汽车锁环式惯性同步器的教学过程探讨

32
手动变速器相关知识的学习主要包括挡位齿轮识别及动力传递过程、同步器换挡过程、操纵机构中的挡位锁止装置等3个方面，由于同步器结构组件多、配合紧凑、工作时间快且过程连贯性强、内部作用力及相对运动复杂等特点，使其自学难度较大。

同时，同步器教学时其工作过程动态演示不易，加之学生空间想象力差、关联性思考欠缺及教材、动画及视频展现度不够等原因，又使其成为了教学难点。

因此，本文探讨在同步器教学时采用作用引入、结构讲授、过程分析及实训加深的教学方式，以期提高教学效果，同时培养学生在学习难点知识时认真聆听、仔细观察、积极思考、敢于讨论的学习态度。

1　作用引入
同步器的教学通常安排在手动变速器各挡位动力传递分析之后，学生已掌握了各挡位动力传递路线及挡位齿轮的安装情况。

同步器教学强调的是如何及时平顺地从一个挡位换到另一个挡位，引入同步器的作用就是来解决这一问题的，因此需要说明换挡的含义，即移动接合套将目标挡位齿轮与输入轴
或输出轴通过花键毂连到一起，实现输出轴转速的改变，换挡过程如图1所示。

2　结构讲授
对照图片和实物采用讲授法说明同步器组成件的结构特点及装配关系，为下面的过程分析做准备。

同步器结构如图2所示，按从外到内、从中间到两边的顺序，同步器各组成件的结构特点有：接合套外环槽用来放置换挡拨叉，内环有花键并与花键毂外环花键配合，接合套可在花键毂上轴向滑动，接合
汽车锁环式惯性同步器的教学过程探讨
王旭斌
（河南交通职业技术学院，河南　郑州　451460）
摘要：锁环式惯性同步器（以下简称“同步器”）是手动变速器和双离合自动变速器换挡的重要部件，由于结构复杂且工作过程抽象使其成为教学难点，借助图片、实物、动画及视频等教学资源，探讨在同步器的教学中采用作用引入、结构讲授、过程分析及实训加深的教学方式，以期提高教学效果。

关键词：同步器结构；工作过程；教学探讨
基金项目：2024年度河南省高等学校重点科研项目“产教深度融合背景下高等职业院校开展社会培训的有效途径及措施的应用研究”，（项目编号：24B880017
）
图1　换挡过程
33
套内环花键两端有锥角，且呈120°分布的3组内环花键中部有凹槽；3个滑块放置在花键毂的外圆通槽中，滑块上部的凸台与接合套凹槽配合安装，弹簧的作用是保证空挡时滑块凸台与凹槽的安全配合；花键毂通过花键安装在输入轴或输出轴上，不能轴向移动；将接合套、滑块、弹簧及花键毂配合安装到位观察，它们同步旋转；锁环的内环呈锥面且有螺纹，外环也有带锥角的键齿，有3个缺口用来支撑锁环的端部，将其安装到位可看出配合关系（需指出为了可靠锁止，缺口宽度等于键齿与滑块宽度之和，使锁环相对花键毂有1个键齿宽的转动量）；锁环的外侧元件是与挡位齿轮一体的接合齿圈，接合齿圈有与锁环内锥面配合的光滑外锥面，接合齿圈的键齿也有锥角[1]。

此外，还可利用图片或实物进一步介绍改进型同步器的结构。

3　过程分析
结合动画、视频采用启发式教学，以低挡位换高挡位为例说明同步器是如何实现及时平顺换挡。

需要注意的是，考虑到学生对平面动画示意图的理解能力，需先说明动画的图中元件与同步器组成件的对应情况及该图是针对同步器在输出轴上的2个挡位进行的展示。

同步器工作过程如图3所示。

图3（a ）是踩下离合器踏板时，从右侧低挡位回到空挡的状态，可让学生思考该状态下各组成件的运动情况。

解答如下：此时，锁环与左右侧的齿圈及接合套无挤压，轴向处于自由状态，锁环不起作用；滑块上部的凸台位于
接合套凹槽中部，滑块左下侧与锁环缺口下侧面紧靠；在惯性作用下锁环与接合套、花键毂同步低挡位
转速旋转。

设接合套和锁环的转速分别为n 1、
n 2，高挡位齿轮即齿圈的转速为n 3，
则有n 3＞n 2=n 1。

让学生思考如果没有同步器，强制用力通过拨叉左移接合套让转速不等的接合套n 1和齿圈n 3上的键齿啮合连为一体，会出现什么情况？解答如下：可能会出现打齿，不能啮合，无法完成换挡。

这样可再
图2
　同步器结构
图3　同步器工作过程
34
次说明同步器的作用就是让接合套n 1和高挡位齿轮
n 3尽快转速同步，完成换挡。

那如何让它们尽快同
步，不同步不让啮合，以免打齿？解答如下：图3（b ）中接合套左移挂高挡开始时的情况为接合套通过与滑块凸台配合带动滑块跟着左移，滑块左端与锁环缺口端面贴近，对锁环施加推力，转速差的存在使锁环与齿圈的配合锥面间产生摩擦力，转速高的齿圈带动锁环向下转动1个键齿宽度的转角，使滑块左上侧与锁环缺口上侧面贴合，此时接合套内花键端的锥角与锁环上的锥角相接触，使接合套无法左移啮合，当前为锁止状态[2]。

那锁止状态持续到何时才让接合套继续左移挂上高挡位？解答如下：在锁止状态下，两锥角间的力
F N 的轴向分力F 1对锁环来说是对锁环施加了推力，使
锁环与齿圈锥面间的摩擦力（即同步力矩）增大，摩擦力对齿圈可实现减速，对锁环（接合套）可实现加速，因此两者转速迅速接近（锁环和齿圈的转速变化情况：锁环通过接合套、花键毂、输出轴等与驱动轮乃至整个车辆相联系，其转动惯量大、转速变化慢，因此锁环转速基本认为是不变的；齿圈即高挡位齿轮仅与输入轴及离合器从动部件相联系，其转动惯量小、转速下降快，即n 3↓＞n 2=n 1，锥面间的摩擦力矩是由于齿圈转动惯性运动产生的，因此这种同步器称为惯性式同步器）；当它们的转速变化到相同时，即齿圈（高挡位齿轮）和锁环（接合套、花键毂）同步，锥面间没有了相对运动，摩擦力消失，两锥角间存在的力F N 的周向分力F 2对锁环来说是拨环力矩（设计时，同步前同步力矩总是大于拨环力矩），使锁环相对接合套向上被推动半个键齿宽度的角度，锁止结束，锁环不再起作用，滑块位于缺口的中央，接合套即可左移，接合套内花键齿与锁环锥齿啮合，进入图3（c ）状态；同步后的接合套继续左移与齿圈键齿啮合，进入图3（d ）状态，接合套内花键端的锥角与齿圈键齿的锥角也相接触，它们间的推力
使空套在轴上的高挡位齿轮相对转动，接合套完成与齿圈的完全啮合，实现了及时平顺换挡，松开离合器踏板，通过控制加速踏板可实现正常行驶。

通过上述讲解，让学生思考并回答什么叫锁止、同步及接合，其目的又是什么？将同步器各组成件的结构特点和作用联系起来，给出同步器工作过程总结，即接合套带滑块移动，锥面间产生摩擦力，齿圈带动锁环前转，锥角接触进入锁止状态，摩擦力使其实现快速同步，同步后摩擦力消失，锥角间的周向分力F 2推动锁环相对接合套回转半个锥齿宽角度，锁止结束，接合套顺利与锁环及齿圈啮合，完成换挡。

可按同样思路，分析高挡位向低挡位换挡时的同步器换挡过程（低挡位齿轮被摩擦力带动增速，实现与接合套同步），从而加深学生对同步器工作过程的理解。

4　实训加深
通过上面的讲解，学生对同步器的工作过程有了基本掌握，但可能还会存在不清楚之处，可通过实训及讨论加深理解，以便能分析相关故障。

实训时，首先要求学生能说出同步器组成件的名称、含义及结构特点，并且能够正确装配；其次教师参与学生对同步器工作过程的分析讨论，让学生能演示及简述同步器工作过程，突出滑块的运动、锁止的形成、锥角力分析、同步中锥面摩擦力分析等；最后进行各组成件的技术状况检查，思考滑块凸台磨平、组成件锥角磨平及锥面螺纹磨平等状况对同步器工作中锁止状况和同步时长的影响，可通过引入故障案例进行说明。

参考文献
［1］王旭斌.汽车传动系统原理及检修[M].北京：机械工业出版社，2023.
［2］张瑞.变速箱同步器换挡打齿问题研究[J].汽车实用技术，2021（12）：75-77.
（收稿日期：2024-01-22）。