【翻译】手动变速箱同步器的分析与评定

手动变速箱同步器的分析与评定

龚宗洋，张伟忠，陈刚，王万军

中国江苏省南京市210096

东南大学机械工程学院

中国江苏省苏州市215123

汽车与交通工程重点实验室

gzyseu@, zhangwg@

摘要

现代手动变速箱都配备了更先进的换挡更为平顺的同步系统。本文首先通过对变速器第三档的功率流的重点介绍展示了了重型汽车装载的手动变速器的典型结构。然后介绍了同步器的组件并对其工作过程进行了理论分析，通过同步器性能试验台对实际工况进行了模拟并测试，制定测试方法和评价方法。通过机械控制换挡代替人工操作，换挡时测试数据记录在1K的采样率。最后，对变速器的同步器进行测试，对换挡过程进行定性分析并得出试验曲线。

1.简介

目前乘用车和货车所装载的手动变速箱中都配备了同步器系统。同步器组件是变速器中的关键组成部分，它可以避免齿轮间冲击，降低噪音，并使驾驶员在换挡时获得良好的操纵感。在过去的几年里，同步器生产商做了很多努力来提高同步器的性能，诸如改善同步器的可靠性和抗磨损性等。而锁环式同步器作为众多同步器中的一种，采用了高性能摩擦材料来使摩擦力矩增加，并减少了同步时间和轴向尺寸。本文将以锁环式同步器为例来进行分析和评定。

本文分为四部分。第一部分，简要介绍了同步器的功能。第二部分，对重型变速器的典型结构进行介绍并对同步器的同步过程进行了理论分析。在第三部分，对同步器试验台及测试方法进行了介绍。在最后一部分，对主传动和辅助传动试验数据进行了分析。

2．同步原则

2.1变速器结构

如图1所示，具有典型结构的重型变速器装配有三个同步器。传动组件是由、五个齿轮组成的主传动装置和两个齿轮组成的辅助传动装置所组成的。主传动装置是由手动控制的而辅助传动是由气动控制的。该变速器包括九个前进档和一个倒档，以满足变速器更高的扭矩和速度比传输的要求。图1中实线部分展示了变速器第三档的功率流。

图1第三档位的功率流

发动机的动力通过离合器传递到输入轴和其齿轮上。副轴齿轮不断地与输入轴上的齿轮啮合，同时带动内孔中的滚针轴承旋转，从而使第二轴上的齿轮一起转动。空挡时（同步器接合套处于空挡位置）第二轴的转速为零。当接合套与已与离合器接合的变速箱齿轮相接合时，第二轴将随着输入轴一起旋转。如果辅助同步器处于高位（接合套处于前进档的位置时），第二轴的动力将通过辅助传动装置及辅助同步器直接传递变速箱的输出轴。如图1所示的那样，当辅助同步器处于低位（接合套处于前进档的位置时），第二轴的动力将通过副辅助传动装置和辅助同步枢纽装置传递到变速器输出轴上。

2.2同步过程

正如图2所示的那样，同步系统通常包括：（1）同步器花键毂（2）锁环（3）接合套4）离合器中的锥齿轮（5）变速器齿轮。同步器花键毂固定在变速器主轴上。锁环确保在换挡时同步器花键毂和离合器齿轮获得相同的转速。

图2同步系统组件

换挡过程包括三个阶段：换挡开始，同步过程和啮合过程。在换挡之初，通过换挡力使接合套拨离同步器花键毂，然后推同步环，使其内表面与离合器齿轮的外锥面接合。同步过程中，接合套套和离合器齿轮的转速存在差异。同步器锁环产生的摩擦力矩使离合器齿轮转动直到同步锁环的槽与接合套发生撞击。当接合套的齿角与同步器锁环齿角撞击时同步器锁住。在摩擦力矩的作用下离合器齿轮的转速上升（升档）或下降（减档），直到转速差为零。当离合器齿轮，接合套和同步器锁环达到一样的转速时，接合套与离合器齿轮接合从而完成换挡过程。

3．性能测试

3.1 试验台

同步器性能试验台的结构如图3所示。它由：（1）变频电机（2）飞轮（3）联轴器（4）输出轴转速传感器（5）轴承座（6）通用传动轴（7）待测变速器（8）离合器从动盘（9 ）输入轴转速传感器（10）换挡力传感器（11）机械自动换挡装置组成。为了测试各种变速器，变频电机需要具备高扭矩，比较宽的调速范围以及卓越的动力性能。飞轮是用来模拟汽车的惯性，使变速器输出轴的速度波动不超过3％。用自动机械装置是用来取代驾驶员来完成换挡，更为迅速、精确。

换挡的力量和速度也是可以设定的。输入轴转速，输出轴转速，同步器位移，转移力，油温等的传感器信号都在1K的速率进行采样。每次换挡的数据记录在一个文件中。根据这些参数对同步器性能进行分析和计算。

图3同步器试验台

3.2 试验参数

在测试过程中，根据初始搁置和最终搁置之间搁置比较低的那一项来进行变频调速，从而确保变速器输入轴转速保持在被测变速器工作在其与发动机相匹配的最大功率上。此次测试将速度设定在2400rpm。当速度平稳时，自动机械装置开始换挡。整个测试参数列于表1。油温控制在60 ± 5℃。

4．测试结果

如第2节所展示的，一个特定类型的重型车辆变速器正在试验台上测试。主传动采用手动控制，而辅助传动采用气动控制。测试参数列于表1。主传动第三档与第四档之间的换挡测试曲线如图4所示。

当主传动装置测试时，机械自动换挡装置完成第三档到第四档的切换。在换挡时，包括输入轴转速，输出轴转速，换挡力和距离在内的测试数据被记录和显示。从图4可以分析得出如下结论：

（1）开始脱离的时间（t1）：机械自动换挡装置操纵脱离原来的档位。脱离过程主要克服了齿轮锁球的锁定力和拨叉与轴孔间的摩擦力。换挡力随着锁球弹簧的压缩而增长，并在锁球从夹紧槽分离时立即变为零。从这个时间到结束脱离时间，换挡的位移比较明显。

（2）结束脱离的时间（t2）：机械自动换挡装置完成从原档位切换到空挡的操作，换挡力同时减少到零。因为变速器位于空挡所以输出轴的转速开始降低。从这一时间到预同步时间t3，机械自动换挡装置停止工作，其位移保持不变。

（3）预同步时间（t3）的：机械自动换挡装置使接合套移动到一个内齿轮的位置。接合套锁定的斜面推动同步锁环填补缺口，换挡力开始增加，位移发生变化，输入轴的转速不断减少。

（4）同步启动时间（t4）：随着缺口被填补，换挡力迅速增加，同步过程开始。

接合套停止移动。换挡级别抵制在力追踪曲线上产生波峰，然后得到正常同步负载。输入轴转速开始增加（减档）或减少（升档）。

（5）同步结束时间（t5）：输入轴转速增加（减档）或降低（升档）到最终速度等于输出轴转速乘以当前档位比率。接合套与离合器齿轮的转速差消失，然后同步过程完成。换挡力减少，与此同时接合套开始移动。

（6）换挡结束时间（t6）：同步过程完成后，接合套通过操纵同步锁环锁定斜面来使同步锁环半齿旋转，然后与离合器齿轮啮合。整个换挡过程完毕。