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(法士特汽車(chē)傳動(dòng)工程研究院設(shè)計(jì)所，陜西710119)

同步器掛檔異響原因分析及改進(jìn)方案研究

常娟魏小強(qiáng)

(法士特汽車(chē)傳動(dòng)工程研究院設(shè)計(jì)所，陜西710119)

摘要：某重型變速器鎖環(huán)式同步器在換擋壽命試驗(yàn)中有異響現(xiàn)象。通過(guò)分析同步器的工作原理，列出可能造成異響的原因，有針對(duì)性地提出改善方案，最終成功解決換擋異響，并通過(guò)了疲勞壽命試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：同步環(huán)；彈簧；噴鉬

1同步器工作原理

鎖環(huán)式同步器工作原理的實(shí)質(zhì)是通過(guò)摩擦使被接合件與結(jié)合件轉(zhuǎn)速同步后換擋，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

操縱機(jī)構(gòu)通過(guò)換擋撥叉，推動(dòng)滑套離開(kāi)空擋位置作軸向移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)滑塊一起軸向移動(dòng)。當(dāng)滑塊端面與同步環(huán)端面接觸時(shí)，推動(dòng)同步環(huán)向結(jié)合齒圈的錐面移動(dòng)。由于轉(zhuǎn)速差的存在，兩錐面一接觸便會(huì)相互摩擦，產(chǎn)生摩擦力。此摩擦力迫使同步環(huán)相對(duì)于滑套周向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，滑套內(nèi)花鍵的齒端倒角面與同步環(huán)相應(yīng)的齒端倒角面正好互相抵觸，滑套不能繼續(xù)前進(jìn)，同步環(huán)與結(jié)合齒圈錐面上的正壓力不斷增加。此時(shí)若要滑套內(nèi)花鍵穿過(guò)同步環(huán)的外花鍵齒圈，必須使同步環(huán)相對(duì)于滑套周向退回一個(gè)角度。此時(shí)換擋未完成，操縱機(jī)構(gòu)施加給滑套的軸向力F持續(xù)存在，使滑套內(nèi)花鍵齒端倒角面壓緊同步環(huán)外花鍵齒端倒角面(鎖止角) ，如圖2所示，因此在兩部件接觸的鎖止角斜面上作用有法向壓力N。壓力N可分解為切向力和軸向力。切向力所形成的力矩使同步環(huán)相對(duì)于滑套周向回轉(zhuǎn)，稱(chēng)為撥環(huán)力矩T。軸向力則使同步環(huán)與結(jié)合齒的錐面接觸并不斷壓緊，產(chǎn)生摩擦力矩Tt，使二者轉(zhuǎn)速迅速接近。當(dāng)兩者轉(zhuǎn)速相同時(shí)，摩擦力矩Tt消失，兩錐面緊密貼合，同速旋轉(zhuǎn)。而此時(shí)切向力形成的撥環(huán)力矩T依然存在，該力矩使同步環(huán)及與同步側(cè)齒輪相連的所有零件一起相對(duì)于滑套周向退轉(zhuǎn)一個(gè)角度，兩個(gè)花鍵齒倒角面不再抵觸，滑套壓下彈簧繼續(xù)移動(dòng)，滑套花鍵齒穿過(guò)同步環(huán)進(jìn)入接合，完成同步。此時(shí)，駕駛員依然給滑套施加軸向力，推動(dòng)滑套與結(jié)合齒圈嚙合，完成掛檔。設(shè)計(jì)時(shí)，需要適當(dāng)?shù)剡x擇同步器的設(shè)計(jì)參數(shù)，如鎖止角、錐面角等，以保證在達(dá)到同步之前，摩擦力矩總是大于撥環(huán)力矩，因而，不論施加在滑套上的軸向推力有多大，滑套齒圈倒角面與同步環(huán)齒端倒角面總是互相抵觸，使滑套不能通過(guò)。

2異響原因分析

同步器異響是因?yàn)橥江h(huán)與結(jié)合齒圈沒(méi)有同步，滑套強(qiáng)行與結(jié)合齒圈嚙合產(chǎn)生撞擊造成的。通過(guò)以上分析得知，打齒的一個(gè)重要原因是在同步過(guò)程中，摩擦力矩小于撥環(huán)力矩，使同步環(huán)和被結(jié)合件不能達(dá)到同步。造成摩擦力距小的原因有很多種，比如同步器的結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，鎖止角、摩擦錐面角、摩擦半徑等不合理。對(duì)于特定的同步器，結(jié)構(gòu)改進(jìn)余地很小的情況下，提升同步環(huán)摩擦材料性能是一個(gè)可行的解決方案。通過(guò)選擇摩擦性能好、摩擦系數(shù)高的材料來(lái)提升摩擦力矩是目前各變速器廠家普遍尋求的解決途徑。

造成同步器打齒的另一個(gè)重要原因是彈簧力不足。除了在空擋時(shí)彈簧具有自鎖功能外，還在同步過(guò)程中形成摩擦阻力，如圖3所示。滑套移動(dòng)與結(jié)合齒嚙合過(guò)程中，需要通過(guò)柱銷(xiāo)壓縮彈簧，因此在工作面A-A上產(chǎn)生與撥叉給的軸向力相反的阻力Fr[3]：

(1)

式中,Fn為彈簧工作力，θ為滑套斜面夾角。

當(dāng)變速器進(jìn)行換擋時(shí)，軸向力F很大，如果彈簧不能提供足夠的阻力Fr，則同步器滑套移動(dòng)的速度將會(huì)變得很快。有可能同步環(huán)齒端斜面來(lái)不及與滑套齒端斜面接觸，滑套就會(huì)長(zhǎng)驅(qū)直入，快速地通過(guò)同步環(huán)齒端倒角斜面直接與同步環(huán)的花鍵直齒部分接觸，此時(shí)沒(méi)有達(dá)到同步，滑套與同步環(huán)會(huì)產(chǎn)生沖擊。在軸向力的作用下，滑套會(huì)繼續(xù)軸向移動(dòng)和結(jié)合齒圈的花鍵齒接觸，這樣就失去了同步環(huán)的同步作用而發(fā)生打齒[5]。因此，在不影響換擋力的情況下，適當(dāng)增加彈簧的剛度可以有效避免同步器打齒。

圖1　鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu)

圖2　同步過(guò)程示意圖

圖3　同步器滑套受力簡(jiǎn)圖

3應(yīng)用實(shí)例

某重型變速器中的鎖環(huán)式同步器在臺(tái)架試驗(yàn)至30 079次時(shí)，低擋側(cè)連續(xù)5次打齒異響，同步器失效。

3.1第一次改進(jìn)

通過(guò)分析，現(xiàn)有摩擦材料為碳纖維，實(shí)驗(yàn)測(cè)定其摩擦系數(shù)為0.1～0.11，且有研究表明經(jīng)耐久性試驗(yàn)后，碳纖維材料動(dòng)摩擦系數(shù)會(huì)衰減，摩擦力矩減小，滑套與結(jié)合齒打齒[4]；噴鉬同步環(huán)動(dòng)摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定[1]。因此，將碳纖維的同步環(huán)改為噴鉬的同步環(huán)。相較于碳纖維的粘接工藝，鉬層是噴涂在同步環(huán)表面，再經(jīng)過(guò)機(jī)加工達(dá)到所需尺寸和表面粗糙度，精度更高，便于控制。

將兩臺(tái)份該鎖環(huán)式同步器摩擦副改為噴鉬工藝后繼續(xù)裝在臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)。其中一臺(tái)試驗(yàn)至71 727次時(shí)，低擋側(cè)連續(xù)5次打齒，同步器失效。另外一臺(tái)試驗(yàn)從5萬(wàn)次開(kāi)始每百次有5～6次低擋打齒，6萬(wàn)次后每百次有2～3次低擋側(cè)打齒。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，改進(jìn)有效果，但還沒(méi)有達(dá)到完成10萬(wàn)次換擋的要求。

3.2第二次改進(jìn)

根據(jù)分析，同步環(huán)鉬層上開(kāi)有螺旋狀油槽，該油槽的排油量和排油速度對(duì)同步環(huán)的摩擦因素也有很大影響[2]。因此對(duì)同步環(huán)的螺紋參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。

同步環(huán)錐面的摩擦力矩Tt為：

(2)

式中，F(xiàn)為軸向力；μ為摩擦錐面的摩擦因數(shù)；R為錐面平均半徑；α為錐面半錐角。由圖4可見(jiàn)，改進(jìn)前與改進(jìn)后軸向力F、錐面平均半徑R及半錐角均沒(méi)有變化，而μ可用油槽總截面積來(lái)表示。

(a) 改進(jìn)前

(b)改進(jìn)后

由圖4中參數(shù)可知，單個(gè)油槽截面積沒(méi)有變化，改進(jìn)后螺距減小，螺旋圈數(shù)增加，油槽總截面積增加，相當(dāng)于增加了摩擦因數(shù)μ，因此改進(jìn)后摩擦力矩Tt增大。

另外，彈簧力過(guò)小也是造成打齒的一個(gè)原因。本次也對(duì)彈簧進(jìn)行了改進(jìn)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)使用的彈簧剛度相對(duì)比較大，如果再增加剛度，除了會(huì)造成安裝困難，還會(huì)因?yàn)閺椈杉羟袘?yīng)力超過(guò)材料許用剪切應(yīng)力而斷裂。因此不能簡(jiǎn)單增加單個(gè)彈簧的剛度，而選擇對(duì)同步器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。由原來(lái)的三個(gè)彈簧改為六個(gè)彈簧，如圖5所示，其中1、3、5號(hào)為一組， 2、4、6號(hào)為另一組?；紫鄳?yīng)地做了改動(dòng)，自鎖限位處只有一邊有斜面，如圖6所示。掛高檔與低檔分別用不同的組合。由于每個(gè)彈簧在裝入齒轂中有預(yù)壓縮量，因此無(wú)論掛哪個(gè)檔位，滑套除了要克服本組合3個(gè)壓縮彈簧產(chǎn)生的力，還要克服另外三個(gè)彈簧的預(yù)壓縮量產(chǎn)生的力，這樣既不影響滑塊在同步器換擋過(guò)程中的功能，又增加了彈簧產(chǎn)生的阻力。

將第二次改進(jìn)后的同步器裝入變速箱，在臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。兩臺(tái)變速箱均完成換擋壽命10萬(wàn)次，同步器未見(jiàn)打齒或其他失效現(xiàn)象。

圖5　改進(jìn)后六彈簧同步器

圖6　改進(jìn)后滑套

4結(jié)論

(1)噴鉬材料的動(dòng)摩擦性能比某種碳纖維更穩(wěn)定。通過(guò)改進(jìn)鉬層的螺旋油槽可以有效提高同步環(huán)的摩擦性能。

(2)同步器彈簧的剛度及預(yù)壓縮量對(duì)同步器的工作過(guò)程有重要影響。

(3)通過(guò)改進(jìn)噴鉬同步環(huán)表面的螺旋槽參數(shù)來(lái)增加摩擦力；增加彈簧數(shù)量來(lái)提高彈簧力的方式，有效地解決了同步器打齒異響現(xiàn)象，為以后解決此類(lèi)問(wèn)題提供了思路。

參考文獻(xiàn)

[1]李文平，鹿云，柴之龍，楊福平. 同步環(huán)摩擦材料摩擦學(xué)特性的研究[J]. 汽車(chē)工藝與材料，2013(5).

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[3]吳修義. 同步器同步環(huán)及同步器彈簧設(shè)計(jì)對(duì)同步性能的影響[J]. 重型汽車(chē), 2004(2).

[4]張紅奎. ZF/FZG SSP—1 80同步器耐久性評(píng)定技術(shù)[J]. 汽車(chē)工藝與材料, 2011(12).

[5]魏小強(qiáng),馮瑞. 鎖環(huán)式同步器壓簧對(duì)鎖止可靠性的影響分析[J]. 汽車(chē)技術(shù), 2014(08).

編輯陳秀娟

Analysis on the Reasons for Abnormal Sound of Synchronizer Shifted Gear and Research on Improvement Scheme

Chang Juan, Wei Xiaoqiang

Abstract：Abnormal sound phenomenon occurred in the shifting life test for the lock ring type of synchronizer in a heavy-duty gearbox. The possible reasons for abnormal sound have been listed by analyzing the work principles of synchronizer, and the improved measurements have been brought forward accordingly to solve the abnormal sound of shift finally and it has been qualified in the fatigue life test.

Key words：synchronizer; spring; molybdenum spraying

收稿日期：2015—12—19

作者簡(jiǎn)介：常娟(1984—)女，碩士，工程師，從事汽車(chē)變速器設(shè)計(jì)工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.212+.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B