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10.16638/jki.1671-7988.2021.012.022
变速箱同步器换挡打齿问题研究
张 瑞
（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804）
摘 要：换挡打齿为同步器失效模式之一，其影响因素较多。文章介绍了同步器的结构，并搭建了问题系统分析流程，并从同步性能、总成间隙及摩擦材料特性等角度多维度分析，为换挡打齿失效问题提供解决方案及建议。 关键词：同步器；换挡打齿；总成间隙；摩擦特性汽车换挡
中图分类号：U463.212+.41 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2021)12-75-03
Research of Gear Clash Issue in Transmission Synchronizer System
ZHANG Rui
（SAIC Motor Technical Center, Shanghai 201804）
Abstract: Gear clash is one common failure mode for synchronizer system, which has many influenci
ng factors. This paper introduces the structure of the synchronizer, and sets up the system analysis flow for problem solving. Synchronizer performance, assembly clearance and friction material characteristics are used to solving the gear clash issue. Keywords: Synchronizer; Gear clash; Tolerance stack; Friction material
CLC NO.: U463.212+.41 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2021)12-75-03
前言
同步器是汽车变速器中的关键零部件。在变速器换挡时，它使欲啮合的齿轮副迅速同步并保持接合状态，并且能防止在同步前接合。同步器可以保证换挡时齿轮啮合不受冲击，消除噪声，延长齿轮寿命，同时使换挡动作方便迅速，有利于提高汽车的动力性和燃油经济性。因此，在手动变速箱和双离合变速箱中得到了广泛的应用。同步器的性能优劣直接影响汽车的换挡品质。换挡打齿作为同步器最常见的失效模式，其影响因素较多。
1 同步器简介
滑块式同步器在乘用车上应用最为广泛。图1为滑块－锁环式同步器结构，由齿套、齿毂、同步环、滑块和结合齿组成。同步环的摩擦锥面位于结合齿圈的锥面上，在同步时
产生摩擦力矩。同步环齿面和结合齿圈花键齿端部均为斜面
（锁止面）。滑块由滑块基体、钢球以及弹簧组成。空挡时，三个滑块钢球顶部压入齿套的凹槽中，使得换挡系统保持在空挡位置。
1齿套；2齿毂；3滑块；4同步环；5结合齿
图1 滑块－锁环式同步器结构
根据同步器的工作原理，换挡过程中，齿套推动滑块顶触同步环，待同步环与结合齿圈锥面的油膜排除干净后，齿套锁止面与同步环锁止面接触，产生同步力矩和拨环力矩。在同步力矩的作用下，使同步器两端转速逐渐趋于同步。待两端同步后，在齿套轴向力的作用下，拨环力矩使同步环连
作者简介：张瑞，中级工程师，就职于上海汽车集团股份有限公司技术中心。研究方向：变速箱研发。
汽车实用技术
76 同结合齿圈及与之相连的所有零件一起相对齿套转动一个角度，使锁环凸起结构移到花键齿毂凹槽的中央位置。此时齿
套轴向力克服滑块钢球力后，而与同步环的外花键进入接合。同步环的锁止作用随即消失。齿套继续向挡位齿移动，待其与结合齿圈花键进行接合后，即完成换挡。
2 换挡打齿失效模式
换挡打齿是指在齿套与结合齿转速差非零时，齿套与结
合齿进行接合所产生的现象。打齿是同步器常见的失效模式。由于同步器的工作过程比较复杂，对于换挡打齿失效模式而言，单纯从某一个方面分析出原因是比较困难的。所以，本文制定换挡打齿失效的分析过程图，如图2所示。
图2 换挡打齿问题分析流程图
2.1 性能分析[1]
与换挡打齿相关的性能分析主要体现在锁环比。锁环比为同步力矩与拨环力矩的比值，设计指标为大于1。当同步环被轴向力Fa 推向结合齿锥面时，结合齿锥面上的润滑油膜被切开，在锥体和摩擦面之间沿锥角方向产生摩擦力，此时同步环转速基本不变，齿轮的转速在改变，产生同步力矩。同步力矩的计算方式如下：
（1）
式中：T C 为同步力矩；F a 为齿套轴向力；μc 为同步环摩擦系数；R 为锥面平均摩擦半径，∅为锥角止面由于在同步过程中，由于齿套锁止面的作用，会产生与同步力矩相反方向的力矩，称为拨环力矩。拨环力矩的计算方式如下：
（2）
式中：T I 为拨环力矩；F a 为齿套轴向力；R B 为锁止面分度圆直径，μβ为锁止面摩擦系数；θ为锁止角度。 2.2 尺寸链分析
同步环是否处于正确的锁止位置，是同步器起作用的前提。同步环摩擦系数的建立、拨环力矩的产生、排油的发生均建立在正确的锁止位置前提下。在同步器设计中，尺寸链分析是一项重要的工具。鉴于多锥同步器结构较复杂，本文从换挡过程尺寸链及三锥同步环尺寸链两个方面进行讨论。
2.2.1 换挡过程的尺寸链
从换挡的过程进行分析，重点从滑块间隙、接近尺寸、分度尺寸、同步环凸台与齿毂花键啮合长度及同步环摩擦材料是否突出齿轮锥面边缘来考虑。
1）滑块间隙：由于同步环摩擦材料异常磨损所导致的打齿。滑块间隙是指当齿套处于空挡位置时，滑块端面抵住同
步环凸台端面的距离。此间隙的意义在于：在间隙过小时，
同步器处于空挡位置，在同步器偏摆情况下，滑块将持续挤压同步环锥面贴向齿轮体，而两端持续存在转速差，此造成同步环锥面磨损。
2）分度尺寸：保证同步阶段齿套锁止面与同步环锁止面接触面积足够。滑块端面抵住同步环凸台端面后，齿套相对
滑块刚开始轴向移动时，
齿套与同步环所知面中心线的距离。分度尺寸应大于0.635mm [2]
。 3）接近尺寸：结合齿锥面油未排除干净导致摩擦系数无法建立而产生的打齿。滑块抵住同步环凸台时，齿套与同步环锁止面之间的轴向距离为接近距离。如果滑块穿越力在两者的锁止锁止面接触前消失，将会使同步环锥面负载减小，
中断划开油膜的过程，导致摩擦系数达不到理论值。为保证可靠锁止，对接近距离的推荐值为大于0.38mm [2]。
4）后备量[3]：考虑到同步环正常磨损后，仍能继续使用，在同步环后端面与齿轮结合齿端面之间应有一定的间隙（后备量）。间隙的理论值在1~2mm 之间。
5）同步环凸台与齿毂外花键重叠长度及同步环边缘脱出锥面边缘：同步器工作时，同步环凸台不能突出齿毂外花键的边缘及同步环边缘不能脱离齿轮锥体边缘，这是保证锁
止及摩擦面接触区域可靠的前提。
2.2.2 三锥同步环尺寸链 1）内外环凸台重叠长度；
2）中间环插脚与齿轮凹槽重叠长度； 3）内环大径与结合齿端面间隙； 4）中间环大径与结合齿端面间隙[3]； 5）内环小径与外环内侧端面间隙[3]； 6）中间环小径与外环内侧端面间隙[3]。
上述相关尺寸链的计算，需在耐久情况下进行考虑。以上是保证同步器的三个锥面都能实现正常工作的前提。 2.3 摩擦材料特性分析
2.3.1 锥面油未排除到位导致理论计算的摩擦系数过低 润滑油的黏度影响同步初期的刮油速度。黏度过大时，同步环的摩擦材料不能及时破坏锥面上的油膜，就不能快速提供足够大的摩擦系数而导致没有同步。
2.3.2 摩擦材料系数稳定性
锁环比的计算需考虑摩擦系数的稳定性。目前，常用的摩擦材料有金属材料和非金属材料。金属材料
分为黄铜、烧结铜、喷钼；非金属材料分为纸基碳、碳颗粒及织物基复合材料。摩擦系数的选取需根据各项试验进行判定。其试验工况包括如表1所示。
张瑞：变速箱同步器换挡打齿问题研究
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表1 摩擦系数试验工况
以纸基碳材料和碳颗粒两种摩擦材料为例，说明摩擦系数稳定性的重要性。
纸基的碳摩擦材料的表面非常光滑，且可以看到一些微孔；碳颗粒是一种双层的织物基摩擦材料，此材料是由树脂和碳颗粒组合的混合物，其表面有非常多的小孔。纸基材料设计时需包含油槽，但碳颗粒不需要油槽，是因为它是一种开放多孔的结构。在排油时，油首先从碳颗粒材料的小孔中排掉，且存在于摩擦材料表面与锥面之间的油膜可以被分散。
图3为纸基和碳颗粒两种摩擦材料在变速箱油环境下的低温试验。可以发现，在低温下的碳颗粒的摩擦系数稳定性优于纸基。
图3 纸基及碳颗粒在低温情况下摩擦系数曲线
2.4 其他影响因素分析
2.4.1 结合齿锥面粗糙度[2]
锥面粗糙度确定了锥体接触时产生的摩擦系数值，在很大程度上说明摩擦材料的磨损量。过于光滑的锥面导致摩擦 副无法在预同步阶段破坏油膜；粗糙度较差的锥面易导致摩擦材料的磨损急剧增加。一般而言，结合齿锥的粗糙度控制在R Z 1.0-4.0。
2.4.2 变速箱清洁度[4]
变速器内部有较多的杂质如金属铁屑等，当该杂质进入
同步环与挡位齿轮的锥面摩擦副之间时，将影响或降低同步时锥面摩擦副的摩擦性能。导致同步环接触面积不足或者摩擦副未完全建立，从而导致换挡打齿。
2.4.3 同步环润滑情况
当同步环润滑不足时，在同步阶段，由于摩擦所产生的热量无法通过润滑油顺利带走，导致锥面温度持续增加。对于铜螺纹摩擦材料而言，锥面摩擦所产生的热量，导致摩擦副温度过高，铜螺纹摩擦副将出现快速磨损，当后备量为零时，将出现换挡打齿。
3 结论
由于同步器换挡打齿问题产生的比较复杂，本文从同步性能、总成间隙及摩擦材料特性出发，并制定了问题分析思路，为同步器换挡打齿问题的解决提供了一定的思路。
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