机械式变速器同步器换挡性能的分析

张贵棣

（河海大学文天学院）

【摘要】随着人民生活水平不断的提高，人民对于汽车不单是将它作为一种代步的工具，而是对汽车的驾驶舒适性和操纵稳定等性能的要求越来越高，而变速箱性能的好坏直接影响汽车的操纵舒适性、行驶安全性。同步器作为变速箱里面的一个关键部件，能避免变速箱在换挡过程中引起花键的冲击，提升驾驶员的换挡效率。因此，如何提升同步器换挡的舒适性和性能便成为变速箱同步器研发的重点。

【关键词】机械式变速器 同步器 换挡性能

1.同步器换挡研究背景

21 世纪是汽车工业飞速发展的时代， 众所周知， 作为一个综合性的工业， 汽车工业反映了一个国家的综合工业水平，每时每刻都在改变着人类的生活。 在历史的进程中，由工业化到现代化的转变中，每个经济强国無不都是依靠汽车工业来完成这一进程。随着国民经济的迅速发展，我国对汽车的需求量越来越大，2016年，乘用车共销售2437.69万辆，同比增长14.93%，增幅高于上年7.63个百分点。另一方面，随着人民生活水平的不断提高，人民对于汽车不单是将它作为一种代步的工具，而是对汽车的操纵稳定性和驾驶舒适性等性能的要求越来越高。因此，近年来各大汽车企业已将汽车的研发重心放在提升汽车的质量和性能上，以求在汽车市场占领主导地位。作为汽车传动系上的主要部件，变速箱的主要功用是将发动机的动力平稳的传递给汽车车轮，根据驾驶员的行驶需要，通过改变里面的传动比来改变行驶的车速。同步器作为变速箱里面一个关键部件，能避免变速箱在换挡时引起两结合齿轮花键冲击，提升驾驶员的换挡效率，提高齿轮使用寿命。因此，变速箱的性能和使用寿命与同步器的性能和寿命是密切相关的。所以在保证同步器同步这一基本功能的基础上， 在变速箱的设计初期如何提升同步器的换挡性能便成为同步器研发的重点。

2.同步器换挡性能研究现状

变速箱从早期的两脚离合换挡到后面的简单接合套换挡，再到现在的同步器换挡，可以说变速箱换挡经历了从复杂到简单、从慢到快的转变过程。采用同步器换挡能使换挡平顺、减小换件啮合的冲击、减小换挡时间等优点，如今，几乎所有的手动变速箱都采用了同步器换挡。这样使得驾驶员在换挡时能够操纵更为简单、轻便，减轻驾驶疲劳强度， 提高驾驶安全性。因此，为了保证变速箱的质量和提高它的市场竞争力，变速箱制造厂商对于同步器的性能研究十分的重视。作为变速箱里面最重要的性能测试，国内外工程师都对同步器性能开展了广泛的研究，相关的研究可以具体到仿真研究和同步器换挡性能试验台的研究这两方面。国内对于同步器的研究起步较晚，加上国内大部分的同步器技术都是从国外引进， 同步器的技术主要还是靠消化吸收，随着国内自主企业对变速箱的投资和研发力度加大，国内一些高校和学者也纷纷对同步器进行了研究，并取得了一些研究成果。同步器性能试验作为变速箱性能测试实验中最重要的试验，受到各个变速箱制造厂家和主机厂的关注。由于同步器的性能试验主要是模拟整车时的行驶工况，这就要求试验台要与整车各项参数指标要求一致。而试验台最主要的控制就体现在对电机的控制和换挡机器人的控制，电机的控制模拟汽车输出端的惯量和转速， 换挡机械手主要来模拟人工的换挡，这两种控制对于研究同步器的换挡性能有很大的影响。作为汽车工业的大国，德国、日本、美国这几个国家对试验台的研究这块已走在该领域的前端。对比国内外的研究可以看出，对于同步器的换挡性能的研究无论是在台架还是仿真中都是要建立整个换挡过程来模拟实际换挡工况，以便从整体上评价同步器的换挡性能。因此，通过建立变速箱的换挡过程模型模拟人工换挡来对同步器的换挡性能进行评价依旧是很好的研究课题。

3.同步器的结构和工作原理分析

目前，在机械式手动变速器中，为了能使换挡响应迅速无冲击， 高汽车的动力性和驾驶舒适性，几乎所有的车中均采用了同步器。变速箱换挡从早期的两脚踩离合到后期的同步器换挡主要经历了常压式同步器、惯性式同步器、惯性增力式同步器等几种类型。当前，绝大多数的变速箱同步器均是采用惯性式同步器。由于它能够保证变速箱在换挡时目标档位齿轮转速与齿套的转速在未同步之前不能完成换挡，进而能避免造成花键的冲击，因此被广泛的运用到汽车变速箱中。本文以惯性式同步器为例，分析其工作原理。由于惯性式同步器在设计时保证了作用在同步环上的拨环力矩小于摩擦力矩，齿套锁止面与同步环锁止面在输入输出端的转速未达到同步前一直贴合，使得齿套的花键和同步环的花键不能立即啮合，因此惯性式同步器能从根本上解决未同步就啮合这一情况，减少了换挡时的花键冲击和换挡噪声。。

4.惯性式同步器换挡过程

换挡过程分为预同步、同步、拨环转动、自由运动、连接阶段、档位位置六个阶段。换挡前，由于换挡机构上面一系列的弹性元件使得齿套和拨叉等换挡件处于空挡位置，换挡时，驾驶操纵者手上的力作用在操纵手柄上，通过一连串的外部换挡机构、拉线等装置消除相关的间隙将力传递到拨叉上，拨叉再将力传递给齿套，作用在齿套上的力使压在钢球槽的滑块发生移动，使得滑块顶到同步环，使同步环的摩擦锥面和齿圈的摩擦锥面相互摩擦，这时同步环转动一个角度，齿套克服钢球弹簧的弹力向前移动并与同步环的锁止面相贴合。随着驾驶员的力加大，这时两摩擦面的摩擦加剧，当两者的转速达到同步后，摩擦力矩消失，同步环回转一个角度，齿套与同步环相啮合，齿套跨过同步环，继续轴向的移动和从动齿轮上的结合齿圈相啮合，最终完成换档。惯性式同步器主要有三个功能机构，分别为定位功能、锁止功能、同步功能机构。定位功能机构主要指的是齿套上的钢球槽和滑块，弹簧组成，主要是在预同步过程中起作用，锁止功能机构主要指的是齿套的锁止角和同步环的锁止角，这一机构主要在锁止过程中起作用，同步功能机构主要有同步环的摩擦锥面和从动齿轮的摩擦锥面组成，主要是在同步过程中起作用，同步机构决定着同步器的性能好坏，是衡量同步器性能的重要标准。

5.结束语

由于个人能力所限，本文并未深入探讨，缺乏有效的仿真方法来对变速箱的换挡性能进行评价。我会把此作为下一研究目标，更加投入与此。

参考文献：

[1]新华网http：//news.xinhuanet.com/auto/2017-01/12/c_1120298824.htm

[2]Loeffler J M. Multiple cone synchronizer for vehi-cle transmission： U.S. Patent 5，560，461.