鎖環(huán)式同步器壓簧對(duì)鎖止可靠性的影響分析

魏小強(qiáng)，馮瑞

(陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西西安 710119)

鎖環(huán)式同步器壓簧對(duì)鎖止可靠性的影響分析

魏小強(qiáng)，馮瑞

(陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西西安 710119)

同步器壓簧在鎖環(huán)式同步器的工作過(guò)程中起著極其重要的作用，壓簧的剛度和工作長(zhǎng)度設(shè)計(jì)是影響同步器工作的兩個(gè)重要方面，剛度對(duì)同步器預(yù)鎖止十分重要，工作長(zhǎng)度設(shè)計(jì)與同步器的結(jié)構(gòu)布置和形式有關(guān)。著重分析壓簧的剛度對(duì)同步器鎖止可靠性的影響，通過(guò)理論分析、變速器總成臺(tái)架試驗(yàn)和整車道路運(yùn)行試驗(yàn)詳細(xì)而深入地闡明同步器壓簧設(shè)計(jì)的重要性，具有重要的參考價(jià)值。

鎖環(huán)式同步器； 彈簧； 變速器； 鎖止可靠性

0 引言

鎖環(huán)式同步器，如圖1所示，基本都是采取滑套、彈簧和頂銷換擋方式，彈簧一端頂住齒轂徑向開(kāi)設(shè)的凹槽中，另一端頂住頂銷的尾端，頂銷的頭部嵌入滑套的凹槽中，將彈簧裝入同步器中時(shí)，彈簧由自由長(zhǎng)度變短，此時(shí)為預(yù)壓縮，預(yù)壓縮使得頂銷下端承受一定的彈簧力，當(dāng)同步器裝在變速器中，變速器在空擋時(shí)有一定的阻力。

當(dāng)同步器滑套離開(kāi)空擋掛向嚙合齒輪或嚙合結(jié)合齒圈時(shí)，彈簧進(jìn)一步被壓縮，彈簧工作長(zhǎng)度最短，保證了駕駛員掛擋時(shí)的手感。除此之外，同步器重要的作用在于彈簧由預(yù)鎖止到鎖止過(guò)程中彈簧剛度對(duì)同步器同步過(guò)程的重要影響，這直接影響著同步器同步時(shí)鎖止可靠性，進(jìn)而影響同步器的使用壽命。

1 彈簧影響同步過(guò)程的原理分析

同步器在掛擋過(guò)程中要經(jīng)歷空行程、預(yù)同步、同步、嚙合4個(gè)階段，簡(jiǎn)單可描述為滑套離開(kāi)空擋位置，通過(guò)柱塞帶動(dòng)滑塊軸向移動(dòng)經(jīng)過(guò)空行程；預(yù)同步階段：同步環(huán)旋轉(zhuǎn)1/4花鍵周節(jié)，進(jìn)入鎖止位置；同步階段：滑套上的齒與錐環(huán)的齒鎖止面相接觸，錐面間產(chǎn)生摩擦力矩；同步結(jié)束，摩擦力矩降為零，同步環(huán)在撥環(huán)力矩作用下，回轉(zhuǎn)1/4周節(jié)，滑套穿過(guò)同步環(huán)；滑套與結(jié)合齒圈的齒相結(jié)合，掛擋結(jié)束。

當(dāng)撥叉撥動(dòng)滑套帶動(dòng)彈簧、柱銷和滑塊一起推動(dòng)同步環(huán)壓在嚙合齒輪錐面上時(shí)，由于滑套上有撥叉的軸向力F和轉(zhuǎn)速差存在，兩個(gè)錐面一經(jīng)接觸將產(chǎn)生沿周向的摩擦力矩，使同步環(huán)相對(duì)于滑套轉(zhuǎn)過(guò)1/4花鍵周節(jié)，由于加在換擋手柄上的力仍繼續(xù)增加，滑套克服彈簧的阻力帶動(dòng)滑塊繼續(xù)前移，使得滑套的齒端斜面壓住同步環(huán)的齒端斜面[1]。

此時(shí)在力F的作用下，同步環(huán)齒端斜面受到一個(gè)正壓力N，如圖2所示，左側(cè)為同步環(huán)，右側(cè)為滑套的預(yù)同步和同步的兩個(gè)位置，將此正壓力分解為軸向分力N1=N×sinδ、周向分力N2=N×cosδ，斜面的鎖止角為δ。其中N1=F，N1使同步環(huán)錐面產(chǎn)生正壓力而產(chǎn)生摩擦力矩，N2形成一個(gè)撥環(huán)力矩，此力使同步環(huán)沿原轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反脫離滑套的齒端斜面，但是摩擦力矩卻要阻止同步環(huán)反轉(zhuǎn)，所以在設(shè)計(jì)同步環(huán)時(shí)要保證摩擦力矩大于撥環(huán)力矩，且摩擦力矩大于撥環(huán)力矩越多，同步器越不容易發(fā)生打齒現(xiàn)象，同步器同步時(shí)鎖止更可靠[2]。

從以上受力分析中似乎看不出彈簧在鎖止環(huán)節(jié)發(fā)生的作用，實(shí)際并非如此。同步器鎖止是靠鎖止角、鎖止接觸面積大小、掛擋力以及摩擦力矩大于撥環(huán)力矩等來(lái)保證的。在變速器進(jìn)行換擋時(shí)，軸向力F很大，則同步器滑套移動(dòng)的速度將會(huì)變得很快。若如果軸向力F和轉(zhuǎn)速差提供的摩擦力矩不足以使同步環(huán)盡快轉(zhuǎn)過(guò)1/4花鍵周節(jié)，那么同步環(huán)齒端斜面來(lái)不及與滑套齒端斜面接觸，或接觸區(qū)域很小，無(wú)法承擔(dān)足夠大的軸向力F，則滑套就會(huì)很快通過(guò)同步環(huán)齒端斜面的軸向部分直接與同步環(huán)的花鍵直齒部分接觸，產(chǎn)生沖擊，并進(jìn)而走過(guò)后備量和嚙合齒輪或結(jié)合齒圈的花鍵齒嚙合，這樣就失去了同步環(huán)的同步作用而發(fā)生打齒。

所以為了避免軸向力F推動(dòng)滑套軸向移動(dòng)的速度過(guò)大，應(yīng)該適當(dāng)增大移動(dòng)的阻力，但又不應(yīng)該影響移動(dòng)的順暢性，其中較為重要的一點(diǎn)就是可以加大彈簧的剛度，以保證壓縮彈簧提供足夠的阻力，保證滑套在軸向力F下的移動(dòng)速度不至于過(guò)快從而使同步環(huán)齒端斜面與滑套齒端斜面充分接觸，保證同步過(guò)程的可靠進(jìn)行[3-4]。

2 變速器總成臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

此問(wèn)題來(lái)源于實(shí)踐中，售后市場(chǎng)服務(wù)及部分客戶反映某變速器某擋位的同步器故障較多，主要故障現(xiàn)象是同步器掛擋時(shí)異響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，同步器彈簧的剛度對(duì)同步性鎖止可靠性影響很大。文中針對(duì)此問(wèn)題展開(kāi)深入研究。

通過(guò)上面的理論分析，了解了同步器彈簧在同步器中的重要作用。針對(duì)出現(xiàn)的同步器異響故障，作者進(jìn)行了以下試驗(yàn)[5-6]，將某故障變速器裝在變速器總成試驗(yàn)臺(tái)架上，在變速器二軸端輸入動(dòng)力，在自動(dòng)換擋臂桿作用下進(jìn)行掛擋試驗(yàn)，調(diào)整臂桿的力使其大于某個(gè)值使臂桿的移動(dòng)速度較快，此時(shí)就會(huì)發(fā)生同步器打齒異響，發(fā)生清脆的尖叫嚎鳴聲，超過(guò)120 dB；去掉自動(dòng)換擋臂桿連接裝置，改用手動(dòng)模式，設(shè)定好相應(yīng)擋位換擋時(shí)的輸入轉(zhuǎn)速，進(jìn)行手動(dòng)掛擋試驗(yàn)，當(dāng)使用較大力去推動(dòng)臂桿換擋時(shí)也存在和自動(dòng)模式一樣的異響，當(dāng)使用較小力去推動(dòng)臂桿換擋時(shí)將不發(fā)生異響，據(jù)此推斷可能為同步器彈簧的剛度不夠。

接著將原變速器故障擋位的同步器中彈簧更換為剛度為原來(lái)2倍的同步器彈簧，并保持其自由長(zhǎng)度和工作長(zhǎng)度不變，將此同步器裝入原變速箱中，其余零件不變,重復(fù)上述試驗(yàn)，分別在手動(dòng)模式下快速掛擋和自動(dòng)換擋臂桿作用下快速換擋。通過(guò)多次試驗(yàn)后都無(wú)同步器打齒異響情況出現(xiàn)，由此驗(yàn)證了同步器彈簧的剛度是影響同步器異響的重要原因。

3 整車道路運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論分析結(jié)果的正確性，除了進(jìn)行變速器總成臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證之外，還進(jìn)行了整車道路運(yùn)行試驗(yàn)。進(jìn)行了3次試驗(yàn)，都選用同一臺(tái)車輛，第一次試驗(yàn)將原某故障變速器裝到某型號(hào)車輛上，進(jìn)行道路試驗(yàn)，由專業(yè)駕駛員進(jìn)行手動(dòng)換擋，結(jié)果在原異響擋位發(fā)生和變速器臺(tái)架試驗(yàn)一樣的尖叫嚎鳴聲，發(fā)生頻率約為9/10；第二次試驗(yàn)將原變速器故障擋位的同步器中彈簧更換為剛度為原來(lái)2倍的同步器彈簧(上述變速器臺(tái)架試驗(yàn)使用的)，由專業(yè)駕駛員重復(fù)第一次試驗(yàn)過(guò)程，整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生任何異響，即發(fā)生頻率為0；第三次試驗(yàn)將第二次試驗(yàn)后的同步器彈簧由2倍剛度的換回原剛度的彈簧，裝入原變速器由專業(yè)駕駛員重復(fù)第一次試驗(yàn)過(guò)程，結(jié)果在原異響擋位發(fā)生和變速器臺(tái)架試驗(yàn)一樣的尖叫嚎鳴聲，發(fā)生頻率依然為9/10。

由此說(shuō)明：在整車道路試驗(yàn)中，使用原剛度的彈簧的同步器會(huì)發(fā)生打齒異響，當(dāng)更改為2倍剛度的彈簧后，同步器不會(huì)發(fā)生打齒異響。此試驗(yàn)證明：同步器彈簧的剛度對(duì)同步器工作可靠性有重要影響，并進(jìn)而對(duì)同步器的功能和變速器的使用產(chǎn)生重要影響。

4 總結(jié)

經(jīng)過(guò)以上分析可以看出：同步器彈簧在同步器設(shè)計(jì)中有著極其重要的作用，同步器彈簧的剛度、自由長(zhǎng)度和工作長(zhǎng)度設(shè)計(jì)將對(duì)同步器掛擋過(guò)程中受力變化，對(duì)于同步器空擋位置的確定，以及對(duì)同步器同步工作的整個(gè)過(guò)程都有重要影響，尤其影響預(yù)同步和同步過(guò)程。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該保證同步器壓簧在不影響掛擋鎖止可靠性的前提下不至于有太大的掛擋阻力，造成同步器靜態(tài)掛擋力太大，但當(dāng)同步器鎖止可靠性受到影響時(shí)，則應(yīng)該以保證鎖止可靠性為前提，再考慮其他的措施降低滑套軸向移動(dòng)的掛擋阻力，達(dá)到鎖止可靠性和靜態(tài)掛擋力兩者的統(tǒng)一。

【1】 高維山，張思浦.變速器[J].北京：人民交通出版社，1990.

【2】 馬超圣.汽車變速器同步器[M].成都：汽車雜志社，1990.

【3】 黃旦中.轎車變速器同步器設(shè)計(jì)和研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2002：1-6.

【4】 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2001.

【5】 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).QC/T 568-2010 汽車機(jī)械式變速器臺(tái)架試驗(yàn)方法[S].2010.

【6】 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).QC/T 29063.1-2010 汽車機(jī)械式變速器總成技術(shù)條件[S].2010.

ImpactAnalysisoftheSpringofLockRingSynchronizeronLockingReliability

WEI Xiaoqiang，F(xiàn)ENG Rui

(Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Research Institute, Xi’an Shaanxi 710119,China)

The synchronizer compression spring plays an important role in the locking ring synchronizer working process. The stiffness and working length design of the compression spring are the two major aspects to influence synchronizer working. The stiffness is important to synchronizer pre-locking, and the working length design is related with the structural arrangement and form of the synchronizer. The impact of the spring stiffness to the synchronizer locking reliability was mainly analyzed. Through theoretical analysis, transmission assembly bench test and vehicle road running test, the importance of synchronizer compression spring design was clarified in detail and in-depth. It has a considerable reference significance.

Locking ring synchronizer； Spring； Transmission； Locking reliability

2014-03-31

魏小強(qiáng)(1985—)，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠囎兯倨髟O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。E-mail：weixq222@sina.com。