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10.16638/jki.1671-7988.2019.10.058
变速箱双锥同步器烧环问题解析及改善对策
于 毅
（武汉协和齿环有限公司，湖北 武汉 430000）
关键词：双锥同步器；非稳定性的同步状态；烧蚀
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)10-169-03
Analysis & Solution for the Burning of Double Cone Synchronizer
Yu Yi
（Wuhan Kyowa Synchronized Ring co., LTD, Hubei Wuhan 430000 )
Abstract: This article introduce the double synchronizer ’s structure and working principle, analyze the ring burning mechanism and propose how to solve this problem based on the failure cases happened frequently in after _sales market. Keywords: double synchronizer; unstable synchronization; burning CLC NO.: U463 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)10-169-03
1 手动变速箱及同步器
汽车变速箱的用途是改变发动机传送过来的转速和扭矩，使汽车在各种工况下能正常运转，比如启动、爬坡、转弯、加速及倒车等等。
汽车变速箱主要有手动及自动两大类，本文中讨论的是手动及双离合变速箱里的同步器。
图1 手动变速箱及同步器
变速箱通过拨动换挡杆，使同步器向左或右移动，选择
大小不同的齿轮组合，从而改变驱动轮的转矩和转速，将发
动机的动力传递给输出轴及差速器。（如图1所示）
这里谈及的同步器是MT ，AMT 及DCT 变速箱内的关键总成，对换挡可靠性、舒适性等有重要的影响，其机构如下图所示。
图2 同步器结构
根据变速箱的结构布置以及换挡性能核算的结果，同步器通常有三锥、双锥及单锥三种结构分别应用于1/2档、3/4
档或其它档位。
2 问题解析与改善
2.1 双锥同步器的应用及优缺点
受空间尺寸的影响，目前不少的变速箱都使用了双锥同步器，比如，大众DQ200的4档、长城GW002的3/4档、
作者简介：于毅（1968-），男，高级工程师，硕士，先后就职于代傲同步技术（德国独资）、武汉协和齿环（中日合资）等公司，从事技术及质量等方面的研究工作。
汽车实用技术
170 GW001的 1/2档、JAC MF20B 的3/4档、Getrag N720 的3/4档等。原因在于相对于单锥同步器而言，双锥同步器的换挡力减少了50%，同步容量增加了1倍；与三锥同步器相比既解决了1/2档与3/4档换挡力突变的问题（如果3/4档使用单锥的话，换挡力有陡然加大的感觉，换挡舒适性受影响）而且还有一定的成本优势。
图3 三锥同步器结构
图4 双锥同步器结构
图5 单锥同步器结构
但实际使用过程中我们经常接受到来自市场上的不良反应，最典型的就是零公里或售后短里程出现烧环现象。 2.2 烧环现象描述
如下图所示，这是某客户处频繁发生的烧环案例，属于3/4档同步器，下线零公里及售后1000公里内的烧环比例达到0.07%。
图6 典型烧环案例
主要特征如下：
（1）同步器内环的外锥面的螺纹严重磨损，甚至出现沿轴向的细小裂纹；
（2）中间环整体发黑、烧蚀；
（3）同步器外环螺纹严重磨损，内外环卡爪卡口耦合处
失去后备量；
（4）检测中间环的直径通常会有0.4-0.5mm 的收缩。 正常情况下，这种烧环的概率在0.01%-0.03%，个别项目出现的比例0.1%或更高，其后果是挂档时有严重的异响甚至无法挂进。
这种失效概率看起来小，而对于汽车最终用户而言就是100%痛苦，所以，常常引起驾乘者的强烈抱怨。
也正是由于失效几率小，缺陷的再现与分析就非常困难，一直困扰着变速器及同步器厂家。
结合多年的实际经验，对双锥同步器烧环问题如下分析： 2.3 失效机理分析
在市场上很少反馈单锥同步器及三锥同步器有烧环的现象，为什么双锥同步器表现这么突出呢？这与双锥同步器的结构和工作原理有关：
2.3.1 双锥同步器结构
如下图所示，左边是双锥结构，右边是三锥结构：
图7 双锥、三锥同步器结构
二者的差异表现为：
（1）对于双锥结构而言，内环与结合锥在径向有0.5mm 左右的间隙，依靠内外环的耦合及中间环来进行径向定位，没有来自锥面的径向支撑；在轴向内环大端面与结合齿端面有0.5mm 左右的间隙；
（2）对于三锥结构而言，轴向大端面与结合齿的间隙通常在 1.2-1.5mm ，径向由结合齿轮锥定位（预同步及同步过程中无间隙）。
2.3.2 双锥同步器的工作原理
双锥齿环工作时，拨叉带动齿套前移（比如0.5mm 左右），滑块推动外环及内环移动，内环外锥面与中间环接触、内环大端面与结合齿端面接触，于是内、中、外三个同步器齿环间的相互摩擦建立起来，从而进入预同步及同步过程。
2.3.3 双锥同步器的结构缺陷
（1）径向缺少定位，靠中间环及结合齿端面支撑，内环
运转的平稳性差，易出现偏摆、晃动，可能与结合齿轮在径向产生干涉，建立起非正常摩擦，表现出来的外观现象是内环的内锥面有擦痕。
（2）由于轴向间隙0.5mm 远小于三锥或单锥同步器的间隙（1.2-1.5mm ），来自轴向的尺寸公差稍有偏差或齿环运转过程中的跳动加大，都可能导致齿环提前进入同步或预同步状态。
于毅：变速箱双锥同步器烧环问题解析及改善对策
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分析该类失效零件时，请重点关注：
（1）换挡限位结构的缺陷：公差是否过大，建议单边0.3mm 以内；
（2）拨叉杆的相互干涉：不同档位的拨叉杆能单独自由运动，互不干涉；
（3）结合齿端面的跳动：会影响到与同步内环端面的接触，小于0.05；
（4）同步器齿环的组件高度差：该值过大会引起预同步的提前进行；
（5）滑块与外环凸台的空档间隙：适当的空档间隙能缓解轴向其它公差不一致时带来的负面影响。 2.4
改善方法与建议
针对双锥结构的设计缺陷，可以采取如下措施，降低烧环风险：
（1）适当增加内环与结合齿间的径向间隙，建议设计为单边0.5mm ；
（2）合理设计轴向间隙，尤其是内环端面与结合齿端面的间隙，建议在0.5mm 以上；滑块与外环凸台的预同步间隙适当增大（建议0.8mm 以上），防止因换挡锁止结构间隙大带来过大的拨叉偏移，从而让同步器进入非正常的预同步或同步状态。
以上改进措施都能积极地正向地减少烧环的几率，根据目前的统计数据烧环比例能控制在0.01%就是一个比较正常的水准。
（3）通过新的摩擦材料的应用和设计优化，利用单锥结构代替双锥结构，比如使用贴碳的同步环并调整锥角的大小，
确保同步容量的损失不大（控制0.04左右）或者，用三锥同步器的结构代替双锥同步器，这两种方式应该是彻底解决此类烧环问题的最好选择。
目前，我们的做法是在同步器设计阶段就与客户阐明双锥同步器利与弊及风险点，希望在概念设计过程中就把问题规避掉。
在具体的项目应用案例中，通过调整轴向、径向间隙甚至调整同步器结构等在不同的客户处都取得了相当的效果，因涉及到客户的核心技术，在此不便过多举例说明。
3 结语
双锥同步器有换挡性能优（相对于单锥同步器）、成本低（相对于三锥同步器）等优点，但存在由于自身结构的问题带来的同步过程中的运转不平稳、对相关配偶件的尺寸要求高，导致售后市场经常抱怨烧环问题的出现。我们必须正视双锥同步器存在的问题，在设计过程中尽可能地优化参数，确保径向和轴向的间隙足够克服齿环在非稳态的运转过程中的变差，减少失效几率；也可以通过在初期设计中改变同步器结构方式来预防烧环问题的产生。
汽车波箱参考文献
[1] [德]Harald Naunheimer 等.汽车变速器理论基础、选择、设计与应
用[M].机械工艺出版社.
[2] 高维山，张恩浦.汽车设计丛书变速器.人民交通出版社.
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