汽車用多錐同步器卡滯解決方案

汪旭兵

摘 要：同步器系統(tǒng)是汽車中用于換擋的機(jī)構(gòu)，大量使用于手動(dòng)變速器、AMT、雙離合變速器和兩檔式減速箱。車輛的換擋感覺與同步器系統(tǒng)的性能有很大關(guān)系。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某品牌手動(dòng)變速器產(chǎn)品開發(fā)為例，采用導(dǎo)向齒的設(shè)計(jì)方案，解決了多錐環(huán)同步器卡滯的問(wèn)題，提升產(chǎn)品性能，滿足客戶需求。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)向齒；正常齒槽；導(dǎo)向齒槽；倒錐；尾錐；卡滯

1 引言

目前，汽車使用客戶群對(duì)汽車駕駛以及使用的舒適性要求越來(lái)越高。整車廠對(duì)變速器的換擋舒適性要求也隨之提升。我司為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)于換擋舒適性和緊湊型空間的要求，陸續(xù)推出了全新的120Nm～280Nm扭矩的六檔變速器，全部采用了高容量貼碳鋼環(huán)同步器系統(tǒng)。貼碳環(huán)目前也是國(guó)外使用的主流。但是，我司在開發(fā)過(guò)程以及售后市場(chǎng)也發(fā)現(xiàn)了一些使用缺陷。其中，多錐同步器的檔位換擋卡滯現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為了解決此問(wèn)題，我們進(jìn)行了大量的分析工作，目前發(fā)現(xiàn)有一種較好的同步器系統(tǒng)可以解決此問(wèn)題。

2 換擋卡滯現(xiàn)象

在某款250Nm橫置MT上，客戶反饋一檔起步脫檔。在起步換一檔時(shí)，可以感覺到換擋接近完畢時(shí)有較大的阻力，以為是換擋完畢后的碰壁力，故松開換擋手柄。松離合加油起步時(shí)，手柄從檔位脫出，造成脫檔故障。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的頻次約為4%。根據(jù)客戶描述，我司對(duì)問(wèn)題進(jìn)行復(fù)現(xiàn)及排查，GSA測(cè)試曲線見圖1，復(fù)現(xiàn)了客戶的抱怨問(wèn)題。

3 換擋卡滯原因分析

如圖1所示，測(cè)試工況為模擬客戶開車工況，怠速空擋掛1檔。測(cè)試條件：離合器完全分離后，2s內(nèi)完成進(jìn)擋；退擋后，松開離合器踏板，保持2s后，重復(fù)測(cè)試。測(cè)試完畢的GSA曲線可以復(fù)現(xiàn)客戶描述的問(wèn)題。圖1中紅圈1為最大換擋力，出現(xiàn)在手柄25mm左右位移處，此為同步力和系統(tǒng)阻力的合成力；紅圈2為部分換擋出現(xiàn)了二次沖擊力，出現(xiàn)在45mm左右位移處；紅圈3為換擋接近完畢階段出現(xiàn)的突然增大的阻力，在60mm左右位移處；紅圈4為換擋完畢點(diǎn)，在75mm左右位移處。曲線明顯的表示，在接近換擋終止點(diǎn)產(chǎn)生了約為70N左右的阻力，已經(jīng)大于40N的同步力，產(chǎn)生了卡滯點(diǎn)，容易讓人感覺到換擋到位并撤去換擋力。同步時(shí)的最大力（紅圈1）出現(xiàn)在整個(gè)行程約33%位置，卡滯力（紅圈3）出現(xiàn)在整個(gè)行程的80%位置。通過(guò)判斷，卡滯力出現(xiàn)的位置為齒套梅角撥結(jié)合齒梅角的階段，見圖1。

此變速器1檔為三錐環(huán)同步器系統(tǒng)，產(chǎn)生卡滯的因素主要考慮兩點(diǎn)：一為錐面角度設(shè)計(jì)不合理發(fā)生自鎖的風(fēng)險(xiǎn)；二為摩擦系統(tǒng)被結(jié)構(gòu)干涉造成摩擦系統(tǒng)分不開，需要極大的撥環(huán)力才可以撥開，形成卡滯。首先分析摩擦系統(tǒng)摩擦系數(shù)問(wèn)題。1檔同步環(huán)為三錐貼碳摩擦系統(tǒng)，摩擦系數(shù)范圍為0.1-0.14，錐角的設(shè)計(jì)為8.5°，自鎖安全系數(shù)通過(guò)計(jì)算為1.07-1.5，錐面角度設(shè)計(jì)符合要求。其次從同步器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要分析撥結(jié)合齒的過(guò)程中，同步環(huán)與其他零件之間的關(guān)系。圖2是1檔的換擋過(guò)程分析圖。因兩個(gè)梅角面的撞擊是隨機(jī)的，所以分析時(shí)，定義了兩個(gè)位置進(jìn)行分析。撥結(jié)合齒1時(shí)，同步環(huán)和齒套的倒錐面接觸，同步環(huán)沒有受到軸向壓力。撥結(jié)合齒2時(shí)，同步環(huán)梅角尖點(diǎn)與齒套倒錐尾部的交接處接觸。同步環(huán)會(huì)受到齒套的軸向壓力，力的大小隨著齒套軸向推力的變大而增大。同步環(huán)在軸向力的作用下產(chǎn)生摩擦力矩，撥結(jié)合齒時(shí)需要克服此摩擦力矩，產(chǎn)生較大的換擋阻力。多錐環(huán)由于錐面多，同樣壓力下產(chǎn)生的摩擦力矩較大，需要的撥環(huán)力矩也大，故多錐環(huán)同步器產(chǎn)生卡滯的概率更高。

4 解決措施

從產(chǎn)生卡滯的原因來(lái)看，同步環(huán)與齒套的尾錐在撥結(jié)合齒過(guò)程中發(fā)生干涉，導(dǎo)致多錐同步環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的摩擦力矩。如何消除或者減小在撥結(jié)合齒過(guò)程中產(chǎn)生較大的摩擦力矩，是我們解決卡滯的根本。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，可以解決問(wèn)題的同步器結(jié)構(gòu)主要有兩種：一為倒錐尾部加長(zhǎng)，使得撥結(jié)合齒過(guò)程中同步環(huán)與齒套沒有干涉產(chǎn)生；另一種結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向齒結(jié)構(gòu)。尾錐加長(zhǎng)方案可以有效解決卡滯問(wèn)題，但是會(huì)帶來(lái)齒套與齒轂接觸不穩(wěn)定，甚至于脫檔的風(fēng)險(xiǎn)。而導(dǎo)向齒結(jié)構(gòu)無(wú)此風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)向齒結(jié)構(gòu)同步器，指的是同步器齒套齒轂和同步環(huán)的花鍵槽或者齒具有兩種不同的齒槽寬或者齒厚。齒套中齒槽寬大的兩邊齒齒厚小，設(shè)計(jì)中沒有倒錐，只有齒槽寬小的兩邊齒才有倒錐，齒轂和同步環(huán)的花鍵齒均與齒套兩種齒槽匹配設(shè)計(jì)。

圖3中所示齒套上齒厚較小的齒，稱之為導(dǎo)向齒。同時(shí)齒轂和同步環(huán)有較小的齒槽與之匹配。具體的功能可以從換擋過(guò)程圖進(jìn)行分析。

在撥結(jié)合齒階段，同步環(huán)導(dǎo)向齒S1齒厚的一側(cè)貼著導(dǎo)向槽E1的一側(cè)齒套，同步環(huán)非導(dǎo)向齒S2齒厚的一側(cè)與非導(dǎo)向槽E2的倒錐部分是留有間隙，S2另一側(cè)與E2的另一側(cè)留有間隙。這樣的設(shè)計(jì)，可以避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)因?yàn)橥江h(huán)與齒套尾錐的干涉而產(chǎn)生摩擦力矩。使得整個(gè)換擋過(guò)程中，除了預(yù)同步和同步階段，同步環(huán)的錐面產(chǎn)生摩擦力矩外，其余階段均不再產(chǎn)生，可有效解決自由滑行階段和撥結(jié)合齒階段需要二次撥同步環(huán)的過(guò)程，消除卡滯。除了消除卡滯，可減小因?yàn)閾芡江h(huán)產(chǎn)生的主被動(dòng)端角速度差，并減小二次沖擊。

5 導(dǎo)向齒設(shè)計(jì)

導(dǎo)向齒的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，不僅需要兼顧幾個(gè)齒槽寬之間的關(guān)系，還要考慮到零部件的強(qiáng)度問(wèn)題以及生產(chǎn)制造的工藝水平。為了比較清晰的解釋，我們規(guī)定幾個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行說(shuō)明。如圖4所示，E1定義為齒套的導(dǎo)向槽的槽寬，E2定義為齒套正常槽的槽寬，E3定位為倒錐尾部的槽寬，S5定義為齒套梅角與倒錐交接處齒厚。S1定義為同步環(huán)的導(dǎo)向齒齒厚，S2定位為同步環(huán)的正常齒齒厚。S3定義為齒轂的導(dǎo)向齒齒厚，S4定義為齒轂的正常齒齒厚。

為了使齒套換擋完畢后，齒套的倒錐和結(jié)合齒的倒錐能夠順利的嚙合，必須保證倒錐在貼合后，齒套的導(dǎo)向齒（無(wú)倒錐）不能與結(jié)合齒的倒錐面接觸，設(shè)計(jì)導(dǎo)向齒時(shí)需第一考慮的原則問(wèn)題。結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)上，保證齒套尾錐的齒槽寬E3

E2+S6=π*m 公式一

E3+S5-2*（L1-S5/2*Ctg（β/2））*Tg（α）=π*m 公式二

S5=S6-（0.05～0.15） 公式三

公式三中，S5小于S6尺寸0.05～0.15，這是制造精度造成的，在齒套加工中稱作倒錐的減薄量。根據(jù)加工工藝不同，銑倒錐可以按照減薄量0.05左右選取，擠倒錐齒可以按照0.15左右選取。

為了推導(dǎo)出E3和E2的關(guān)系，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，β的取值設(shè)定在84°～120°之間，α的取值范圍設(shè)定在3°～4.5°之間，模數(shù)取1.5～2，L1取4～5.5，并假設(shè)E2=S6，S5=S6-0.1。將取值按照中值代入到三個(gè)公式中，可以得到：E2=2.7475，E3=3.2975，則E3-E2=0.55。按照中值計(jì)算，正常齒齒槽寬E2比尾錐部位的齒槽寬E3小0.55左右。由E2和E3的關(guān)系，可以確定E2和E1的關(guān)系。考慮到倒錐齒的對(duì)稱度以及花鍵制造精度，E1定位大于E2齒槽寬0.7左右。

同時(shí)為了保證同步器系統(tǒng)的強(qiáng)度問(wèn)題，需要盡量保證齒轂與齒套的接觸齒數(shù)。齒套與齒轂、齒套與同步環(huán)，導(dǎo)向齒之間的側(cè)隙設(shè)計(jì)值需要等于正常齒之間的側(cè)隙值。這樣的設(shè)計(jì)才能保證導(dǎo)向齒和正常齒都能傳遞扭矩，共同接觸。

在設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注倒錐齒的加工方法。對(duì)于同樣的花鍵參數(shù)，采用銑齒及感應(yīng)淬火的工藝，可以將齒套齒厚減薄量留小一點(diǎn)（0.05左右），擠齒及壓淬工藝，齒套齒厚減薄量需要留大點(diǎn)（0.15左右）。其余的齒槽寬或者齒厚均需要根據(jù)減薄量的大小進(jìn)行調(diào)整。如果在設(shè)計(jì)或者制造中不關(guān)注此處，會(huì)造成齒套倒錐留有直線段（即白斑）問(wèn)題，造成使用中發(fā)生跳檔的風(fēng)險(xiǎn)。

6 導(dǎo)向齒的效果

目前，在某些項(xiàng)目中已經(jīng)設(shè)計(jì)了導(dǎo)向齒方案。通過(guò)換擋性能評(píng)估和測(cè)試，效果非常明顯。圖6為某款變速器1檔更改前后的GSA測(cè)試圖。更改前卡滯（圈圖所示）非常明顯，出現(xiàn)的幾率和力值比均很高。改為導(dǎo)向齒后，卡滯現(xiàn)象完全消失（圈圖所示）。此改進(jìn)說(shuō)明，解決1檔多錐同步環(huán)卡滯的理論和設(shè)計(jì)方法是正確的，導(dǎo)向齒結(jié)構(gòu)可以有效消除卡滯現(xiàn)象。

7 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合解決實(shí)例，確定了多錐環(huán)同步器系統(tǒng)采用導(dǎo)向齒設(shè)計(jì)，可以有效的解決換擋卡滯問(wèn)題。并通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和公式推導(dǎo)，制定了導(dǎo)向齒設(shè)計(jì)的原則，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，滿足客戶需求。導(dǎo)向齒設(shè)計(jì)具有成本低、風(fēng)險(xiǎn)小的優(yōu)勢(shì)，是一種解決多錐環(huán)同步器卡滯的好方法。