變速箱同步器換擋過程與失效案例分析

摘要：針對同步器換擋過程中的失效問題，將同步器換擋過程根據同步器設計的關鍵尺寸按階段分解，明確各階段中重要影響參數，總結變速箱設計開發過程中的失效案例，從而解決各種在換擋過程中的失效問題，改進同步器的設計，提升變速箱換擋品質。

關鍵詞：同步器;換擋過程;變速箱

中圖分類號：U463.2文獻標識碼：A文章編號：1005-2550（2020）02-0021-05

李亞娟

畢業于同濟大學車輛工程專業，碩士研究生學歷，現就職于上海汽車集團股份有限公司，主要研究方向為齒軸及同步器設計，已發表《手動變速箱靜態換擋分析及優化研究》、《手動變速箱倒擋卡滯優化研究》。

前言

同步器是手動變速箱和雙離合自動變速箱實現換擋的重要零部件之一，由于離合器輸入端和變速箱輸出端具有轉速差，同步器通過同步環和齒輪錐面產生的摩擦力矩，保證換擋時齒輪和同步器齒套的轉速一致，減少換擋時由于輸入輸出端轉速差導致的沖擊，從而消除換擋時的噪聲，提高換擋舒適性，同步器結構見圖1。

換擋時，駕駛員或者TCU根據駕駛員意圖發出換擋指令，以DCT變速箱為例，DCT變速箱的液壓機構驅動撥叉帶動同步器齒套向檔位齒方向移動，齒套推動滑塊，滑塊彈簧產生的軸向力可以消除同步環摩擦面和齒輪錐面間的油膜，開始建立錐面間的摩擦系數，完成同步器預同步;同步環在產生摩擦力矩時，通過梅角對齒套的軸向移動進行鎖止;當同步完成，摩擦力矩消失，齒套可進一步往前移動，克服軸系的阻力矩，完成齒輪結合齒花鍵的嚙合，從而完成換擋實現扭矩的傳動。

目前，手動變速箱、DCT變速箱出現過進擋打齒、卡滯、二次沖擊、脫檔等失效故障，為解決這些問題，需要更清楚的了解同步器同步的過程，將同步器換擋過程按設計原理進行分解，了解故障發生的位置，從而找到改善的方向。

1同步器換擋過程

同步器從空擋到進擋過程可以分為以下六個階段：空擋、分度、同步、齒套穿過同步環、齒套撥動結合齒、進擋，過程示意見圖2。

空擋時，撥叉在同步器齒套撥叉槽中間，滑塊鋼球在齒套球槽內，此時滑塊和同步環軸向間隙約為0.5-1.2mm，為空擋間隙。同步環摩擦面與齒輪錐面間存在油膜，摩擦扭矩未建立，見圖2（a）。

當變速箱換擋時，撥叉向目標檔位軸向移動，齒套推動滑塊軸向移動，消除滑塊和同步環之間的軸向間隙。此時，滑塊端面與同步環接觸，產生錐面間的軸向壓力，剪切同步環錐面間的油膜，同步環和齒輪錐面之間產生摩擦力矩，見圖2（b）。此時，同步環被摩擦力矩帶起旋轉，而同步環伸出的插腳旋轉后遇到齒轂凹槽壁停止周向運動。齒套花鍵梅角與同步環梅角斜面相對，分度完成，見圖3：

同步階段，齒套在換擋力的作用下，繼續往結合齒方向軸向移動，齒套梅角斜面與同步環梅角斜面頂住，為鎖止狀態，見圖2（c）。此時同步環摩擦面與結合齒錐面間產生摩擦力矩，齒套梅角斜面與同步環梅角斜面產生撥環力矩，設計要求摩擦力矩大于撥環力矩。摩擦力矩使得結合齒轉速與齒套轉速趨于一致，在完全同步前，要保持齒套和同步環的鎖止，否則同步環尚未同步轉速差，齒套往前繼續移動會導致打齒。

同步完成后，同步環和結合齒錐面間的摩擦力矩消失，齒套梅角和同步環梅角的撥環力矩開始起作用，齒套梅角撥開同步環，穿過同步環花鍵齒槽繼續往前移動，在到達結合齒前這一段為自由行程，見圖2（d）。在這段自由行程中，由于變速箱自身的阻力矩以及油液的阻力矩，又會引起新的轉速差。

圖2（e），齒套繼續往前移動，可能會與結合齒的梅角隨機相抵，由于齒套和結合齒又產生新的轉速差，會產牛較大的結合力，因此在齒套撥動結合齒過程易產生二次沖擊的振動和噪聲。如果變速箱拖曳力矩較大，那么此過程二次沖擊也較大。最后，圖2（f）齒套繼續往前移動，與結合齒花鍵嚙合，完成換擋，扭矩可從齒輪經齒套和齒轂傳遞到輸出軸上。

2換擋過程中的失效形式

消費者在體驗車輛時，除了主觀能感受到的造型、內外飾、科技感外，變速箱的換擋性能也是一個影響消費者體驗的重要指標。變速箱在換擋過程中，如設計魯棒性不足、不合理以及零件尺寸控制不嚴會出現磨損、打齒、卡滯、二次沖擊和脫檔等一些列換擋問題。下面便根據換擋過程的幾個階段，分析一些失效案例。

2.1磨損

某手動變速箱在完成同步器換擋耐久臺架后，拆解時發現倒檔撥叉塑封和同步環磨損。但由于該試驗為前進擋換擋耐久試驗，沒有參與工作的倒檔反而磨損，懷疑其換擋系統上尺寸鏈存在問題。

經拆解檢測零件尺寸，發現R檔撥叉的R檔側鉗口圓柱面輪廓度超差嚴重，無法通過檢具，因此在空擋時與選換擋套筒外部圓柱面干涉。此外，撥叉軸孔垂直度超差，會導致撥叉腳往R檔側偏斜。空檔時，選換擋套筒外部圓柱面將撥叉往倒檔方向撥動，導致撥叉腳靠到齒套撥叉槽側壁;R檔齒套旋轉導致撥叉腳塑封磨損，而被吃掉的同步器空擋間隙導致同步環摩擦材料一致處于磨損狀態，導致同步環磨損，此故障出現在同步器工作的第一階段。由于手動變速箱的空擋間隙尺寸鏈較長，在設計時更要細致校核，并在牛產時嚴控相關尺寸。

2.2打齒

某手動變速箱在低溫啟動后，換3、4檔會出現較明顯的“咔嚓”打齒聲，為冷啟動換擋打齒故障，待熱車后又消失，初步判定于油溫有關。為找到此問題的根本原因，通過同步器零部件低溫換擋臺架上進行模擬復現，試驗證明該同步環的紙基碳摩擦面，在低溫下摩擦系數u1會出現不穩定的情況，見圖6：

橫坐標一循環次數;

縱坐標（從左到右）：油溫（℃）、換擋力（N）、摩擦系數u、鎖止位置（mm）、轉速差（1/min）

而摩擦系數u1與梅角面鎖止安全性有關，如果u1過低，導致同步環無法鎖止齒套，齒套繼續往結合齒方向移動，導致打齒。后續將同步環摩擦面更換為碳顆粒摩擦材料后，消除低溫下摩擦系數不穩定，打齒現象消失。此故障在換擋過程的第三個步驟中出現，為同步過程中鎖止失效導致打齒。

2.3卡滯

在第5階段齒套撥結合齒過程中，易發齒套和同步環卡滯導致的虛進擋故障。比如某DCT變速箱，在1檔進擋時有客戶抱怨車輛起步加油門無動力脫檔的現象。數據顯示，在1000N換擋力下，撥叉瞬間有很大變形，使軟件誤判進擋到位，踩油門后便立刻報故障脫擋。按測試曲線中的撥叉行程分析，1檔由于在靜態掛擋時，在齒套撥結合齒這一階段，齒套倒錐倒角與同步環梅角棱邊頂住，如圖7所示。使同步環產生一軸向力預壓結合齒錐面，產生一摩擦力矩，此時結合齒被撥正時，需要同時克服拖曳力矩和摩擦力矩，導致進擋力急劇增加，引起撥叉變形，使軟件誤判進擋到位。駕駛員踩油門后，由于實際齒套和結合齒花鍵沒有嚙合而立刻脫檔。

為解決此問題，將一檔三錐同步環增加預磨.合，減小同步環錐面抱死風險。并將齒套1擋側倒錐倒角后移1.5mm，避開同步環梅角棱邊位置，消除頂住同步環而產生的卡滯。該方案實施應用后，此類虛進擋的脫檔故障率由6.33‰降至1.07‰以下。

2.4二次沖擊

在齒套撥動結合齒的過程中，手動變速箱易產生二次沖擊的問題，這是由于在同步環鎖止消除后，齒套繼續往前移動，由于變速箱的拖曳阻力矩，齒套和結合齒之間又產生新的轉速差，拖曳力矩越大，轉速差越大，從而在齒套遇到結合齒花鍵時，導致的二次沖擊越大。某手動變速箱由于二次沖擊大于行業標準，如圖8所示（2檔換3檔），經變速箱加裝轉速傳感器測量發現，第四階段自由行程時出現142rpm的轉速差，從而換擋力又一次增大，形成二次沖擊。

橫坐標：時間（s）

縱坐標（從左到右）：行程（mm），轉速差（rpm）

為研究二次沖擊的影響因素，對變速箱換擋機構及同步器進行影響因素分析，經各方案設計及裝車驗證實測表明：換擋機構的拉索接頭改為軟接頭、合理增加配重塊質量、選換擋detent及凸輪型線更改以及同步器滑塊力增大、齒套梅角政為不對稱設計等方案有改善二次沖擊的作用，其中齒套梅角偏置0.4mm后，自由行程縮短，轉速差也降低明顯，數據見表1。經測試，采用偏梅角的齒套方案，其二次沖擊為43%，與對稱梅角方案的61%相比，降低29.5%，主客觀換擋性能得到改講。

2.5脫檔

在換擋最后階段，同步器齒套花鍵與結合齒花鍵嚙合，完成扭矩的傳遞，由于齒套和結合齒上倒錐角的作用下，扭矩會轉化為軸向的鎖止力，從而防止變速箱脫檔。

某變速箱在改型設計時，為提升加速性，增大了一檔的速比，在齒軸耐久試驗時，一檔發牛脫檔故障。經零件尺寸檢測發現，一檔結合齒倒錐角度基本處于圖紙設計下差，這是由于一檔結合齒為片狀設計，在齒輪焊接結合齒后進行熱處理，結合齒倒錐產牛角度變形所致。因此，將結合齒和齒套的倒錐角從3°±0.5°增加到4°±0.5°后，脫檔故障消失。

因此，結合齒和齒套倒錐角若設計下限值較小，易引起脫檔故障，導致整車行駛過程中動力中斷，設計值建議在4°-5°之間。此外，結合齒和齒套花鍵嚙合的重合長度過短也會引起脫檔，要求重合長度理論計算值大于0.9mm。

4結論

本文從同步器換擋過程各階段出發，將各階段的設計要點與常見失效案例相結合，分析了與同步器設計相關的打齒、卡滯、二次沖擊和脫檔故障的相關影響因素，并給出了有效的解決方案。

1）同步器打齒與變速箱油品、同步環摩擦材料的摩擦系數穩定性相關，岡此在變速箱換擋耐久臺架試驗前，要充分進行油品與摩擦材料的系列認證試驗。

2）同步環卡滯經常出現在多錐的碳摩擦材料同步環上，因此多錐同步環的防抱死安全系數要按照經驗留有余量。

3）同步器設計時要考慮結合齒、同步環、齒套三者之間的動態位置關系，避免同步環與齒套倒錐角結束時的干涉，避免發生此處的換檔卡滯故障。

4）手動變速箱的二次沖擊主要原因為自由行程產生的轉速差，減少自由行程可以減少二次沖擊的發生。減少自由行程的主要方法有：齒套、同步環或者結合齒梅角采用偏梅角設計;齒套花鍵設計為長短齒，長齒可以先與結合齒結合，而短齒仍對同步環梅角進行鎖止，進而可以減短自由行程的長度。

5）齒套和結合齒的倒錐角設計要考慮到熱處理變形的影響，且多錐同步器的齒套和結合齒的掛檔嚙合長度要格外關注，避免發牛掛上檔后的脫檔故障。

因此，深入分析同步器換擋過程的動態尺寸鏈，可以有效避免以上故障模式的出現。