張 瑞

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

前言

同步器是汽車(chē)變速器中的關(guān)鍵零部件。在變速器換擋時(shí)，它使欲嚙合的齒輪副迅速同步并保持接合狀態(tài)，并且能防止在同步前接合。同步器可以保證換擋時(shí)齒輪嚙合不受沖擊，消除噪聲，延長(zhǎng)齒輪壽命，同時(shí)使換擋動(dòng)作方便迅速，有利于提高汽車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，在手動(dòng)變速箱和雙離合變速箱中得到了廣泛的應(yīng)用。同步器的性能優(yōu)劣直接影響汽車(chē)的換擋品質(zhì)。換擋打齒作為同步器最常見(jiàn)的失效模式，其影響因素較多。

1 同步器簡(jiǎn)介

滑塊式同步器在乘用車(chē)上應(yīng)用最為廣泛。圖1為滑塊－鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu)，由齒套、齒轂、同步環(huán)、滑塊和結(jié)合齒組成。同步環(huán)的摩擦錐面位于結(jié)合齒圈的錐面上，在同步時(shí)產(chǎn)生摩擦力矩。同步環(huán)齒面和結(jié)合齒圈花鍵齒端部均為斜面（鎖止面）?；瑝K由滑塊基體、鋼球以及彈簧組成?？論鯐r(shí)，三個(gè)滑塊鋼球頂部壓入齒套的凹槽中，使得換擋系統(tǒng)保持在空擋位置。

圖1 滑塊－鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu)

根據(jù)同步器的工作原理，換擋過(guò)程中，齒套推動(dòng)滑塊頂觸同步環(huán)，待同步環(huán)與結(jié)合齒圈錐面的油膜排除干凈后，齒套鎖止面與同步環(huán)鎖止面接觸，產(chǎn)生同步力矩和撥環(huán)力矩。在同步力矩的作用下，使同步器兩端轉(zhuǎn)速逐漸趨于同步。待兩端同步后，在齒套軸向力的作用下，撥環(huán)力矩使同步環(huán)連同結(jié)合齒圈及與之相連的所有零件一起相對(duì)齒套轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，使鎖環(huán)凸起結(jié)構(gòu)移到花鍵齒轂凹槽的中央位置。此時(shí)齒套軸向力克服滑塊鋼球力后，而與同步環(huán)的外花鍵進(jìn)入接合。同步環(huán)的鎖止作用隨即消失。齒套繼續(xù)向擋位齒移動(dòng)，待其與結(jié)合齒圈花鍵進(jìn)行接合后，即完成換擋。

2 換擋打齒失效模式

換擋打齒是指在齒套與結(jié)合齒轉(zhuǎn)速差非零時(shí)，齒套與結(jié)合齒進(jìn)行接合所產(chǎn)生的現(xiàn)象。打齒是同步器常見(jiàn)的失效模式。由于同步器的工作過(guò)程比較復(fù)雜，對(duì)于換擋打齒失效模式而言，單純從某一個(gè)方面分析出原因是比較困難的。所以，本文制定換擋打齒失效的分析過(guò)程圖，如圖2所示。

圖2 換擋打齒問(wèn)題分析流程圖

2.1 性能分析[1]

與換擋打齒相關(guān)的性能分析主要體現(xiàn)在鎖環(huán)比。鎖環(huán)比為同步力矩與撥環(huán)力矩的比值，設(shè)計(jì)指標(biāo)為大于1。當(dāng)同步環(huán)被軸向力Fa推向結(jié)合齒錐面時(shí)，結(jié)合齒錐面上的潤(rùn)滑油膜被切開(kāi)，在錐體和摩擦面之間沿錐角方向產(chǎn)生摩擦力，此時(shí)同步環(huán)轉(zhuǎn)速基本不變，齒輪的轉(zhuǎn)速在改變，產(chǎn)生同步力矩。同步力矩的計(jì)算方式如下：

式中：TC為同步力矩；Fa為齒套軸向力；μc為同步環(huán)摩擦系數(shù)；R為錐面平均摩擦半徑，?為錐角止面由于在同步過(guò)程中，由于齒套鎖止面的作用，會(huì)產(chǎn)生與同步力矩相反方向的力矩，稱(chēng)為撥環(huán)力矩。撥環(huán)力矩的計(jì)算方式如下：

式中：TI為撥環(huán)力矩；Fa為齒套軸向力；RB為鎖止面分度圓直徑，μβ為鎖止面摩擦系數(shù)；θ為鎖止角度。

2.2 尺寸鏈分析

同步環(huán)是否處于正確的鎖止位置，是同步器起作用的前提。同步環(huán)摩擦系數(shù)的建立、撥環(huán)力矩的產(chǎn)生、排油的發(fā)生均建立在正確的鎖止位置前提下。在同步器設(shè)計(jì)中，尺寸鏈分析是一項(xiàng)重要的工具。鑒于多錐同步器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，本文從換擋過(guò)程尺寸鏈及三錐同步環(huán)尺寸鏈兩個(gè)方面進(jìn)行討論。

2.2.1 換擋過(guò)程的尺寸鏈

從換擋的過(guò)程進(jìn)行分析，重點(diǎn)從滑塊間隙、接近尺寸、分度尺寸、同步環(huán)凸臺(tái)與齒轂花鍵嚙合長(zhǎng)度及同步環(huán)摩擦材料是否突出齒輪錐面邊緣來(lái)考慮。

1）滑塊間隙：由于同步環(huán)摩擦材料異常磨損所導(dǎo)致的打齒?；瑝K間隙是指當(dāng)齒套處于空擋位置時(shí)，滑塊端面抵住同步環(huán)凸臺(tái)端面的距離。此間隙的意義在于：在間隙過(guò)小時(shí)，同步器處于空擋位置，在同步器偏擺情況下，滑塊將持續(xù)擠壓同步環(huán)錐面貼向齒輪體，而兩端持續(xù)存在轉(zhuǎn)速差，此造成同步環(huán)錐面磨損。

2）分度尺寸：保證同步階段齒套鎖止面與同步環(huán)鎖止面接觸面積足夠?；瑝K端面抵住同步環(huán)凸臺(tái)端面后，齒套相對(duì)滑塊剛開(kāi)始軸向移動(dòng)時(shí)，齒套與同步環(huán)所知面中心線(xiàn)的距離。分度尺寸應(yīng)大于0.635mm[2]。

3）接近尺寸：結(jié)合齒錐面油未排除干凈導(dǎo)致摩擦系數(shù)無(wú)法建立而產(chǎn)生的打齒?；瑝K抵住同步環(huán)凸臺(tái)時(shí)，齒套與同步環(huán)鎖止面之間的軸向距離為接近距離。如果滑塊穿越力在兩者的鎖止鎖止面接觸前消失，將會(huì)使同步環(huán)錐面負(fù)載減小，中斷劃開(kāi)油膜的過(guò)程，導(dǎo)致摩擦系數(shù)達(dá)不到理論值。為保證可靠鎖止，對(duì)接近距離的推薦值為大于0.38mm[2]。

4）后備量[3]：考慮到同步環(huán)正常磨損后，仍能繼續(xù)使用，在同步環(huán)后端面與齒輪結(jié)合齒端面之間應(yīng)有一定的間隙（后備量）。間隙的理論值在1～2mm之間。

5）同步環(huán)凸臺(tái)與齒轂外花鍵重疊長(zhǎng)度及同步環(huán)邊緣脫出錐面邊緣：同步器工作時(shí)，同步環(huán)凸臺(tái)不能突出齒轂外花鍵的邊緣及同步環(huán)邊緣不能脫離齒輪錐體邊緣，這是保證鎖止及摩擦面接觸區(qū)域可靠的前提。

2.2.2 三錐同步環(huán)尺寸鏈

1）內(nèi)外環(huán)凸臺(tái)重疊長(zhǎng)度；

2）中間環(huán)插腳與齒輪凹槽重疊長(zhǎng)度；

3）內(nèi)環(huán)大徑與結(jié)合齒端面間隙；

4）中間環(huán)大徑與結(jié)合齒端面間隙[3]；

5）內(nèi)環(huán)小徑與外環(huán)內(nèi)側(cè)端面間隙[3]；

6）中間環(huán)小徑與外環(huán)內(nèi)側(cè)端面間隙[3]。

上述相關(guān)尺寸鏈的計(jì)算，需在耐久情況下進(jìn)行考慮。以上是保證同步器的三個(gè)錐面都能實(shí)現(xiàn)正常工作的前提。

2.3 摩擦材料特性分析

2.3.1 錐面油未排除到位導(dǎo)致理論計(jì)算的摩擦系數(shù)過(guò)低

潤(rùn)滑油的黏度影響同步初期的刮油速度。黏度過(guò)大時(shí)，同步環(huán)的摩擦材料不能及時(shí)破壞錐面上的油膜，就不能快速提供足夠大的摩擦系數(shù)而導(dǎo)致沒(méi)有同步。

2.3.2 摩擦材料系數(shù)穩(wěn)定性

鎖環(huán)比的計(jì)算需考慮摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。目前，常用的摩擦材料有金屬材料和非金屬材料。金屬材料分為黃銅、燒結(jié)銅、噴鉬；非金屬材料分為紙基碳、碳顆粒及織物基復(fù)合材料。摩擦系數(shù)的選取需根據(jù)各項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行判定。其試驗(yàn)工況包括如表1所示。

表1 摩擦系數(shù)試驗(yàn)工況

以紙基碳材料和碳顆粒兩種摩擦材料為例，說(shuō)明摩擦系數(shù)穩(wěn)定性的重要性。

紙基的碳摩擦材料的表面非常光滑，且可以看到一些微孔；碳顆粒是一種雙層的織物基摩擦材料，此材料是由樹(shù)脂和碳顆粒組合的混合物，其表面有非常多的小孔。紙基材料設(shè)計(jì)時(shí)需包含油槽，但碳顆粒不需要油槽，是因?yàn)樗且环N開(kāi)放多孔的結(jié)構(gòu)。在排油時(shí)，油首先從碳顆粒材料的小孔中排掉，且存在于摩擦材料表面與錐面之間的油膜可以被分散。

圖3為紙基和碳顆粒兩種摩擦材料在變速箱油環(huán)境下的低溫試驗(yàn)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在低溫下的碳顆粒的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于紙基。

圖3 紙基及碳顆粒在低溫情況下摩擦系數(shù)曲線(xiàn)

2.4 其他影響因素分析

2.4.1 結(jié)合齒錐面粗糙度[2]

錐面粗糙度確定了錐體接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦系數(shù)值，在很大程度上說(shuō)明摩擦材料的磨損量。過(guò)于光滑的錐面導(dǎo)致摩擦副無(wú)法在預(yù)同步階段破壞油膜；粗糙度較差的錐面易導(dǎo)致摩擦材料的磨損急劇增加。一般而言，結(jié)合齒錐的粗糙度控制在RZ1.0-4.0。

2.4.2 變速箱清潔度[4]

變速器內(nèi)部有較多的雜質(zhì)如金屬鐵屑等，當(dāng)該雜質(zhì)進(jìn)入同步環(huán)與擋位齒輪的錐面摩擦副之間時(shí)，將影響或降低同步時(shí)錐面摩擦副的摩擦性能。導(dǎo)致同步環(huán)接觸面積不足或者摩擦副未完全建立，從而導(dǎo)致?lián)Q擋打齒。

2.4.3 同步環(huán)潤(rùn)滑情況

當(dāng)同步環(huán)潤(rùn)滑不足時(shí)，在同步階段，由于摩擦所產(chǎn)生的熱量無(wú)法通過(guò)潤(rùn)滑油順利帶走，導(dǎo)致錐面溫度持續(xù)增加。對(duì)于銅螺紋摩擦材料而言，錐面摩擦所產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致摩擦副溫度過(guò)高，銅螺紋摩擦副將出現(xiàn)快速磨損，當(dāng)后備量為零時(shí)，將出現(xiàn)換擋打齒。

3 結(jié)論

由于同步器換擋打齒問(wèn)題產(chǎn)生的比較復(fù)雜，本文從同步性能、總成間隙及摩擦材料特性出發(fā)，并制定了問(wèn)題分析思路，為同步器換擋打齒問(wèn)題的解決提供了一定的思路。