機(jī)械式變速器同步器換擋性能的分析

馬卓　程森　王成清

摘 要：隨著人們對(duì)駕馭的舒適性的要求越來(lái)越高，汽車(chē)變速箱換擋性能是直接關(guān)系著駕駛的舒適性。而與變速箱的換擋性能相關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵的部件就是同步器，因此，為提升換擋舒適性，需要對(duì)變速箱同步器的性能進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式變速器；同步器；換擋性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前，在我國(guó)機(jī)械式變速器依然占據(jù)著變速器市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，其換擋性能直接影響著整個(gè)汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油的經(jīng)濟(jì)性以及駕駛員的舒適性，這也對(duì)變速器的換擋功能提出了更高的要求，而變速器中的同步器能夠有效提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的平均壽命和換擋時(shí)的平順性。

1 同步器換擋性能研究

為了保證變速箱的質(zhì)量，提高它在市場(chǎng)當(dāng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，我國(guó)各個(gè)變速器制造廠加強(qiáng)了對(duì)同步器的研究，并且國(guó)內(nèi)外的很多工程師都對(duì)同步器性能展開(kāi)了深入的研究，包括仿真研究以及同步器換擋試驗(yàn)臺(tái)等方面。相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)，我國(guó)對(duì)同步器的研究起步是比較晚的，甚至很多技術(shù)都是從國(guó)外引進(jìn)的，但是近些年，國(guó)內(nèi)一些個(gè)人企業(yè)對(duì)變速箱方面的投資力度越來(lái)越大，使得一些高校以及學(xué)者也開(kāi)始了對(duì)同步器的研究，而且還取得了不小的成果。在變速箱性能試驗(yàn)中，同步器性能試驗(yàn)是比較重要的，主要對(duì)整車(chē)的行駛工況進(jìn)行了模擬，因此也就要求試驗(yàn)中用到的模擬臺(tái)和整車(chē)的各項(xiàng)參數(shù)的指標(biāo)要保持一致。

2 同步器結(jié)構(gòu)與工作原理

慣性增力式同步器能夠保證變速箱在換擋時(shí)目標(biāo)擋位的齒輪轉(zhuǎn)速與齒套的轉(zhuǎn)速在同步之后才能完成換擋，這樣能更好地避免換擋中花鍵的沖擊。換擋的過(guò)程主要有以下4個(gè)階段，即預(yù)同步、同步撥環(huán)、自由行程、結(jié)合齒接合階段。在換擋之前，由于換擋機(jī)構(gòu)上面存在一系列的彈性元件，使齒套、撥叉等換擋的元件保持在了空檔的位置上，當(dāng)駕駛員進(jìn)行換擋時(shí)，由于其要對(duì)操縱手柄施力，此力又通過(guò)外部換擋機(jī)構(gòu)以及拉線等裝置將其傳遞到撥叉上，再傳遞到齒套上，進(jìn)而推動(dòng)了壓在鋼球槽上的滑塊發(fā)生移動(dòng)，待滑塊頂?shù)酵江h(huán)后，其摩擦錐面就會(huì)與齒圈的摩擦錐面進(jìn)行相互摩擦，摩擦后，同步環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，齒套也就會(huì)向前移動(dòng)，其鎖止面與同步環(huán)的鎖止面貼合在一起，阻止齒套進(jìn)一步移動(dòng)。當(dāng)駕駛員的換擋力進(jìn)一步增加時(shí)，齒套通過(guò)鎖止面給同步環(huán)的推力也進(jìn)一步加大，使得同步環(huán)與錐體錐面之間的摩擦力也隨著增加，待兩者的轉(zhuǎn)速非常接近后，其之間存在的摩擦力就會(huì)消失，齒套撥動(dòng)同步環(huán)反轉(zhuǎn)一個(gè)角度，從而越過(guò)同步環(huán)，移動(dòng)一個(gè)后備量的空行程后，到達(dá)結(jié)合齒。當(dāng)齒套與結(jié)合齒完全嚙合后，即完成了換擋。

其中：Mc表示同步力矩；F表示作用在同步環(huán)上的軸向力；μc表示同步環(huán)的摩擦錐面與齒圈的摩擦錐面之間的摩擦系數(shù)；Rc表示同步環(huán)錐面的半徑；φ表示同步環(huán)錐面的半角；Mg表示慣性的力矩；Jw 表示輸出端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；△w表示齒套的鎖止面與同步環(huán)的鎖止面轉(zhuǎn)速之差；t表示齒套的花鍵和同步環(huán)的花鍵同步的時(shí)間；Mz表示阻力力矩。

3 同步器工作中的異常情況

同步器工作時(shí)所出現(xiàn)的異常情況主要有嚙合不同步、摩擦錐面抱死、換擋速度過(guò)慢導(dǎo)致車(chē)速出現(xiàn)損失以及換擋時(shí)用力過(guò)小無(wú)法完成低換擋。嚙合不同步，主要就是還沒(méi)有達(dá)到同步就出現(xiàn)了嚙合，導(dǎo)致產(chǎn)生了較大的沖擊，換擋變得更加困難。造成此種現(xiàn)象的原因主要有同步器的鎖止角與摩擦錐面角的設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致鎖止角失去了鎖止的作用；或者是因?yàn)橥狡髁慵嗣娴难b配間隙不足；又或者是同步器輸入端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大，而造成了嚙合不同步的現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)其進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，如果是因?yàn)橥狡麈i止角的設(shè)計(jì)不恰當(dāng)造成了鎖止角失效，那么在同步前，接合套就會(huì)越過(guò)同步環(huán)與等待嚙合的齒輪進(jìn)行嚙合，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊力，導(dǎo)致出現(xiàn)噪聲，但是依舊會(huì)完成換擋工作。對(duì)于同步器零件端面的裝配間隙不足，當(dāng)間隙過(guò)小時(shí)，在進(jìn)行換擋的過(guò)程中，接合套就會(huì)通過(guò)滑塊來(lái)推動(dòng)同步環(huán)進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，但是由于此時(shí)力量太小，在還沒(méi)有完成同步工作時(shí)，同步環(huán)的端面已經(jīng)與齒輪環(huán)的端面接觸在了一起，造成了同步器功能的失效，但是，此時(shí)，由于受到了換擋力的作用的接合套，依然在進(jìn)行著軸向運(yùn)動(dòng)，而同步失效以及鎖止作用也就造成了換擋的失敗。

在換擋的過(guò)程中，如果換擋力以及轉(zhuǎn)速差過(guò)大時(shí)，就會(huì)加大對(duì)同步器的磨損，因此，同步器的失效也可能是由于同步環(huán)受到了磨損而造成的。由于一檔的轉(zhuǎn)速差比較大，使用一段時(shí)間后，會(huì)對(duì)同步環(huán)造成較大的磨損，導(dǎo)致錐面的間隙增大，而配合間隙相對(duì)減小，雖然此時(shí)能夠在潤(rùn)滑油的作用下獲得一定的摩擦力，但是卻依舊沒(méi)有辦法達(dá)到同步的效果。

4 同步器換擋性能影響因素及優(yōu)化

4.1 提升同步力矩（Mc）

通過(guò)對(duì)計(jì)算換擋公式進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)增加同步環(huán)上的軸向力（F）、同步環(huán)的摩擦錐面與齒圈的摩擦錐面之間的摩擦系數(shù)（μc）以及同步環(huán)錐面的半徑（Rc），與此同時(shí)，還要減小同步環(huán)錐面的半角（φ）的值來(lái)提升同步力矩（Mc）。

（1）在增加同步環(huán)上的軸向力（F）時(shí)，主要通過(guò)增加變速箱內(nèi)部撥叉對(duì)同步環(huán)的波動(dòng)軸向力，來(lái)進(jìn)一步加大駕駛員換擋的操縱力、提升換擋系統(tǒng)的效率以及提高系統(tǒng)的杠桿比。但是如果操縱力過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致?lián)Q擋卡滯等不好掛擋的情況，所以在實(shí)際情況中，主要以提升換擋系統(tǒng)的效率以及提高系統(tǒng)的杠桿比來(lái)達(dá)到提升同步環(huán)上的軸向力的目的。

這幾項(xiàng)參數(shù)都是同步環(huán)的容量參數(shù)，主要是來(lái)評(píng)價(jià)同步環(huán)性能的。同步環(huán)的表面可以利用一些摩擦系數(shù)比較高的材料來(lái)提高μc值，如貼碳。Rc因?yàn)槠涫苤朴谧兯傧鋬?nèi)部空間的限制，一般無(wú)法直接加大，而是sinφ調(diào)整時(shí)，要考慮錐面的自鎖型。

4.2 降低慣性力矩（Mg）

根據(jù)計(jì)算慣性力矩的公式

可知，要想降低慣性力矩，就要降低Jw、以及△w的值，同時(shí)還要增大t的值。在降低Jw時(shí)，由于其輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中包括了齒輪系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及離合器從動(dòng)盤(pán)的慣量，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行綜合性的分析后，發(fā)現(xiàn)離合器從動(dòng)盤(pán)的慣量占據(jù)主要地位，因此，一般情況下都是通過(guò)降低離合器從動(dòng)盤(pán)的慣量來(lái)減小Jw的值。在降低△w值時(shí)，由于其直接影響著換擋瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)行同步時(shí)兩檔位齒輪的速比差值，因此，通過(guò)降低以上兩個(gè)數(shù)值來(lái)降低△w的值。在提升t值時(shí)，由于t的提升會(huì)影響到駕駛員掛擋的感覺(jué)，因此，一般情況下t商用車(chē)按0.5s、乘用車(chē)按0.3s以?xún)?nèi)進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)語(yǔ)

本文中分析了換擋性能的計(jì)算公式，對(duì)其中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析的結(jié)果提出了一些改進(jìn)的措施以及建議。由于整車(chē)換擋系統(tǒng)是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，除了以上分析出來(lái)的因素會(huì)對(duì)換擋性能造成影響外，還有系統(tǒng)的摩擦力、操縱過(guò)程中存在的阻力、駕駛員的換擋時(shí)機(jī)以及離合器的分離系統(tǒng)等因素也會(huì)對(duì)同步器的換擋性能造成影響，所以針對(duì)具體的問(wèn)題還需要有針對(duì)性地進(jìn)行分析。

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