變速箱雙錐同步器燒環問題解析及改善對策

于毅

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變速箱雙錐同步器燒環問題解析及改善對策

于毅

（武漢協和齒環有限公司，湖北 武漢 430000）

文章介紹變速箱雙錐同步器結構及其工作原理，結合售后市場頻繁反饋的燒環案例，分析故障發生機理并給出解決方案和建議。

雙錐同步器；非穩定性的同步狀態；燒蝕

1 手動變速箱及同步器

汽車變速箱的用途是改變發動機傳送過來的轉速和扭矩，使汽車在各種工況下能正常運轉，比如啟動、爬坡、轉彎、加速及倒車等等。

汽車變速箱主要有手動及自動兩大類，本文中討論的是手動及雙離合變速箱里的同步器。

圖1 手動變速箱及同步器

變速箱通過撥動換擋桿，使同步器向左或右移動，選擇大小不同的齒輪組合，從而改變驅動輪的轉矩和轉速，將發動機的動力傳遞給輸出軸及差速器。（如圖1所示）

這里談及的同步器是MT，AMT及DCT變速箱內的關鍵總成，對換擋可靠性、舒適性等有重要的影響，其機構如下圖所示。

圖2 同步器結構

根據變速箱的結構布置以及換擋性能核算的結果，同步器通常有三錐、雙錐及單錐三種結構分別應用于1/2檔、3/4檔或其它檔位。

2 問題解析與改善

2.1 雙錐同步器的應用及優缺點

受空間尺寸的影響，目前不少的變速箱都使用了雙錐同步器，比如，大眾DQ200的4檔、長城GW002的3/4檔、GW001的 1/2檔、JAC MF20B的3/4檔、Getrag N720 的3/4檔等。原因在于相對于單錐同步器而言，雙錐同步器的換擋力減少了50%，同步容量增加了1倍；與三錐同步器相比既解決了1/2檔與3/4檔換擋力突變的問題（如果3/4檔使用單錐的話，換擋力有陡然加大的感覺，換擋舒適性受影響）而且還有一定的成本優勢。

圖3 三錐同步器結構

圖4 雙錐同步器結構

圖5 單錐同步器結構

如圖4所示，雙錐同步器與三錐同步器相比，其內環沒有內錐，與結合齒輪在徑向通常設計有一定的間隙。

但實際使用過程中我們經常接受到來自市場上的不良反應，最典型的就是零公里或售后短里程出現燒環現象。

2.2 燒環現象描述

如下圖所示，這是某客戶處頻繁發生的燒環案例，屬于3/4檔同步器，下線零公里及售后1000公里內的燒環比例達到0.07%。

圖6 典型燒環案例

主要特征如下：

（1）同步器內環的外錐面的螺紋嚴重磨損，甚至出現沿軸向的細小裂紋；

（2）中間環整體發黑、燒蝕；

（3）同步器外環螺紋嚴重磨損，內外環卡爪卡口耦合處失去后備量；

（4）檢測中間環的直徑通常會有0.4-0.5mm的收縮。

正常情況下，這種燒環的概率在0.01%-0.03%，個別項目出現的比例0.1%或更高，其后果是掛檔時有嚴重的異響甚至無法掛進。

這種失效概率看起來小，而對于汽車最終用戶而言就是100%痛苦，所以，常常引起駕乘者的強烈抱怨。

也正是由于失效幾率小，缺陷的再現與分析就非常困難，一直困擾著變速器及同步器廠家。

結合多年的實際經驗，對雙錐同步器燒環問題如下分析：

2.3 失效機理分析

在市場上很少反饋單錐同步器及三錐同步器有燒環的現象，為什么雙錐同步器表現這么突出呢？這與雙錐同步器的結構和工作原理有關：

2.3.1雙錐同步器結構

如下圖所示，左邊是雙錐結構，右邊是三錐結構：

圖7 雙錐、三錐同步器結構

二者的差異表現為：

（1）對于雙錐結構而言，內環與結合錐在徑向有0.5mm左右的間隙，依靠內外環的耦合及中間環來進行徑向定位，沒有來自錐面的徑向支撐；在軸向內環大端面與結合齒端面有0.5mm左右的間隙；

（2）對于三錐結構而言，軸向大端面與結合齒的間隙通常在1.2-1.5mm，徑向由結合齒輪錐定位（預同步及同步過程中無間隙）。

2.3.2雙錐同步器的工作原理

雙錐齒環工作時，撥叉帶動齒套前移（比如0.5mm左右），滑塊推動外環及內環移動，內環外錐面與中間環接觸、內環大端面與結合齒端面接觸，于是內、中、外三個同步器齒環間的相互摩擦建立起來，從而進入預同步及同步過程。

2.3.3雙錐同步器的結構缺陷

（1）徑向缺少定位，靠中間環及結合齒端面支撐，內環運轉的平穩性差，易出現偏擺、晃動，可能與結合齒輪在徑向產生干涉，建立起非正常摩擦，表現出來的外觀現象是內環的內錐面有擦痕。

（2）由于軸向間隙0.5mm遠小于三錐或單錐同步器的間隙（1.2-1.5mm），來自軸向的尺寸公差稍有偏差或齒環運轉過程中的跳動加大，都可能導致齒環提前進入同步或預同步狀態。

分析該類失效零件時，請重點關注：

（1）換擋限位結構的缺陷：公差是否過大，建議單邊0.3mm以內；

（2）撥叉桿的相互干涉：不同檔位的撥叉桿能單獨自由運動，互不干涉；

（3）結合齒端面的跳動：會影響到與同步內環端面的接觸，小于0.05；

（4）同步器齒環的組件高度差:該值過大會引起預同步的提前進行；

（5）滑塊與外環凸臺的空檔間隙：適當的空檔間隙能緩解軸向其它公差不一致時帶來的負面影響。

2.4 改善方法與建議

針對雙錐結構的設計缺陷，可以采取如下措施，降低燒環風險：

（1）適當增加內環與結合齒間的徑向間隙，建議設計為單邊0.5mm；

（2）合理設計軸向間隙，尤其是內環端面與結合齒端面的間隙，建議在0.5mm以上；滑塊與外環凸臺的預同步間隙適當增大（建議0.8mm以上），防止因換擋鎖止結構間隙大帶來過大的撥叉偏移，從而讓同步器進入非正常的預同步或同步狀態。

以上改進措施都能積極地正向地減少燒環的幾率，根據目前的統計數據燒環比例能控制在0.01%就是一個比較正常的水準。

（3）通過新的摩擦材料的應用和設計優化，利用單錐結構代替雙錐結構，比如使用貼碳的同步環并調整錐角的大小，確保同步容量的損失不大（控制0.04左右）或者，用三錐同步器的結構代替雙錐同步器，這兩種方式應該是徹底解決此類燒環問題的最好選擇。

目前，我們的做法是在同步器設計階段就與客戶闡明雙錐同步器利與弊及風險點，希望在概念設計過程中就把問題規避掉。

在具體的項目應用案例中，通過調整軸向、徑向間隙甚至調整同步器結構等在不同的客戶處都取得了相當的效果，因涉及到客戶的核心技術，在此不便過多舉例說明。

3 結語

雙錐同步器有換擋性能優（相對于單錐同步器）、成本低（相對于三錐同步器）等優點，但存在由于自身結構的問題帶來的同步過程中的運轉不平穩、對相關配偶件的尺寸要求高，導致售后市場經常抱怨燒環問題的出現。我們必須正視雙錐同步器存在的問題，在設計過程中盡可能地優化參數，確保徑向和軸向的間隙足夠克服齒環在非穩態的運轉過程中的變差，減少失效幾率；也可以通過在初期設計中改變同步器結構方式來預防燒環問題的產生。

[1] [德]Harald Naunheimer 等.汽車變速器理論基礎、選擇、設計與應用[M].機械工藝出版社.

[2] 高維山,張恩浦.汽車設計叢書變速器.人民交通出版社.

Analysis & Solution for the Burning of Double Cone Synchronizer

Yu Yi

（Wuhan Kyowa Synchronized Ring co., LTD, Hubei Wuhan 430000 )

This article introduce the double synchronizer’s structure and working principle, analyze the ring burning mechanism and propose how to solve this problem based on the failure cases happened frequently in after _sales market.

double synchronizer; unstable synchronization; burning

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.058

U463

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1671-7988(2019)10-169-03

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于毅（1968-），男，高級工程師，碩士，先后就職于代傲同步技術（德國獨資）、武漢協和齒環（中日合資）等公司，從事技術及質量等方面的研究工作。