變速箱同步器換擋過程與失效案例分析

摘要：針對同步器換擋過程中的失效問題，將同步器換擋過程根據(jù)同步器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸按階段分解，明確各階段中重要影響參數(shù)，總結(jié)變速箱設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的失效案例，從而解決各種在換擋過程中的失效問題，改進(jìn)同步器的設(shè)計(jì)，提升變速箱換擋品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：同步器;換擋過程;變速箱

中圖分類號：U463.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1005-2550（2020）02-0021-05

李亞娟

畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)車輛工程專業(yè)，碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于上海汽車集團(tuán)股份有限公司，主要研究方向?yàn)辇X軸及同步器設(shè)計(jì)，已發(fā)表《手動(dòng)變速箱靜態(tài)換擋分析及優(yōu)化研究》、《手動(dòng)變速箱倒擋卡滯優(yōu)化研究》。

前言

同步器是手動(dòng)變速箱和雙離合自動(dòng)變速箱實(shí)現(xiàn)換擋的重要零部件之一，由于離合器輸入端和變速箱輸出端具有轉(zhuǎn)速差，同步器通過同步環(huán)和齒輪錐面產(chǎn)生的摩擦力矩，保證換擋時(shí)齒輪和同步器齒套的轉(zhuǎn)速一致，減少換擋時(shí)由于輸入輸出端轉(zhuǎn)速差導(dǎo)致的沖擊，從而消除換擋時(shí)的噪聲，提高換擋舒適性，同步器結(jié)構(gòu)見圖1。

換擋時(shí)，駕駛員或者TCU根據(jù)駕駛員意圖發(fā)出換擋指令，以DCT變速箱為例，DCT變速箱的液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)撥叉帶動(dòng)同步器齒套向檔位齒方向移動(dòng)，齒套推動(dòng)滑塊，滑塊彈簧產(chǎn)生的軸向力可以消除同步環(huán)摩擦面和齒輪錐面間的油膜，開始建立錐面間的摩擦系數(shù)，完成同步器預(yù)同步;同步環(huán)在產(chǎn)生摩擦力矩時(shí)，通過梅角對齒套的軸向移動(dòng)進(jìn)行鎖止;當(dāng)同步完成，摩擦力矩消失，齒套可進(jìn)一步往前移動(dòng)，克服軸系的阻力矩，完成齒輪結(jié)合齒花鍵的嚙合，從而完成換擋實(shí)現(xiàn)扭矩的傳動(dòng)。

目前，手動(dòng)變速箱、DCT變速箱出現(xiàn)過進(jìn)擋打齒、卡滯、二次沖擊、脫檔等失效故障，為解決這些問題，需要更清楚的了解同步器同步的過程，將同步器換擋過程按設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分解，了解故障發(fā)生的位置，從而找到改善的方向。

1同步器換擋過程

同步器從空擋到進(jìn)擋過程可以分為以下六個(gè)階段：空擋、分度、同步、齒套穿過同步環(huán)、齒套撥動(dòng)結(jié)合齒、進(jìn)擋，過程示意見圖2。

空擋時(shí)，撥叉在同步器齒套撥叉槽中間，滑塊鋼球在齒套球槽內(nèi)，此時(shí)滑塊和同步環(huán)軸向間隙約為0.5-1.2mm，為空擋間隙。同步環(huán)摩擦面與齒輪錐面間存在油膜，摩擦扭矩未建立，見圖2（a）。

當(dāng)變速箱換擋時(shí)，撥叉向目標(biāo)檔位軸向移動(dòng)，齒套推動(dòng)滑塊軸向移動(dòng)，消除滑塊和同步環(huán)之間的軸向間隙。此時(shí)，滑塊端面與同步環(huán)接觸，產(chǎn)生錐面間的軸向壓力，剪切同步環(huán)錐面間的油膜，同步環(huán)和齒輪錐面之間產(chǎn)生摩擦力矩，見圖2（b）。此時(shí)，同步環(huán)被摩擦力矩帶起旋轉(zhuǎn)，而同步環(huán)伸出的插腳旋轉(zhuǎn)后遇到齒轂凹槽壁停止周向運(yùn)動(dòng)。齒套花鍵梅角與同步環(huán)梅角斜面相對，分度完成，見圖3：

同步階段，齒套在換擋力的作用下，繼續(xù)往結(jié)合齒方向軸向移動(dòng)，齒套梅角斜面與同步環(huán)梅角斜面頂住，為鎖止?fàn)顟B(tài)，見圖2（c）。此時(shí)同步環(huán)摩擦面與結(jié)合齒錐面間產(chǎn)生摩擦力矩，齒套梅角斜面與同步環(huán)梅角斜面產(chǎn)生撥環(huán)力矩，設(shè)計(jì)要求摩擦力矩大于撥環(huán)力矩。摩擦力矩使得結(jié)合齒轉(zhuǎn)速與齒套轉(zhuǎn)速趨于一致，在完全同步前，要保持齒套和同步環(huán)的鎖止，否則同步環(huán)尚未同步轉(zhuǎn)速差，齒套往前繼續(xù)移動(dòng)會導(dǎo)致打齒。

同步完成后，同步環(huán)和結(jié)合齒錐面間的摩擦力矩消失，齒套梅角和同步環(huán)梅角的撥環(huán)力矩開始起作用，齒套梅角撥開同步環(huán)，穿過同步環(huán)花鍵齒槽繼續(xù)往前移動(dòng)，在到達(dá)結(jié)合齒前這一段為自由行程，見圖2（d）。在這段自由行程中，由于變速箱自身的阻力矩以及油液的阻力矩，又會引起新的轉(zhuǎn)速差。

圖2（e），齒套繼續(xù)往前移動(dòng)，可能會與結(jié)合齒的梅角隨機(jī)相抵，由于齒套和結(jié)合齒又產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)速差，會產(chǎn)牛較大的結(jié)合力，因此在齒套撥動(dòng)結(jié)合齒過程易產(chǎn)生二次沖擊的振動(dòng)和噪聲。如果變速箱拖曳力矩較大，那么此過程二次沖擊也較大。最后，圖2（f）齒套繼續(xù)往前移動(dòng)，與結(jié)合齒花鍵嚙合，完成換擋，扭矩可從齒輪經(jīng)齒套和齒轂傳遞到輸出軸上。

2換擋過程中的失效形式

消費(fèi)者在體驗(yàn)車輛時(shí)，除了主觀能感受到的造型、內(nèi)外飾、科技感外，變速箱的換擋性能也是一個(gè)影響消費(fèi)者體驗(yàn)的重要指標(biāo)。變速箱在換擋過程中，如設(shè)計(jì)魯棒性不足、不合理以及零件尺寸控制不嚴(yán)會出現(xiàn)磨損、打齒、卡滯、二次沖擊和脫檔等一些列換擋問題。下面便根據(jù)換擋過程的幾個(gè)階段，分析一些失效案例。

2.1磨損

某手動(dòng)變速箱在完成同步器換擋耐久臺架后，拆解時(shí)發(fā)現(xiàn)倒檔撥叉塑封和同步環(huán)磨損。但由于該試驗(yàn)為前進(jìn)擋換擋耐久試驗(yàn)，沒有參與工作的倒檔反而磨損，懷疑其換擋系統(tǒng)上尺寸鏈存在問題。

經(jīng)拆解檢測零件尺寸，發(fā)現(xiàn)R檔撥叉的R檔側(cè)鉗口圓柱面輪廓度超差嚴(yán)重，無法通過檢具，因此在空擋時(shí)與選換擋套筒外部圓柱面干涉。此外，撥叉軸孔垂直度超差，會導(dǎo)致?lián)懿婺_往R檔側(cè)偏斜?？諜n時(shí)，選換擋套筒外部圓柱面將撥叉往倒檔方向撥動(dòng)，導(dǎo)致?lián)懿婺_靠到齒套撥叉槽側(cè)壁;R檔齒套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致?lián)懿婺_塑封磨損，而被吃掉的同步器空擋間隙導(dǎo)致同步環(huán)摩擦材料一致處于磨損狀態(tài)，導(dǎo)致同步環(huán)磨損，此故障出現(xiàn)在同步器工作的第一階段。由于手動(dòng)變速箱的空擋間隙尺寸鏈較長，在設(shè)計(jì)時(shí)更要細(xì)致校核，并在牛產(chǎn)時(shí)嚴(yán)控相關(guān)尺寸。

2.2打齒

某手動(dòng)變速箱在低溫啟動(dòng)后，換3、4檔會出現(xiàn)較明顯的“咔嚓”打齒聲，為冷啟動(dòng)換擋打齒故障，待熱車后又消失，初步判定于油溫有關(guān)。為找到此問題的根本原因，通過同步器零部件低溫?fù)Q擋臺架上進(jìn)行模擬復(fù)現(xiàn)，試驗(yàn)證明該同步環(huán)的紙基碳摩擦面，在低溫下摩擦系數(shù)u1會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，見圖6：

橫坐標(biāo)一循環(huán)次數(shù);

縱坐標(biāo)（從左到右）：油溫（℃）、換擋力（N）、摩擦系數(shù)u、鎖止位置（mm）、轉(zhuǎn)速差（1/min）

而摩擦系數(shù)u1與梅角面鎖止安全性有關(guān)，如果u1過低，導(dǎo)致同步環(huán)無法鎖止齒套，齒套繼續(xù)往結(jié)合齒方向移動(dòng)，導(dǎo)致打齒。后續(xù)將同步環(huán)摩擦面更換為碳顆粒摩擦材料后，消除低溫下摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，打齒現(xiàn)象消失。此故障在換擋過程的第三個(gè)步驟中出現(xiàn)，為同步過程中鎖止失效導(dǎo)致打齒。

2.3卡滯

在第5階段齒套撥結(jié)合齒過程中，易發(fā)齒套和同步環(huán)卡滯導(dǎo)致的虛進(jìn)擋故障。比如某DCT變速箱，在1檔進(jìn)擋時(shí)有客戶抱怨車輛起步加油門無動(dòng)力脫檔的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)顯示，在1000N換擋力下，撥叉瞬間有很大變形，使軟件誤判進(jìn)擋到位，踩油門后便立刻報(bào)故障脫擋。按測試曲線中的撥叉行程分析，1檔由于在靜態(tài)掛擋時(shí)，在齒套撥結(jié)合齒這一階段，齒套倒錐倒角與同步環(huán)梅角棱邊頂住，如圖7所示。使同步環(huán)產(chǎn)生一軸向力預(yù)壓結(jié)合齒錐面，產(chǎn)生一摩擦力矩，此時(shí)結(jié)合齒被撥正時(shí)，需要同時(shí)克服拖曳力矩和摩擦力矩，導(dǎo)致進(jìn)擋力急劇增加，引起撥叉變形，使軟件誤判進(jìn)擋到位。駕駛員踩油門后，由于實(shí)際齒套和結(jié)合齒花鍵沒有嚙合而立刻脫檔。

為解決此問題，將一檔三錐同步環(huán)增加預(yù)磨.合，減小同步環(huán)錐面抱死風(fēng)險(xiǎn)。并將齒套1擋側(cè)倒錐倒角后移1.5mm，避開同步環(huán)梅角棱邊位置，消除頂住同步環(huán)而產(chǎn)生的卡滯。該方案實(shí)施應(yīng)用后，此類虛進(jìn)擋的脫檔故障率由6.33‰降至1.07‰以下。

2.4二次沖擊

在齒套撥動(dòng)結(jié)合齒的過程中，手動(dòng)變速箱易產(chǎn)生二次沖擊的問題，這是由于在同步環(huán)鎖止消除后，齒套繼續(xù)往前移動(dòng)，由于變速箱的拖曳阻力矩，齒套和結(jié)合齒之間又產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)速差，拖曳力矩越大，轉(zhuǎn)速差越大，從而在齒套遇到結(jié)合齒花鍵時(shí)，導(dǎo)致的二次沖擊越大。某手動(dòng)變速箱由于二次沖擊大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如圖8所示（2檔換3檔），經(jīng)變速箱加裝轉(zhuǎn)速傳感器測量發(fā)現(xiàn)，第四階段自由行程時(shí)出現(xiàn)142rpm的轉(zhuǎn)速差，從而換擋力又一次增大，形成二次沖擊。

橫坐標(biāo)：時(shí)間（s）

縱坐標(biāo)（從左到右）：行程（mm），轉(zhuǎn)速差（rpm）

為研究二次沖擊的影響因素，對變速箱換擋機(jī)構(gòu)及同步器進(jìn)行影響因素分析，經(jīng)各方案設(shè)計(jì)及裝車驗(yàn)證實(shí)測表明：換擋機(jī)構(gòu)的拉索接頭改為軟接頭、合理增加配重塊質(zhì)量、選換擋detent及凸輪型線更改以及同步器滑塊力增大、齒套梅角政為不對稱設(shè)計(jì)等方案有改善二次沖擊的作用，其中齒套梅角偏置0.4mm后，自由行程縮短，轉(zhuǎn)速差也降低明顯，數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)測試，采用偏梅角的齒套方案，其二次沖擊為43%，與對稱梅角方案的61%相比，降低29.5%，主客觀換擋性能得到改講。

2.5脫檔

在換擋最后階段，同步器齒套花鍵與結(jié)合齒花鍵嚙合，完成扭矩的傳遞，由于齒套和結(jié)合齒上倒錐角的作用下，扭矩會轉(zhuǎn)化為軸向的鎖止力，從而防止變速箱脫檔。

某變速箱在改型設(shè)計(jì)時(shí)，為提升加速性，增大了一檔的速比，在齒軸耐久試驗(yàn)時(shí)，一檔發(fā)牛脫檔故障。經(jīng)零件尺寸檢測發(fā)現(xiàn)，一檔結(jié)合齒倒錐角度基本處于圖紙?jiān)O(shè)計(jì)下差，這是由于一檔結(jié)合齒為片狀設(shè)計(jì)，在齒輪焊接結(jié)合齒后進(jìn)行熱處理，結(jié)合齒倒錐產(chǎn)牛角度變形所致。因此，將結(jié)合齒和齒套的倒錐角從3°±0.5°增加到4°±0.5°后，脫檔故障消失。

因此，結(jié)合齒和齒套倒錐角若設(shè)計(jì)下限值較小，易引起脫檔故障，導(dǎo)致整車行駛過程中動(dòng)力中斷，設(shè)計(jì)值建議在4°-5°之間。此外，結(jié)合齒和齒套花鍵嚙合的重合長度過短也會引起脫檔，要求重合長度理論計(jì)算值大于0.9mm。

4結(jié)論

本文從同步器換擋過程各階段出發(fā)，將各階段的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與常見失效案例相結(jié)合，分析了與同步器設(shè)計(jì)相關(guān)的打齒、卡滯、二次沖擊和脫檔故障的相關(guān)影響因素，并給出了有效的解決方案。

1）同步器打齒與變速箱油品、同步環(huán)摩擦材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性相關(guān)，岡此在變速箱換擋耐久臺架試驗(yàn)前，要充分進(jìn)行油品與摩擦材料的系列認(rèn)證試驗(yàn)。

2）同步環(huán)卡滯經(jīng)常出現(xiàn)在多錐的碳摩擦材料同步環(huán)上，因此多錐同步環(huán)的防抱死安全系數(shù)要按照經(jīng)驗(yàn)留有余量。

3）同步器設(shè)計(jì)時(shí)要考慮結(jié)合齒、同步環(huán)、齒套三者之間的動(dòng)態(tài)位置關(guān)系，避免同步環(huán)與齒套倒錐角結(jié)束時(shí)的干涉，避免發(fā)生此處的換檔卡滯故障。

4）手動(dòng)變速箱的二次沖擊主要原因?yàn)樽杂尚谐坍a(chǎn)生的轉(zhuǎn)速差，減少自由行程可以減少二次沖擊的發(fā)生。減少自由行程的主要方法有：齒套、同步環(huán)或者結(jié)合齒梅角采用偏梅角設(shè)計(jì);齒套花鍵設(shè)計(jì)為長短齒，長齒可以先與結(jié)合齒結(jié)合，而短齒仍對同步環(huán)梅角進(jìn)行鎖止，進(jìn)而可以減短自由行程的長度。

5）齒套和結(jié)合齒的倒錐角設(shè)計(jì)要考慮到熱處理變形的影響，且多錐同步器的齒套和結(jié)合齒的掛檔嚙合長度要格外關(guān)注，避免發(fā)牛掛上檔后的脫檔故障。

因此，深入分析同步器換擋過程的動(dòng)態(tài)尺寸鏈，可以有效避免以上故障模式的出現(xiàn)。