不對(duì)稱花鍵嚙合齒對(duì)鎖環(huán)式同步器換擋平順改善分析

魏小強(qiáng)

摘 要：目前鎖環(huán)式同步器對(duì)稱結(jié)構(gòu)的花鍵嚙合齒存在換擋二次沖擊問題，即在同步器同步結(jié)束滑套與結(jié)合齒圈嚙合時(shí)會(huì)產(chǎn)生過大的換擋沖擊，在變速器上反映出掛檔有頓挫、卡滯等不順暢感覺，造成換擋舒適性降低，增加了司機(jī)駕駛換擋強(qiáng)度。并且鎖環(huán)式同步器二次沖擊較大會(huì)產(chǎn)生噪音，影響變速器的整體性能。本文是在鎖環(huán)式同步器的基礎(chǔ)上，改變鎖環(huán)式同步器滑套、同步環(huán)、結(jié)合齒圈的花鍵嚙合齒，將花鍵兩側(cè)的嚙合齒面設(shè)計(jì)成不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并根據(jù)同步器在變速器中使用的情況，考慮工作原理將不對(duì)稱度適當(dāng)增加，在不影響使用壽命和可靠性的基礎(chǔ)上，可顯著提高鎖止可靠性，保證同步器具有的同步傳扭功能。另外在嚙合齒與倒錐齒連接位置增加過渡圓角或倒角，這為換擋力的逐步過渡提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，可保證換擋的平穩(wěn)順暢。

關(guān)鍵詞：不對(duì)稱花鍵； 嚙合齒； 二次沖擊； 鎖環(huán)式；同步器

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2019）01-0100-05

Abstract： At present， there is a problem of shifting secondary impact exist in the lock-ring synchronizer with symmetrical spline meshing teeth， that is， when the synchronizer is synchronized to end the engagement between the sliding sleeve and the engaged gear， excessive shifting impact will occur， which reflects the unsmooth feeling such as stumbling and jamming on the transmission when gear shifting， resulting in the reduction of shifting comfort and the increase of driver driving strength. Moreover， the shifting secondary impact of the lock ring synchronizer may produce large noise， which affects the overall performance of the transmission. Based on the lock-ring synchronizer， this paper changes spline meshing teeth of the sliding sleeve， synchronous ring and engaged gear in the lock-ring synchronizer， designs the meshing tooth surfaces on both sides of the spline as an asymmetrical structure， and according to the use of the synchronizer in the transmission， it also considers the working principle to increase the asymmetry appropriately without affecting the use based of using life and reliability， the locking reliability can be significantly improved， the synchronizer synchronous torque and transfer torque function can be guaranteed. In addition， the transition fillet or chamfering angle is added at the connecting position between meshing teeth and inverted conical teeth， which provides good structural basis for the gradual shifting force and ensures the shift steadily and smoothly.

Key Words： Guide-pipe； Pressure； Pressure-displacement curve； interference； Lubrication； pressure-loading speed

鎖環(huán)式同步器在傳統(tǒng)機(jī)械式變速器上應(yīng)用比較普遍[1]，其花鍵兩側(cè)嚙合齒是對(duì)稱的，圖1是鎖環(huán)式雙錐面同步器結(jié)構(gòu)圖，由9個(gè)零件組成，1為外摩擦環(huán)（同步環(huán)）、2為摩擦中間環(huán)、3為內(nèi)摩擦環(huán)、4為結(jié)合齒圈、5為齒轂、6為滑套、7為滑塊、8為柱銷、9為彈簧。

1 不對(duì)稱花鍵齒的鎖環(huán)式同步器

變速器進(jìn)行鎖環(huán)式同步器換擋性能試驗(yàn)的時(shí)候，通過采集得到換擋過程中力與時(shí)間的換擋性能曲線可以看出存在二次撥環(huán)過程的沖擊力很大，對(duì)此通過研究考慮開發(fā)不對(duì)稱嚙合齒來降低二次撥環(huán)沖擊，從而降低在變速器換擋時(shí)產(chǎn)生的頓挫感。

以下是改同步器的基本結(jié)構(gòu)和不對(duì)稱花鍵嚙合齒特征。

圖3是不對(duì)稱花鍵嚙合齒的同步器滑套三維圖。

圖4是不對(duì)稱花鍵嚙合齒的同步器滑套三維局部放大圖，6a是指花鍵嚙合短齒面、6b是指花鍵嚙合長齒面。

圖5是不對(duì)稱花鍵嚙合齒的同步器滑套設(shè)計(jì)示意圖。

圖6是不對(duì)稱花鍵嚙合齒的同步器結(jié)合齒圈三維圖。

圖7是不對(duì)稱花鍵嚙合齒的同步器結(jié)合齒圈三維局部放大圖，4a是指花鍵嚙合短齒面、4b是指花鍵嚙合長齒面、4c是指花鍵倒錐齒、4d是指花鍵嚙合齒面過渡圓角。

圖8是不對(duì)稱花鍵嚙合齒的同步環(huán)三維圖。

圖9是不對(duì)稱花鍵嚙合齒的同步環(huán)三維局部放大圖，1a是指花鍵嚙合短齒面、1b是指花鍵嚙合長齒面。

圖10是不對(duì)稱花鍵嚙合齒的參數(shù)示意圖。

圖11是滑套嚙合齒對(duì)稱的結(jié)構(gòu)示意圖。

2 工作過程描述

假設(shè)上述不對(duì)稱花鍵嚙合齒的鎖環(huán)式同步器應(yīng)用于某型號(hào)變速器1檔和2檔位置中，從圖1的正面看，假設(shè)1檔齒輪位于圖1的右側(cè)、2檔齒輪位于圖1的左側(cè)，變速器的輸入端在左側(cè)，輸出端在右側(cè)，那么從輸出端往輸入端看，變速器輸出軸是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的。

下面以變速器由2檔掛1檔為例說明此發(fā)明的工作原理[2]，在2檔位置時(shí)時(shí)變速器二軸轉(zhuǎn)速較高，一檔齒輪轉(zhuǎn)速較低，當(dāng)進(jìn)行掛一檔時(shí)，同步器滑套6帶動(dòng)滑塊7和柱銷8一起向右移動(dòng)，靠近一檔側(cè)同步環(huán)4時(shí)在撥環(huán)力矩作用下將沿軸線旋轉(zhuǎn)一定角度，接著使同步器滑套6的花鍵嚙合長齒面6b與同步環(huán)的花鍵嚙合長齒面1b逐漸切入并完全貼合，此時(shí)進(jìn)入同步鎖止?fàn)顟B(tài)，同步器摩擦環(huán)相互貼緊，在摩擦力矩的作用下，一檔齒輪轉(zhuǎn)速升高，二軸轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)二者轉(zhuǎn)速差基本相等時(shí)，摩擦力矩消失[3]，撥環(huán)力矩的存在使同步環(huán)4反轉(zhuǎn)一定角度，此時(shí)滑套的花鍵嚙合長齒面6b越過同步環(huán)4花鍵直齒部分，與結(jié)合齒圈的花鍵嚙合短齒面4a產(chǎn)生輕微的沖擊并接觸，滑過花鍵嚙合齒面過渡圓角4d與指花鍵倒錐齒4c，最后實(shí)現(xiàn)了同步器滑套6的倒錐齒與結(jié)合齒圈4的倒錐齒4c的嚙合，此時(shí)動(dòng)力經(jīng)由二檔齒輪、同步器結(jié)合齒圈4、同步器滑套6、同步器齒轂5、二軸傳遞，即變速器順利掛入了一檔。

在同步器由1檔掛2檔時(shí)，在1檔位置時(shí)變速器二軸轉(zhuǎn)速較低，二檔齒輪轉(zhuǎn)速較高，同步器滑套向左移動(dòng)使摩擦環(huán)產(chǎn)生摩擦力矩使二檔齒輪轉(zhuǎn)速降低，二軸轉(zhuǎn)速升高，兩者達(dá)到相等，完成同步，其它過程與上述類似[4]，同步器滑套、同步環(huán)花鍵嚙合使用的分別是長齒面6b和1b、結(jié)合齒圈花鍵嚙合使用的是短齒面4a。

在同步器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該將同步器的滑套齒布置設(shè)計(jì)成如圖5所示的要求，即1檔側(cè)滑套嚙合短齒面6a應(yīng)該朝上、長齒面6b應(yīng)該朝下；2檔側(cè)滑套嚙合短齒面6a應(yīng)該朝下、長齒面6b應(yīng)該朝上；這樣對(duì)一套同步器而言，兩側(cè)的結(jié)合齒圈和同步環(huán)可以通用，不會(huì)發(fā)生裝錯(cuò)，不增加新的零件。但是同步器滑套需要區(qū)別使用的檔位，應(yīng)該在滑套上標(biāo)識(shí)區(qū)分檔位的標(biāo)記，否則會(huì)發(fā)生裝錯(cuò)與設(shè)計(jì)意圖相悖，例如某鎖環(huán)式同步器總成，在裝低檔的一側(cè)應(yīng)該在變速器中一檔位置，裝高檔的一側(cè)應(yīng)該在變速器中二檔位置，不能將低檔的一側(cè)裝入二檔位置，將高檔的一側(cè)裝入一檔位置。所以應(yīng)該注意在裝配同步器總成和二軸總成時(shí)防止發(fā)生裝反影響使用要求。

同步器滑套、同步環(huán)、結(jié)合齒圈的花鍵嚙合齒不對(duì)稱度可以相同，也可以不相同，不對(duì)稱度即相對(duì)于原對(duì)稱嚙合面中心線偏置一定距離后形成的兩側(cè)長齒面寬與短齒面寬的比值。不對(duì)稱度越大，同步后二次沖擊改善越明顯，變速器換檔的順暢性和柔和性更明顯。相對(duì)于原對(duì)稱嚙合面中心線偏置一定距離的距離為m，如圖10所示，一般情況下m的值在0.5～2mm，跟花鍵嚙合齒的齒厚有關(guān)，齒厚越大，相應(yīng)的m值可以適當(dāng)取大值。假設(shè)花鍵嚙合齒齒厚為s，則不對(duì)稱度ξ便可按下式確定。

不對(duì)稱花鍵嚙合齒的兩側(cè)齒面的夾角k的確定，一般情況下兩側(cè)夾角相等，即k=2p，但也可以不相等，不相等時(shí)主要保證鎖止角k-p的角度要求，一般情況下k-p在55°～65°，跟同步器的同步容量設(shè)計(jì)要求相關(guān)，k值一般在110°～130°。

另外一種結(jié)構(gòu)是將滑套做成兩側(cè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的[5]，如圖11所示，此結(jié)構(gòu)對(duì)滑套而言沒有特殊加工的正反面要求，但是兩側(cè)的同步環(huán)必須是兩個(gè)零件，不對(duì)稱嚙合齒長齒面剛好相反，在裝配保證不能裝錯(cuò)；兩側(cè)的結(jié)合齒圈也必須是兩個(gè)零件，不對(duì)稱嚙合齒長齒面剛好相反，在裝配保證不能裝錯(cuò)，故成本相比上文介紹的結(jié)構(gòu)更高。

不對(duì)稱嚙合齒比對(duì)稱嚙合齒的加工更困難，尤其是在加工結(jié)合齒圈4a與4c、4b與4c連接處的過渡圓角4d時(shí)，故此結(jié)構(gòu)需要較高的制造成本。

結(jié)合齒圈的特征4c可以為圓角或倒角，且4a與4c、4b與4c圓角與倒角可以不同。其中圓角的效果比倒角更明顯，但加工難度比倒角更高。若在制造方面有難度，可以去掉特征4c，但應(yīng)保證4a與4c、4b與4c過渡處沒有尖點(diǎn)突出和毛刺。

將此不對(duì)稱花鍵嚙合齒結(jié)構(gòu)應(yīng)用到某變速器進(jìn)行主箱同步器換擋性能試驗(yàn)[6]，通過采集得到換擋過程中力與時(shí)間的換擋性能曲線如圖12所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間s，可以看出二次撥環(huán)過程的最大沖擊力有很大程度的降低，換檔更加平順柔和，基本消除了頓挫感。

3 總結(jié)

本文采用不對(duì)稱花鍵嚙合齒的同步器具有以下的特點(diǎn)：

1）同步器嚙合齒不對(duì)稱度的大小確定比較困難，即當(dāng)花鍵參數(shù)確定，花鍵的齒寬也就確定，在保證鎖止要求的齒面鎖止角下，不對(duì)稱度越大則空行程越短，同步后換檔嚙合的二次撥環(huán)沖擊也將小，但過大的不對(duì)稱度將造成熱處理變形過大容易發(fā)生淬火滲透，使得整個(gè)花鍵齒容易脆斷。

2）不對(duì)稱齒的加工比對(duì)稱齒加工困難，尤其是在嚙合齒與倒錐齒位置增加過渡圓角或倒角時(shí)，將會(huì)使加工難度進(jìn)一步提升，成本也相對(duì)較高，其中圓角的效果比倒角更明顯，但加工難度比倒角更高。

3）具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

①同步器具有更好的鎖止可靠性，滑套與同步環(huán)的鎖止面嚙合時(shí)間長，結(jié)合面積大，為同步過程提供了良好的鎖止結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

②增加了同步過程中滑套在同步環(huán)鎖止面上的滑行距離，減少了齒套靠近結(jié)合齒圈時(shí)的空行程帶來的換擋轉(zhuǎn)速差，而換擋轉(zhuǎn)速差較大，則會(huì)出現(xiàn)換擋沖擊，由此降低了同步結(jié)束后的二次換擋沖擊。

③通過嚙合齒與倒錐齒位置過渡圓角的設(shè)計(jì)保證了換擋的操作舒適性和降低了同步器運(yùn)轉(zhuǎn)的噪聲，此對(duì)變速器總體性能的提升和整車換擋性能的提升具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Harald Naunheimer（德）等著，宋進(jìn)桂、龔宗洋等譯.汽車變速器理論基礎(chǔ)、選擇、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[4]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.

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