汽車變速器換擋打齒現象分析及優化設計

■常州鐵道高等職業技術學校 （江蘇 213011） 許紅丹

1.變速器同步器工作原理

汽車變速器是通過齒輪間的相互嚙合實現變速的，變速器在執行換擋的過程中，應當使準備嚙合的那一對齒輪的結合齒圈的圓周速度達到一致，才能平順地掛上擋。否則，兩個齒輪齒圈間會相互沖擊，并發出噪聲，造成齒輪嚙合區域磨損加快，不僅很難順利掛上擋，而且也會影響齒輪的壽命，多次打齒后，就會造成磨損加劇，掛擋時，齒輪咬合不徹底，在汽車的行使過程中，遇到振動就容易出現掉擋現象，嚴重影響駕駛，并造成安全隱患，這時，汽車變速器就必須大修，代價顯而易見。所以，現代汽車變速器在常用的各擋位間都裝有同步器，同步器提升換入擋位的齒輪的轉速，將其轉速提升至和輸出端齒輪速度同步，這樣使相互嚙合的一對齒輪先同步后嚙合，從而降低汽車變速器的噪聲，消除換擋時齒輪嚙合的沖擊，實現平穩可靠、迅速地換擋動作，避免發生打齒現象。齒環式同步器因其具有零件數量少、同步時間短、同步容量大和制造成本較低等優點，被廣泛地應用于各種汽車的變速器上。

該手動變速器在三擋、四擋和五擋均使用單錐面同步器。這套單錐面同步器的結構如圖1所示。

如圖1所示，從原理上來分析，整個同步器的主要同步過程就是通過同步環的內錐面和結合齒的外錐面間的摩擦，克服結合齒和傳動軸的速度差，當速度差消除后，結合齒通過同步器與傳動軸完成連接的過程。

由于本文主要討論同步環內錐面和結合齒外錐面的配合情況，所以省略了同步器總成中的其他零部件及其作用。

圖1 單錐面同步器的結構

2.變速器故障問題描述

我們拆解了存在四換三打齒現象的變速器，通過分析，發現了兩個問題：①二軸三擋齒錐面接觸痕跡異常，錐面嚙合區域受力不均（見圖2a）。②三擋同步器齒環結合齒嚙合痕跡異常，左齒面根部和右齒面有明顯接觸痕跡（見圖2b）。

3.變速器失效情況分析

針對故障變速器的以上情況進行失效原因分析，分析魚骨圖如圖3所示。

針對以上引起同步器失效的原因，逐一進行分析。

（1）我們對同步環、二軸三擋齒和三四擋同步器齒套等相關零部件進行了尺寸、材質檢測，經檢測，相關零部件的尺寸和材質完全合格，初步排除由零件質量問題引起的故障原因。

（2）錐面嚙合長度分析。同步環與結合齒的內外錐面貼合后，由于要求同步環與結合齒的接觸靠大端，所以同步環的大端磨損比較嚴重。運行一段時間后，大端螺紋的全齒高磨損相對嚴重，尺寸鏈上同步環的小端如果有露出結合齒小端部分情況存在的話，小端螺紋的全齒高可能會高出大端嚴重磨損的螺紋全齒高，逐漸形成臺階，如圖4所示。當同步環和結合齒再次配合時，這個小端螺紋處的臺階可能頂在結合齒小端的端面上，導致同步環的錐面無法很好的貼合結合齒的錐面，最終致使同步環和結合齒的錐面無法很好的貼合摩擦，引起同步環打齒現象的發生。

通過對錐面嚙合長度尺寸鏈計算發現，在極限狀態下，三擋同步器齒環錐面有限長度長于三擋結合齒環錐面，Max0.54mm，計算如圖5所示。

通過故障總成的零件測量數據做尺寸鏈，分析發現三擋同步器齒環錐面有效長度長于三擋結合齒環錐面，為0.3mm，計算如圖6所示。

圖2

圖3 故障分析魚骨

通過以上對該項目發生打齒的三擋同步器的同步環和結合齒的沿錐面貼合接觸尺寸進行的計算，結果表明，在極端惡劣情況下，同步環錐面小端可能超出結合齒小端0.54mm。按照上面的理論有可能導致打齒現象發生的。

（3）對同步軸向分力和撥環分力進行分析。齒套梅角角度（100°）小于同步環結合齒梅角角度（120°），兩者接觸時非面接觸，導致齒套推動同步環推力減小，影響同步效能。齒套梅角切入點位置存在差異（和缺陷描述2吻合），在二擋換三擋時齒套結合齒與三擋同步器齒環接觸距離長，軸向推力接續時間長；四擋換三擋時，齒套結合齒與三擋同步器齒環接觸距離短，軸向推力持續時間短，造成同步效率下降，易產生四擋進三擋打齒。如圖7所示。

4.優化改進方案的確定

（1）使齒輪結合齒錐面嚙合長度大于同步環錐面嚙合長度。如圖8所示，通過增大同步環小端的倒角AE，來減小EB的長度；通過減小結合齒小端的倒角CG，來增大GD的長度，使EB小于GD的長度，以達到減小臺階產生的可能性。

圖4 臺階形成

圖5 三擋錐面嚙合長度計算

圖6 故障零件錐面嚙合長度計算

圖7

原圖樣上AFE的倒角長度為0.5mm，CG的倒角長度為0.5mm，將同步環的有效貼合長度EB減去結合齒的有效貼合長度GD后，最壞的情況是同步環超出結合齒0.54mm。如果將AFE的倒角長度改為0.8mm，CG的倒角長度改為0.2mm，則最不理想時，同步環超出結合齒0.06mm，完全符合要求。

（2）增大軸向分力，減小撥環分力。原三四擋齒套三擋側梅角角度為100°，現改為120°。由計算公式可以看出（見圖9），撥環力F1＝F×cot50°變為F×cot60°，明顯較小；軸向分力F2＝F×tan50°變為F×tan60°，明顯增大。

圖8 嚙合面

圖9 力的計算

這樣，摩擦錐面的壓力就增大，摩擦力也增大，同步時間就會縮短，同步效果就會大大增強，不易產生打齒現象。

5.效果驗證

抽取另外幾臺三擋打齒變速器，更換優化過的三擋同步環、三擋齒輪和三四擋齒套，重新裝車驗證后，再無打齒現象發生。

對同步器優化以后，未再出現四換三打齒現象，所以，針對該同步器的優化取得了成功，對其他類型變速器打齒現象的解決也起到了很好的借鑒作用。