不对称花键啮合齿对锁环式同步器换挡平顺改善分析

魏小强

摘 要：目前锁环式同步器对称结构的花键啮合齿存在换挡二次冲击问题，即在同步器同步结束滑套与结合齿圈啮合时会产生过大的换挡冲击，在变速器上反映出挂档有顿挫、卡滞等不顺畅感觉，造成换挡舒适性降低，增加了司机驾驶换挡强度。并且锁环式同步器二次冲击较大会产生噪音，影响变速器的整体性能。本文是在锁环式同步器的基础上，改变锁环式同步器滑套、同步环、结合齿圈的花键啮合齿，将花键两侧的啮合齿面设计成不对称结构，并根据同步器在变速器中使用的情况，考虑工作原理将不对称度适当增加，在不影响使用寿命和可靠性的基础上，可显著提高锁止可靠性，保证同步器具有的同步传扭功能。另外在啮合齿与倒锥齿连接位置增加过渡圆角或倒角，这为换挡力的逐步过渡提供了结构基础，可保证换挡的平稳顺畅。

关键词：不对称花键； 啮合齿； 二次冲击； 锁环式；同步器

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：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

鎖环式同步器在传统机械式变速器上应用比较普遍[1]，其花键两侧啮合齿是对称的，图1是锁环式双锥面同步器结构图，由9个零件组成，1为外摩擦环（同步环）、2为摩擦中间环、3为内摩擦环、4为结合齿圈、5为齿毂、6为滑套、7为滑块、8为柱销、9为弹簧。

1 不对称花键齿的锁环式同步器

变速器进行锁环式同步器换挡性能试验的时候，通过采集得到换挡过程中力与时间的换挡性能曲线可以看出存在二次拨环过程的冲击力很大，对此通过研究考虑开发不对称啮合齿来降低二次拨环冲击，从而降低在变速器换挡时产生的顿挫感。

以下是改同步器的基本结构和不对称花键啮合齿特征。

图3是不对称花键啮合齿的同步器滑套三维图。

图4是不对称花键啮合齿的同步器滑套三维局部放大图，6a是指花键啮合短齿面、6b是指花键啮合长齿面。

图5是不对称花键啮合齿的同步器滑套设计示意图。

图6是不对称花键啮合齿的同步器结合齿圈三维图。

图7是不对称花键啮合齿的同步器结合齿圈三维局部放大图，4a是指花键啮合短齿面、4b是指花键啮合长齿面、4c是指花键倒锥齿、4d是指花键啮合齿面过渡圆角。

图8是不对称花键啮合齿的同步环三维图。

图9是不对称花键啮合齿的同步环三维局部放大图，1a是指花键啮合短齿面、1b是指花键啮合长齿面。

图10是不对称花键啮合齿的参数示意图。

图11是滑套啮合齿对称的结构示意图。

2 工作过程描述

假设上述不对称花键啮合齿的锁环式同步器应用于某型号变速器1档和2档位置中，从图1的正面看，假设1档齿轮位于图1的右侧、2档齿轮位于图1的左侧，变速器的输入端在左側，输出端在右侧，那么从输出端往输入端看，变速器输出轴是逆时针旋转的。

下面以变速器由2档挂1档为例说明此发明的工作原理[2]，在2档位置时时变速器二轴转速较高，一档齿轮转速较低，当进行挂一档时，同步器滑套6带动滑块7和柱销8一起向右移动，靠近一档侧同步环4时在拨环力矩作用下将沿轴线旋转一定角度，接着使同步器滑套6的花键啮合长齿面6b与同步环的花键啮合长齿面1b逐渐切入并完全贴合，此时进入同步锁止状态，同步器摩擦环相互贴紧，在摩擦力矩的作用下，一档齿轮转速升高，二轴转速降低，当二者转速差基本相等时，摩擦力矩消失[3]，拨环力矩的存在使同步环4反转一定角度，此时滑套的花键啮合长齿面6b越过同步环4花键直齿部分，与结合齿圈的花键啮合短齿面4a产生轻微的冲击并接触，滑过花键啮合齿面过渡圆角4d与指花键倒锥齿4c，最后实现了同步器滑套6的倒锥齿与结合齿圈4的倒锥齿4c的啮合，此时动力经由二档齿轮、同步器结合齿圈4、同步器滑套6、同步器齿毂5、二轴传递，即变速器顺利挂入了一档。

在同步器由1档挂2档时，在1档位置时变速器二轴转速较低，二档齿轮转速较高，同步器滑套向左移动使摩擦环产生摩擦力矩使二档齿轮转速降低，二轴转速升高，两者达到相等，完成同步，其它过程与上述类似[4]，同步器滑套、同步环花键啮合使用的分别是长齿面6b和1b、结合齿圈花键啮合使用的是短齿面4a。

在同步器设计时应该将同步器的滑套齿布置设计成如图5所示的要求，即1档侧滑套啮合短齿面6a应该朝上、长齿面6b应该朝下；2档侧滑套啮合短齿面6a应该朝下、长齿面6b应该朝上；这样对一套同步器而言，两侧的结合齿圈和同步环可以通用，不会发生装错，不增加新的零件。但是同步器滑套需要区别使用的档位，应该在滑套上标识区分档位的标记，否则会发生装错与设计意图相悖，例如某锁环式同步器总成，在装低档的一侧应该在变速器中一档位置，装高档的一侧应该在变速器中二档位置，不能将低档的一侧装入二档位置，将高档的一侧装入一档位置。所以应该注意在装配同步器总成和二轴总成时防止发生装反影响使用要求。

同步器滑套、同步环、结合齿圈的花键啮合齿不对称度可以相同，也可以不相同，不对称度即相对于原对称啮合面中心线偏置一定距离后形成的两侧长齿面宽与短齿面宽的比值。不对称度越大，同步后二次冲击改善越明显，变速器换档的顺畅性和柔和性更明显。相对于原对称啮合面中心线偏置一定距离的距离为m，如图10所示，一般情况下m的值在0.5～2mm，跟花键啮合齿的齿厚有关，齿厚越大，相应的m值可以适当取大值。假设花键啮合齿齿厚为s，则不对称度ξ便可按下式确定。

不对称花键啮合齿的两侧齿面的夹角k的确定，一般情况下两侧夹角相等，即k=2p，但也可以不相等，不相等时主要保证锁止角k-p的角度要求，一般情况下k-p在55°～65°，跟同步器的同步容量设计要求相关，k值一般在110°～130°。

另外一种结构是将滑套做成两侧对称结构的[5]，如图11所示，此结构对滑套而言没有特殊加工的正反面要求，但是两侧的同步环必须是两个零件，不对称啮合齿长齿面刚好相反，在装配保证不能装错；两侧的结合齿圈也必须是两个零件，不对称啮合齿长齿面刚好相反，在装配保证不能装错，故成本相比上文介绍的结构更高。

不对称啮合齿比对称啮合齿的加工更困难，尤其是在加工结合齿圈4a与4c、4b与4c连接处的过渡圆角4d时，故此结构需要较高的制造成本。

结合齿圈的特征4c可以为圆角或倒角，且4a与4c、4b与4c圆角与倒角可以不同。其中圆角的效果比倒角更明显，但加工难度比倒角更高。若在制造方面有难度，可以去掉特征4c，但应保证4a与4c、4b与4c过渡处没有尖点突出和毛刺。

将此不对称花键啮合齿结构应用到某变速器进行主箱同步器换挡性能试验[6]，通过采集得到换挡过程中力与时间的换挡性能曲线如图12所示，横坐标为时间s，可以看出二次拨环过程的最大冲击力有很大程度的降低，换档更加平顺柔和，基本消除了顿挫感。

3 总结

本文采用不对称花键啮合齿的同步器具有以下的特点：

1）同步器啮合齿不对称度的大小确定比较困难，即当花键参数确定，花键的齿宽也就确定，在保证锁止要求的齿面锁止角下，不对称度越大则空行程越短，同步后换档啮合的二次拨环冲击也将小，但过大的不对称度将造成热处理变形过大容易发生淬火渗透，使得整个花键齿容易脆断。

2）不对称齿的加工比对称齿加工困难，尤其是在啮合齿与倒锥齿位置增加过渡圆角或倒角时，将会使加工难度进一步提升，成本也相对较高，其中圆角的效果比倒角更明显，但加工难度比倒角更高。

3）具有以下的优点：

①同步器具有更好的锁止可靠性，滑套与同步环的锁止面啮合时间长，结合面积大，为同步过程提供了良好的锁止结构基础。

②增加了同步过程中滑套在同步环锁止面上的滑行距离，减少了齿套靠近结合齿圈时的空行程带来的换挡转速差，而换挡转速差较大，则会出现换挡冲击，由此降低了同步结束后的二次换挡冲击。

③通过啮合齿与倒锥齿位置过渡圆角的设计保证了换挡的操作舒适性和降低了同步器运转的噪声，此对变速器总体性能的提升和整车换挡性能的提升具有重要的意义。

参考文献：

[1]王望予.汽车设计（第四版）[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.

[3]Harald Naunheimer（德）等著，宋进桂、龚宗洋等译.汽车变速器理论基础、选择、设计与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

[4]黄旦中.轿车变速器同步器设计和研究[D].上海：同济大学，2002：1-6.

[5]马超圣.汽车变速器同步器，（第一版）[M].汽车杂志社，1990.

[6]QC/T 568-1999. 汽车机械式变速器台架试验方法.