可靠性和靜態掛擋力兩者的統一。

【1】 高維山，張思浦.變速器[J].北京：人民交通出版社，1990.

【2】 馬超圣.汽車變速器同步器[M].成都：汽車雜志社，1990.

【3】 黃旦中.轎車變速器同步器設計和研究[D].上海：同濟大學，2002：1-6.

【4】 劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社，2001.

【5】 全國汽車標準化技術委員會.QC/T 568-2010 汽車機械式變速器臺架試驗方法[S].2010.

【6】 全國汽車標準化技術委員會.QC/T 29063.1-2010 汽車機械式變速器總成技術條件[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

魏小強(1985—)，碩士，工程師，研究方向為汽車變速器設計開發。E-mail：weixq222@sina.com。