汽車同步器燒環(huán)成因及應(yīng)對策略

樊智宏 何 翔 鄒旭東

(麥格納動力總成 格特拉克(江西)傳動系統(tǒng)有限公司 設(shè)計(jì)工程部，江西 南昌 330013)

一、同步器工作原理及燒環(huán)三要素

同步器工作的基本原理是：在變速器換檔過程中，換檔撥叉將同步器齒套推向目標(biāo)檔位，然后，同步器齒套將同步環(huán)壓在目標(biāo)檔位齒輪的錐面上，通過錐面摩擦做功使輸入軸與輸出軸轉(zhuǎn)速同步。

由上述原理可推知，要造成同步器燒環(huán)，需要三個因素共同作用：

①輸入輸出端存在轉(zhuǎn)速差；

②同步環(huán)錐面受到足夠大的壓力；

③壓力持續(xù)作用時間較長。

二、同步器燒環(huán)原因分類

對應(yīng)燒環(huán)三要素，駕駛、裝配、制造和產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)等方面原因均可導(dǎo)致燒環(huán)：

(一)駕駛員操作不當(dāng)

正常情況下，換檔之前，駕駛員須先踩離合器，將輸入軸與發(fā)動機(jī)的聯(lián)接徹底斷開。有的離合器分離行程偏長，或者駕駛室地板上鋪有厚厚一層地墊，駕駛者踩下離合器一段距離后，誤以為已經(jīng)完成離合器的分離，而實(shí)際此時輸入軸與發(fā)動機(jī)并未徹底斷開。這個時候如果駕駛員強(qiáng)行掛檔，那么一端是強(qiáng)大的引擎，一端是沉重的車身，依靠小小的同步器是不可能將兩端的轉(zhuǎn)速同步的，長時間將同步器齒環(huán)壓在齒輪錐面上，因持續(xù)摩擦生熱產(chǎn)生高溫，最終導(dǎo)致燒環(huán)。

(二)整車裝配時換檔拉線安裝不到位

遠(yuǎn)程操縱的外換檔拉線位置調(diào)整不對中，導(dǎo)致車輛即使在做空檔溜車時，拉線也在通過內(nèi)換檔機(jī)構(gòu)將同步器齒套往某個檔位方向拉動，并把同步環(huán)壓在對應(yīng)檔位齒輪的錐面上，從而導(dǎo)致燒環(huán)。

(三)內(nèi)換檔機(jī)構(gòu)制造質(zhì)量不合格

不同檔位的內(nèi)換檔機(jī)構(gòu)相互干涉，比如一檔的換檔機(jī)構(gòu)跟三檔的換檔機(jī)構(gòu)干涉，在掛進(jìn)一檔的同時，三檔的同步器齒套也被推向三檔，并使三檔同步環(huán)長時間壓在三檔齒輪錐面上，這樣也會導(dǎo)致三檔的同步環(huán)磨損，甚至燒傷。至于是否發(fā)藍(lán)，則取決于換檔機(jī)構(gòu)干涉時產(chǎn)生的壓力大小。

(四)特定的變速器結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含燒環(huán)風(fēng)險

上述四種燒環(huán)原因，前三種原因(駕駛、裝配和制造)簡單明了，相對比較好控制，第四種不是很常見，只是一旦出現(xiàn)，如果沒有深厚的理論功底和豐富的工作經(jīng)驗(yàn)作支撐，技術(shù)人員往往會滿頭霧水，久攻不克，這就要嚴(yán)重影響實(shí)際生產(chǎn)交付了。所以本文接下來即以第四種燒環(huán)原因解析及其應(yīng)對策略探究為重點(diǎn)，圍繞一個同步器設(shè)計(jì)實(shí)例展開具體論述。

眾所周知，同步器是汽車變速器的關(guān)鍵零部件，它的設(shè)計(jì)與汽車的換檔性能及駕駛體驗(yàn)息息相關(guān)。隨著客戶車型的升級換代，發(fā)動機(jī)扭矩和功率逐步提升，離合器摩擦盤的慣量不斷增大，一二檔的換檔力越來越大，致使客戶駕駛體驗(yàn)難以接受。為改善換檔性能，提高顧客滿意度，擬將同步器一二檔同步環(huán)結(jié)構(gòu)由單錐(圖1)改為雙錐(圖2)。

圖1 單錐

圖2 雙錐

上圖(圖1)即目標(biāo)前驅(qū)變速器的一二檔齒輪及同步器布局圖。該變速器倒檔并未配置同步器，倒檔輸出齒輪同時又兼作一二檔齒套，故掛倒檔的過程即是將倒檔惰輪向倒檔輸入齒輪和倒檔輸出齒輪(一二檔齒套外齒)撥動的過程。為防止脫檔，在倒檔惰輪和輸入輸出齒輪的齒面均設(shè)有倒錐角(如圖2)。該一二檔同步器的原設(shè)計(jì)為單錐結(jié)構(gòu)，升級雙錐系統(tǒng)需要考慮的因素主要有以下兩方面：

1.換檔機(jī)構(gòu)軸向間隙尺寸鏈核算：

①撥叉軸向間隙：0.55mm；

②撥叉與控制軸因制造誤差造成的軸向位移：0.25mm；

③二檔齒輪軸向間隙：0.40mm；

④輸出軸軸向竄動：0.30mm。

換檔機(jī)構(gòu)軸向總間隙(竄動)：

0.55+0.25+0.40+0.30=1.50mm

2.齒套齒面所受軸向分力(如圖2所示)：

①倒檔齒輪傳遞的扭矩值：Tr=598Nm；

②嚙合直徑：d=97mm；

③倒檔齒輪齒面倒錐角：β=0.5°；

④掛倒檔后一二檔齒套外齒(倒檔齒輪)所受圓周力：Ft=2Tr/d；

⑤齒面所受軸向分力：

Fa=Ft×tan(β)

=2×598×tan(0.5°)/0.097

≈107.6N

倒檔嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，齒套外齒面受向左的軸向分力Fa推動，齒套向二檔方向移動，此時變速器的內(nèi)換檔機(jī)構(gòu)因軸向總間隙Δt太大(Δt>1.0mm)導(dǎo)致齒套不能精確地被鎖定在空檔位置。這種情況下，作用于外齒面上的軸向分力(10多公斤)就會趁虛而入，克服預(yù)同步單元彈簧力將齒套推向二檔齒輪方向，移動與Δt相同的距離，進(jìn)而導(dǎo)致預(yù)同步滑塊越過預(yù)同步間隙推動同步環(huán)引發(fā)錯誤操作——完成預(yù)同步，并進(jìn)入主同步階段。此時的倒檔尚處于嚙合狀態(tài)并未脫開，故二檔輸出齒輪與同步器之間存在著很高的轉(zhuǎn)速差，也就是說雙錐同步環(huán)的中間環(huán)與內(nèi)外環(huán)有很高的轉(zhuǎn)速差，此種情形容易引發(fā)錐面磨損和燒環(huán)。

考慮到之前的單錐系統(tǒng)量產(chǎn)多年并未出現(xiàn)燒環(huán)問題，為慎重起見，故升級為雙錐環(huán)系統(tǒng)時設(shè)計(jì)上決定暫不作尺寸鏈修改，以觀察是否真如理論預(yù)判那樣會出現(xiàn)同步環(huán)磨損現(xiàn)象。

在實(shí)際樣件生產(chǎn)階段，整個試驗(yàn)過程進(jìn)展順利，很快就完成了同步器相關(guān)性能和耐久試驗(yàn)，表現(xiàn)優(yōu)異。到小批試生產(chǎn)的時候，變速器下線作掛倒檔測試，部分變速器出現(xiàn)通氣塞冒白煙現(xiàn)象，接著做各檔位換檔測試就會發(fā)現(xiàn)掛二檔有打齒問題。對通氣塞冒白煙且二檔打齒的變速器作拆解分析，發(fā)現(xiàn)二檔同步環(huán)存在不同程度的磨損燒黑甚至發(fā)藍(lán)。

將故障變速器的雙錐同步環(huán)換成單錐環(huán)做下線測試，掛倒檔冒白煙導(dǎo)致燒二檔同步環(huán)的現(xiàn)象沒有出現(xiàn)，再次換成雙錐環(huán)，故障再現(xiàn)。這說明問題就出在雙錐同步環(huán)上，而仔細(xì)檢測雙錐系統(tǒng)相關(guān)零件工藝尺寸，發(fā)現(xiàn)又全是合格的。在裝有雙錐同步環(huán)系統(tǒng)且所有工藝尺寸都合格的變速器中，掛倒檔燒二檔同步環(huán)繼而打齒的幾率為20%左右。將雙錐燒環(huán)變速器與未燒環(huán)變速器進(jìn)行比對，可發(fā)現(xiàn)燒環(huán)變速器換檔機(jī)構(gòu)的軸向總間隙Δt比不燒環(huán)的普遍大了0.3～0.5mm，這就印證了之前的理論推測：當(dāng)掛好倒擋后，內(nèi)換檔機(jī)構(gòu)因軸向總間隙Δt過大(Δt>1.0mm)，作用于齒套外齒面的軸向力推動齒套越過預(yù)同步間隙在錯誤的時間完成了預(yù)同步和主同步動作。此時的中間環(huán)和內(nèi)外環(huán)實(shí)際未同步，于是在軸向分(壓)力的作用下，它們之間存在的高轉(zhuǎn)速差直接引發(fā)了同步環(huán)的磨損燒黑甚至發(fā)藍(lán)。

找到了雙錐燒環(huán)原因，問題的應(yīng)對策略自然也就有了。理論上，我們可以將內(nèi)換檔機(jī)構(gòu)的互鎖功能加強(qiáng)，讓撥叉在掛好倒檔之后可以將一二檔齒套精確鎖定在空檔位置。但實(shí)際情況是：內(nèi)換檔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸向總間隙(Δt)尺寸鏈長，考慮零件加工的工藝經(jīng)濟(jì)性和大批量生產(chǎn)的要求，實(shí)際我們很難保證對滑動齒套的準(zhǔn)確限位。因此，想通過提高零件制造精度的方式來解決燒環(huán)問題在大批量生產(chǎn)狀態(tài)下實(shí)際很難行得通。那么，就只有另外一條路可走，即通過適當(dāng)增大同步器系統(tǒng)預(yù)同步間隙來抵消內(nèi)換檔機(jī)構(gòu)軸向總間隙過大的影響，具體方案如下：

1.縮短同步環(huán)分度凸臺高度

2.同步環(huán)的中間環(huán)雙面貼碳

就第1條措施而言，受變速器內(nèi)部空間限制，該措施一般只能使預(yù)同步間隙增大0.3mm左右，而我們要抵消的間隙是0.3～0.5mm，所以僅靠第1條措施會大大改善但并不能保證徹底消除燒環(huán)問題，所以我們同時還要執(zhí)行第2條措施，即同步環(huán)中間環(huán)雙面貼碳(如圖3)。

圖3 同步環(huán)中間環(huán)雙面貼碳

之所以要對同步環(huán)的中間環(huán)進(jìn)行雙面貼碳，其根本原因在于：同步器齒套受倒檔齒輪軸向分力作用向二檔方向(左)移動，推動二檔同步外環(huán)將中間環(huán)及內(nèi)環(huán)錐面壓緊繼而導(dǎo)致摩擦生熱。中間環(huán)采取雙面貼碳后，因碳層是熱的不良導(dǎo)體，所以外環(huán)與中間環(huán)摩擦所產(chǎn)生的熱量大部分會被外環(huán)吸收，從而導(dǎo)致外環(huán)膨脹

往左走；同理，內(nèi)環(huán)膨脹推動中間環(huán)往右走；如此二者一綜合，措施2實(shí)際可增大預(yù)同步間隙0.2～0.3mm。

綜上所述，措施1增大預(yù)同步間隙0.3mm，措施2增大預(yù)同步間隙0.2～0.3mm，兩條措施共同作用就可以抵消換檔機(jī)構(gòu)軸向總間隙超標(biāo)0.3～0.5mm帶來的負(fù)面影響，也就消除了該型變速器同步器齒環(huán)單錐改雙錐所導(dǎo)致的燒環(huán)現(xiàn)象。