变速箱同步器换挡过程与失效案例分析

摘要：针对同步器换挡过程中的失效问题，将同步器换挡过程根据同步器设计的关键尺寸按阶段分解，明确各阶段中重要影响参数，总结变速箱设计开发过程中的失效案例，从而解决各种在换挡过程中的失效问题，改进同步器的设计，提升变速箱换挡品质。

关键词：同步器;换挡过程;变速箱

中图分类号：U463.2文献标识码：A文章编号：1005-2550（2020）02-0021-05

李亚娟

毕业于同济大学车辆工程专业，硕士研究生学历，现就职于上海汽车集团股份有限公司，主要研究方向为齿轴及同步器设计，已发表《手动变速箱静态换挡分析及优化研究》、《手动变速箱倒挡卡滞优化研究》。

前言

同步器是手动变速箱和双离合自动变速箱实现换挡的重要零部件之一，由于离合器输入端和变速箱输出端具有转速差，同步器通过同步环和齿轮锥面产生的摩擦力矩，保证换挡时齿轮和同步器齿套的转速一致，减少换挡时由于输入输出端转速差导致的冲击，从而消除换挡时的噪声，提高换挡舒适性，同步器结构见图1。

换挡时，驾驶员或者TCU根据驾驶员意图发出换挡指令，以DCT变速箱为例，DCT变速箱的液压机构驱动拨叉带动同步器齿套向档位齿方向移动，齿套推动滑块，滑块弹簧产生的轴向力可以消除同步环摩擦面和齿轮锥面间的油膜，开始建立锥面间的摩擦系数，完成同步器预同步;同步环在产生摩擦力矩时，通过梅角对齿套的轴向移动进行锁止;当同步完成，摩擦力矩消失，齿套可进一步往前移动，克服轴系的阻力矩，完成齿轮结合齿花键的啮合，从而完成换挡实现扭矩的传动。

目前，手动变速箱、DCT变速箱出现过进挡打齿、卡滞、二次冲击、脱档等失效故障，为解决这些问题，需要更清楚的了解同步器同步的过程，将同步器换挡过程按设计原理进行分解，了解故障发生的位置，从而找到改善的方向。

1同步器换挡过程

同步器从空挡到进挡过程可以分为以下六个阶段：空挡、分度、同步、齿套穿过同步环、齿套拨动结合齿、进挡，过程示意见图2。

空挡时，拨叉在同步器齿套拨叉槽中间，滑块钢球在齿套球槽内，此时滑块和同步环轴向间隙约为0.5-1.2mm，为空挡间隙。同步环摩擦面与齿轮锥面间存在油膜，摩擦扭矩未建立，见图2（a）。

当变速箱换挡时，拨叉向目标档位轴向移动，齿套推动滑块轴向移动，消除滑块和同步环之间的轴向间隙。此时，滑塊端面与同步环接触，产生锥面间的轴向压力，剪切同步环锥面间的油膜，同步环和齿轮锥面之间产生摩擦力矩，见图2（b）。此时，同步环被摩擦力矩带起旋转，而同步环伸出的插脚旋转后遇到齿毂凹槽壁停止周向运动。齿套花键梅角与同步环梅角斜面相对，分度完成，见图3：

同步阶段，齿套在换挡力的作用下，继续往结合齿方向轴向移动，齿套梅角斜面与同步环梅角斜面顶住，为锁止状态，见图2（c）。此时同步环摩擦面与结合齿锥面间产生摩擦力矩，齿套梅角斜面与同步环梅角斜面产生拨环力矩，设计要求摩擦力矩大于拨环力矩。摩擦力矩使得结合齿转速与齿套转速趋于一致，在完全同步前，要保持齿套和同步环的锁止，否则同步环尚未同步转速差，齿套往前继续移动会导致打齿。

同步完成后，同步环和结合齿锥面间的摩擦力矩消失，齿套梅角和同步环梅角的拨环力矩开始起作用，齿套梅角拨开同步环，穿过同步环花键齿槽继续往前移动，在到达结合齿前这一段为自由行程，见图2（d）。在这段自由行程中，由于变速箱自身的阻力矩以及油液的阻力矩，又会引起新的转速差。

图2（e），齿套继续往前移动，可能会与结合齿的梅角随机相抵，由于齿套和结合齿又产生新的转速差，会产牛较大的结合力，因此在齿套拨动结合齿过程易产生二次冲击的振动和噪声。如果变速箱拖曳力矩较大，那么此过程二次冲击也较大。最后，图2（f）齿套继续往前移动，与结合齿花键啮合，完成换挡，扭矩可从齿轮经齿套和齿毂传递到输出轴上。

2换挡过程中的失效形式

消费者在体验车辆时，除了主观能感受到的造型、内外饰、科技感外，变速箱的换挡性能也是一个影响消费者体验的重要指标。变速箱在换挡过程中，如设计鲁棒性不足、不合理以及零件尺寸控制不严会出现磨损、打齿、卡滞、二次冲击和脱档等一些列换挡问题。下面便根据换挡过程的几个阶段，分析一些失效案例。

2.1磨损

某手动变速箱在完成同步器换挡耐久台架后，拆解时发现倒档拨叉塑封和同步环磨损。但由于该试验为前进挡换挡耐久试验，没有参与工作的倒档反而磨损，怀疑其换挡系统上尺寸链存在问题。

经拆解检测零件尺寸，发现R档拨叉的R档侧钳口圆柱面轮廓度超差严重，无法通过检具，因此在空挡时与选换挡套筒外部圆柱面干涉。此外，拨叉轴孔垂直度超差，会导致拨叉脚往R档侧偏斜。空档时，选换挡套筒外部圆柱面将拨叉往倒档方向拨动，导致拨叉脚靠到齿套拨叉槽侧壁;R档齿套旋转导致拨叉脚塑封磨损，而被吃掉的同步器空挡间隙导致同步环摩擦材料一致处于磨损状态，导致同步环磨损，此故障出现在同步器工作的第一阶段。由于手动变速箱的空挡间隙尺寸链较长，在设计时更要细致校核，并在牛产时严控相关尺寸。

2.2打齿

某手动变速箱在低温启动后，换3、4档会出现较明显的“咔嚓”打齿声，为冷启动换挡打齿故障，待热车后又消失，初步判定于油温有关。为找到此问题的根本原因，通过同步器零部件低温换挡台架上进行模拟复现，试验证明该同步环的纸基碳摩擦面，在低温下摩擦系数u1会出现不稳定的情况，见图6：

横坐标一循环次数;

纵坐标（从左到右）：油温（℃）、换挡力（N）、摩擦系数u、锁止位置（mm）、转速差（1/min）

而摩擦系数u1与梅角面锁止安全性有关，如果u1过低，导致同步环无法锁止齿套，齿套继续往结合齿方向移动，导致打齿。后续将同步环摩擦面更换为碳颗粒摩擦材料后，消除低温下摩擦系数不稳定，打齿现象消失。此故障在换挡过程的第三个步骤中出现，为同步过程中锁止失效导致打齿。

2.3卡滞

在第5阶段齿套拨结合齿过程中，易发齿套和同步环卡滞导致的虚进挡故障。比如某DCT变速箱，在1档进挡时有客户抱怨车辆起步加油门无动力脱档的现象。数据显示，在1000N换挡力下，拨叉瞬间有很大变形，使软件误判进挡到位，踩油门后便立刻报故障脱挡。按测试曲线中的拨叉行程分析，1档由于在静态挂挡时，在齿套拨结合齿这一阶段，齿套倒锥倒角与同步环梅角棱边顶住，如图7所示。使同步环产生一轴向力预压结合齿锥面，产生一摩擦力矩，此时结合齿被拨正时，需要同时克服拖曳力矩和摩擦力矩，导致进挡力急剧增加，引起拨叉变形，使软件误判进挡到位。驾驶员踩油门后，由于实际齿套和结合齿花键没有啮合而立刻脱档。

为解决此问题，将一档三锥同步环增加预磨.合，减小同步环锥面抱死风险。并将齿套1挡侧倒锥倒角后移1.5mm，避开同步环梅角棱边位置，消除顶住同步环而产生的卡滞。该方案实施应用后，此类虚进挡的脱档故障率由6.33‰降至1.07‰以下。

2.4二次冲击

在齿套拨动结合齿的过程中，手动变速箱易产生二次冲击的问题，这是由于在同步环锁止消除后，齿套继续往前移动，由于变速箱的拖曳阻力矩，齿套和结合齿之间又产生新的转速差，拖曳力矩越大，转速差越大，从而在齿套遇到结合齿花键时，导致的二次冲击越大。某手动变速箱由于二次冲击大于行业标准，如图8所示（2档换3档），经变速箱加装转速传感器测量发现，第四阶段自由行程时出现142rpm的转速差，从而换挡力又一次增大，形成二次冲击。

横坐标：时间（s）

纵坐标（从左到右）：行程（mm），转速差（rpm）

为研究二次冲击的影响因素，对变速箱换挡机构及同步器进行影响因素分析，经各方案设计及装车验证实测表明：换挡机构的拉索接头改为软接头、合理增加配重块质量、选换挡detent及凸轮型线更改以及同步器滑块力增大、齿套梅角政为不对称设计等方案有改善二次冲击的作用，其中齿套梅角偏置0.4mm后，自由行程缩短，转速差也降低明显，数据见表1。经测试，采用偏梅角的齿套方案，其二次冲击为43%，与对称梅角方案的61%相比，降低29.5%，主客观换挡性能得到改讲。

2.5脱档

在换挡最后阶段，同步器齿套花键与结合齿花键啮合，完成扭矩的传递，由于齿套和结合齿上倒锥角的作用下，扭矩会转化为轴向的锁止力，从而防止变速箱脱档。

某变速箱在改型设计时，为提升加速性，增大了一档的速比，在齿轴耐久试验时，一档发牛脱档故障。经零件尺寸检测发现，一档结合齿倒锥角度基本处于图纸设计下差，这是由于一档结合齿为片状设计，在齿轮焊接结合齿后进行热处理，结合齿倒锥产牛角度变形所致。因此，将结合齿和齿套的倒锥角从3°±0.5°增加到4°±0.5°后，脱档故障消失。

因此，结合齿和齿套倒锥角若设计下限值较小，易引起脱档故障，导致整车行驶过程中动力中断，设计值建议在4°-5°之间。此外，结合齿和齿套花键啮合的重合长度过短也会引起脱档，要求重合长度理论计算值大于0.9mm。

4结论

本文从同步器换挡过程各阶段出发，将各阶段的设计要点与常见失效案例相结合，分析了与同步器设计相关的打齿、卡滞、二次冲击和脱档故障的相关影响因素，并给出了有效的解决方案。

1）同步器打齿与变速箱油品、同步环摩擦材料的摩擦系數稳定性相关，冈此在变速箱换挡耐久台架试验前，要充分进行油品与摩擦材料的系列认证试验。

2）同步环卡滞经常出现在多锥的碳摩擦材料同步环上，因此多锥同步环的防抱死安全系数要按照经验留有余量。

3）同步器设计时要考虑结合齿、同步环、齿套三者之间的动态位置关系，避免同步环与齿套倒锥角结束时的干涉，避免发生此处的换档卡滞故障。

4）手动变速箱的二次冲击主要原因为自由行程产生的转速差，减少自由行程可以减少二次冲击的发生。减少自由行程的主要方法有：齿套、同步环或者结合齿梅角采用偏梅角设计;齿套花键设计为长短齿，长齿可以先与结合齿结合，而短齿仍对同步环梅角进行锁止，进而可以减短自由行程的长度。

5）齿套和结合齿的倒锥角设计要考虑到热处理变形的影响，且多锥同步器的齿套和结合齿的挂档啮合长度要格外关注，避免发牛挂上档后的脱档故障。

因此，深入分析同步器换挡过程的动态尺寸链，可以有效避免以上故障模式的出现。