機(jī)械式變速器同步器換擋性能的分析

張貴棣

（河海大學(xué)文天學(xué)院）

【摘要】隨著人民生活水平不斷的提高，人民對(duì)于汽車不單是將它作為一種代步的工具，而是對(duì)汽車的駕駛舒適性和操縱穩(wěn)定等性能的要求越來越高，而變速箱性能的好壞直接影響汽車的操縱舒適性、行駛安全性。同步器作為變速箱里面的一個(gè)關(guān)鍵部件，能避免變速箱在換擋過程中引起花鍵的沖擊，提升駕駛員的換擋效率。因此，如何提升同步器換擋的舒適性和性能便成為變速箱同步器研發(fā)的重點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械式變速器 同步器 換擋性能

1.同步器換擋研究背景

21 世紀(jì)是汽車工業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代， 眾所周知， 作為一個(gè)綜合性的工業(yè)， 汽車工業(yè)反映了一個(gè)國(guó)家的綜合工業(yè)水平，每時(shí)每刻都在改變著人類的生活。 在歷史的進(jìn)程中，由工業(yè)化到現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)變中，每個(gè)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)無不都是依靠汽車工業(yè)來完成這一進(jìn)程。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)對(duì)汽車的需求量越來越大，2016年，乘用車共銷售2437.69萬輛，同比增長(zhǎng)14.93%，增幅高于上年7.63個(gè)百分點(diǎn)。另一方面，隨著人民生活水平的不斷提高，人民對(duì)于汽車不單是將它作為一種代步的工具，而是對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性等性能的要求越來越高。因此，近年來各大汽車企業(yè)已將汽車的研發(fā)重心放在提升汽車的質(zhì)量和性能上，以求在汽車市場(chǎng)占領(lǐng)主導(dǎo)地位。作為汽車傳動(dòng)系上的主要部件，變速箱的主要功用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力平穩(wěn)的傳遞給汽車車輪，根據(jù)駕駛員的行駛需要，通過改變里面的傳動(dòng)比來改變行駛的車速。同步器作為變速箱里面一個(gè)關(guān)鍵部件，能避免變速箱在換擋時(shí)引起兩結(jié)合齒輪花鍵沖擊，提升駕駛員的換擋效率，提高齒輪使用壽命。因此，變速箱的性能和使用壽命與同步器的性能和壽命是密切相關(guān)的。所以在保證同步器同步這一基本功能的基礎(chǔ)上， 在變速箱的設(shè)計(jì)初期如何提升同步器的換擋性能便成為同步器研發(fā)的重點(diǎn)。

2.同步器換擋性能研究現(xiàn)狀

變速箱從早期的兩腳離合換擋到后面的簡(jiǎn)單接合套換擋，再到現(xiàn)在的同步器換擋，可以說變速箱換擋經(jīng)歷了從復(fù)雜到簡(jiǎn)單、從慢到快的轉(zhuǎn)變過程。采用同步器換擋能使換擋平順、減小換件嚙合的沖擊、減小換擋時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，如今，幾乎所有的手動(dòng)變速箱都采用了同步器換擋。這樣使得駕駛員在換擋時(shí)能夠操縱更為簡(jiǎn)單、輕便，減輕駕駛疲勞強(qiáng)度， 提高駕駛安全性。因此，為了保證變速箱的質(zhì)量和提高它的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，變速箱制造廠商對(duì)于同步器的性能研究十分的重視。作為變速箱里面最重要的性能測(cè)試，國(guó)內(nèi)外工程師都對(duì)同步器性能開展了廣泛的研究，相關(guān)的研究可以具體到仿真研究和同步器換擋性能試驗(yàn)臺(tái)的研究這兩方面。國(guó)內(nèi)對(duì)于同步器的研究起步較晚，加上國(guó)內(nèi)大部分的同步器技術(shù)都是從國(guó)外引進(jìn)， 同步器的技術(shù)主要還是靠消化吸收，隨著國(guó)內(nèi)自主企業(yè)對(duì)變速箱的投資和研發(fā)力度加大，國(guó)內(nèi)一些高校和學(xué)者也紛紛對(duì)同步器進(jìn)行了研究，并取得了一些研究成果。同步器性能試驗(yàn)作為變速箱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中最重要的試驗(yàn)，受到各個(gè)變速箱制造廠家和主機(jī)廠的關(guān)注。由于同步器的性能試驗(yàn)主要是模擬整車時(shí)的行駛工況，這就要求試驗(yàn)臺(tái)要與整車各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)要求一致。而試驗(yàn)臺(tái)最主要的控制就體現(xiàn)在對(duì)電機(jī)的控制和換擋機(jī)器人的控制，電機(jī)的控制模擬汽車輸出端的慣量和轉(zhuǎn)速， 換擋機(jī)械手主要來模擬人工的換擋，這兩種控制對(duì)于研究同步器的換擋性能有很大的影響。作為汽車工業(yè)的大國(guó)，德國(guó)、日本、美國(guó)這幾個(gè)國(guó)家對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的研究這塊已走在該領(lǐng)域的前端。對(duì)比國(guó)內(nèi)外的研究可以看出，對(duì)于同步器的換擋性能的研究無論是在臺(tái)架還是仿真中都是要建立整個(gè)換擋過程來模擬實(shí)際換擋工況，以便從整體上評(píng)價(jià)同步器的換擋性能。因此，通過建立變速箱的換擋過程模型模擬人工換擋來對(duì)同步器的換擋性能進(jìn)行評(píng)價(jià)依舊是很好的研究課題。

3.同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理分析

目前，在機(jī)械式手動(dòng)變速器中，為了能使換擋響應(yīng)迅速無沖擊， 高汽車的動(dòng)力性和駕駛舒適性，幾乎所有的車中均采用了同步器。變速箱換擋從早期的兩腳踩離合到后期的同步器換擋主要經(jīng)歷了常壓式同步器、慣性式同步器、慣性增力式同步器等幾種類型。當(dāng)前，絕大多數(shù)的變速箱同步器均是采用慣性式同步器。由于它能夠保證變速箱在換擋時(shí)目標(biāo)檔位齒輪轉(zhuǎn)速與齒套的轉(zhuǎn)速在未同步之前不能完成換擋，進(jìn)而能避免造成花鍵的沖擊，因此被廣泛的運(yùn)用到汽車變速箱中。本文以慣性式同步器為例，分析其工作原理。由于慣性式同步器在設(shè)計(jì)時(shí)保證了作用在同步環(huán)上的撥環(huán)力矩小于摩擦力矩，齒套鎖止面與同步環(huán)鎖止面在輸入輸出端的轉(zhuǎn)速未達(dá)到同步前一直貼合，使得齒套的花鍵和同步環(huán)的花鍵不能立即嚙合，因此慣性式同步器能從根本上解決未同步就嚙合這一情況，減少了換擋時(shí)的花鍵沖擊和換擋噪聲。。

4.慣性式同步器換擋過程

換擋過程分為預(yù)同步、同步、撥環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)、自由運(yùn)動(dòng)、連接階段、檔位位置六個(gè)階段。換擋前，由于換擋機(jī)構(gòu)上面一系列的彈性元件使得齒套和撥叉等換擋件處于空擋位置，換擋時(shí)，駕駛操縱者手上的力作用在操縱手柄上，通過一連串的外部換擋機(jī)構(gòu)、拉線等裝置消除相關(guān)的間隙將力傳遞到撥叉上，撥叉再將力傳遞給齒套，作用在齒套上的力使壓在鋼球槽的滑塊發(fā)生移動(dòng)，使得滑塊頂?shù)酵江h(huán)，使同步環(huán)的摩擦錐面和齒圈的摩擦錐面相互摩擦，這時(shí)同步環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，齒套克服鋼球彈簧的彈力向前移動(dòng)并與同步環(huán)的鎖止面相貼合。隨著駕駛員的力加大，這時(shí)兩摩擦面的摩擦加劇，當(dāng)兩者的轉(zhuǎn)速達(dá)到同步后，摩擦力矩消失，同步環(huán)回轉(zhuǎn)一個(gè)角度，齒套與同步環(huán)相嚙合，齒套跨過同步環(huán)，繼續(xù)軸向的移動(dòng)和從動(dòng)齒輪上的結(jié)合齒圈相嚙合，最終完成換檔。慣性式同步器主要有三個(gè)功能機(jī)構(gòu)，分別為定位功能、鎖止功能、同步功能機(jī)構(gòu)。定位功能機(jī)構(gòu)主要指的是齒套上的鋼球槽和滑塊，彈簧組成，主要是在預(yù)同步過程中起作用，鎖止功能機(jī)構(gòu)主要指的是齒套的鎖止角和同步環(huán)的鎖止角，這一機(jī)構(gòu)主要在鎖止過程中起作用，同步功能機(jī)構(gòu)主要有同步環(huán)的摩擦錐面和從動(dòng)齒輪的摩擦錐面組成，主要是在同步過程中起作用，同步機(jī)構(gòu)決定著同步器的性能好壞，是衡量同步器性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。

5.結(jié)束語

由于個(gè)人能力所限，本文并未深入探討，缺乏有效的仿真方法來對(duì)變速箱的換擋性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。我會(huì)把此作為下一研究目標(biāo)，更加投入與此。

參考文獻(xiàn)：

[1]新華網(wǎng)http：//news.xinhuanet.com/auto/2017-01/12/c_1120298824.htm

[2]Loeffler J M. Multiple cone synchronizer for vehi-cle transmission： U.S. Patent 5，560，461.