變速箱雙錐同步器燒環(huán)問題解析及改善對策

于毅

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變速箱雙錐同步器燒環(huán)問題解析及改善對策

于毅

（武漢協(xié)和齒環(huán)有限公司，湖北 武漢 430000）

文章介紹變速箱雙錐同步器結(jié)構(gòu)及其工作原理，結(jié)合售后市場頻繁反饋的燒環(huán)案例，分析故障發(fā)生機理并給出解決方案和建議。

雙錐同步器；非穩(wěn)定性的同步狀態(tài)；燒蝕

1 手動變速箱及同步器

汽車變速箱的用途是改變發(fā)動機傳送過來的轉(zhuǎn)速和扭矩，使汽車在各種工況下能正常運轉(zhuǎn)，比如啟動、爬坡、轉(zhuǎn)彎、加速及倒車等等。

汽車變速箱主要有手動及自動兩大類，本文中討論的是手動及雙離合變速箱里的同步器。

圖1 手動變速箱及同步器

變速箱通過撥動換擋桿，使同步器向左或右移動，選擇大小不同的齒輪組合，從而改變驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，將發(fā)動機的動力傳遞給輸出軸及差速器。（如圖1所示）

這里談及的同步器是MT，AMT及DCT變速箱內(nèi)的關(guān)鍵總成，對換擋可靠性、舒適性等有重要的影響，其機構(gòu)如下圖所示。

圖2 同步器結(jié)構(gòu)

根據(jù)變速箱的結(jié)構(gòu)布置以及換擋性能核算的結(jié)果，同步器通常有三錐、雙錐及單錐三種結(jié)構(gòu)分別應(yīng)用于1/2檔、3/4檔或其它檔位。

2 問題解析與改善

2.1 雙錐同步器的應(yīng)用及優(yōu)缺點

受空間尺寸的影響，目前不少的變速箱都使用了雙錐同步器，比如，大眾DQ200的4檔、長城GW002的3/4檔、GW001的 1/2檔、JAC MF20B的3/4檔、Getrag N720 的3/4檔等。原因在于相對于單錐同步器而言，雙錐同步器的換擋力減少了50%，同步容量增加了1倍；與三錐同步器相比既解決了1/2檔與3/4檔換擋力突變的問題（如果3/4檔使用單錐的話，換擋力有陡然加大的感覺，換擋舒適性受影響）而且還有一定的成本優(yōu)勢。

圖3 三錐同步器結(jié)構(gòu)

圖4 雙錐同步器結(jié)構(gòu)

圖5 單錐同步器結(jié)構(gòu)

如圖4所示，雙錐同步器與三錐同步器相比，其內(nèi)環(huán)沒有內(nèi)錐，與結(jié)合齒輪在徑向通常設(shè)計有一定的間隙。

但實際使用過程中我們經(jīng)常接受到來自市場上的不良反應(yīng)，最典型的就是零公里或售后短里程出現(xiàn)燒環(huán)現(xiàn)象。

2.2 燒環(huán)現(xiàn)象描述

如下圖所示，這是某客戶處頻繁發(fā)生的燒環(huán)案例，屬于3/4檔同步器，下線零公里及售后1000公里內(nèi)的燒環(huán)比例達到0.07%。

圖6 典型燒環(huán)案例

主要特征如下：

（1）同步器內(nèi)環(huán)的外錐面的螺紋嚴重磨損，甚至出現(xiàn)沿軸向的細小裂紋；

（2）中間環(huán)整體發(fā)黑、燒蝕；

（3）同步器外環(huán)螺紋嚴重磨損，內(nèi)外環(huán)卡爪卡口耦合處失去后備量；

（4）檢測中間環(huán)的直徑通常會有0.4-0.5mm的收縮。

正常情況下，這種燒環(huán)的概率在0.01%-0.03%，個別項目出現(xiàn)的比例0.1%或更高，其后果是掛檔時有嚴重的異響甚至無法掛進。

這種失效概率看起來小，而對于汽車最終用戶而言就是100%痛苦，所以，常常引起駕乘者的強烈抱怨。

也正是由于失效幾率小，缺陷的再現(xiàn)與分析就非常困難，一直困擾著變速器及同步器廠家。

結(jié)合多年的實際經(jīng)驗，對雙錐同步器燒環(huán)問題如下分析：

2.3 失效機理分析

在市場上很少反饋單錐同步器及三錐同步器有燒環(huán)的現(xiàn)象，為什么雙錐同步器表現(xiàn)這么突出呢？這與雙錐同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理有關(guān)：

2.3.1雙錐同步器結(jié)構(gòu)

如下圖所示，左邊是雙錐結(jié)構(gòu)，右邊是三錐結(jié)構(gòu)：

圖7 雙錐、三錐同步器結(jié)構(gòu)

二者的差異表現(xiàn)為：

（1）對于雙錐結(jié)構(gòu)而言，內(nèi)環(huán)與結(jié)合錐在徑向有0.5mm左右的間隙，依靠內(nèi)外環(huán)的耦合及中間環(huán)來進行徑向定位，沒有來自錐面的徑向支撐；在軸向內(nèi)環(huán)大端面與結(jié)合齒端面有0.5mm左右的間隙；

（2）對于三錐結(jié)構(gòu)而言，軸向大端面與結(jié)合齒的間隙通常在1.2-1.5mm，徑向由結(jié)合齒輪錐定位（預(yù)同步及同步過程中無間隙）。

2.3.2雙錐同步器的工作原理

雙錐齒環(huán)工作時，撥叉帶動齒套前移（比如0.5mm左右），滑塊推動外環(huán)及內(nèi)環(huán)移動，內(nèi)環(huán)外錐面與中間環(huán)接觸、內(nèi)環(huán)大端面與結(jié)合齒端面接觸，于是內(nèi)、中、外三個同步器齒環(huán)間的相互摩擦建立起來，從而進入預(yù)同步及同步過程。

2.3.3雙錐同步器的結(jié)構(gòu)缺陷

（1）徑向缺少定位，靠中間環(huán)及結(jié)合齒端面支撐，內(nèi)環(huán)運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性差，易出現(xiàn)偏擺、晃動，可能與結(jié)合齒輪在徑向產(chǎn)生干涉，建立起非正常摩擦，表現(xiàn)出來的外觀現(xiàn)象是內(nèi)環(huán)的內(nèi)錐面有擦痕。

（2）由于軸向間隙0.5mm遠小于三錐或單錐同步器的間隙（1.2-1.5mm），來自軸向的尺寸公差稍有偏差或齒環(huán)運轉(zhuǎn)過程中的跳動加大，都可能導(dǎo)致齒環(huán)提前進入同步或預(yù)同步狀態(tài)。

分析該類失效零件時，請重點關(guān)注：

（1）換擋限位結(jié)構(gòu)的缺陷：公差是否過大，建議單邊0.3mm以內(nèi)；

（2）撥叉桿的相互干涉：不同檔位的撥叉桿能單獨自由運動，互不干涉；

（3）結(jié)合齒端面的跳動：會影響到與同步內(nèi)環(huán)端面的接觸，小于0.05；

（4）同步器齒環(huán)的組件高度差:該值過大會引起預(yù)同步的提前進行；

（5）滑塊與外環(huán)凸臺的空檔間隙：適當(dāng)?shù)目諜n間隙能緩解軸向其它公差不一致時帶來的負面影響。

2.4 改善方法與建議

針對雙錐結(jié)構(gòu)的設(shè)計缺陷，可以采取如下措施，降低燒環(huán)風(fēng)險：

（1）適當(dāng)增加內(nèi)環(huán)與結(jié)合齒間的徑向間隙，建議設(shè)計為單邊0.5mm；

（2）合理設(shè)計軸向間隙，尤其是內(nèi)環(huán)端面與結(jié)合齒端面的間隙，建議在0.5mm以上；滑塊與外環(huán)凸臺的預(yù)同步間隙適當(dāng)增大（建議0.8mm以上），防止因換擋鎖止結(jié)構(gòu)間隙大帶來過大的撥叉偏移，從而讓同步器進入非正常的預(yù)同步或同步狀態(tài)。

以上改進措施都能積極地正向地減少燒環(huán)的幾率，根據(jù)目前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)燒環(huán)比例能控制在0.01%就是一個比較正常的水準。

（3）通過新的摩擦材料的應(yīng)用和設(shè)計優(yōu)化，利用單錐結(jié)構(gòu)代替雙錐結(jié)構(gòu)，比如使用貼碳的同步環(huán)并調(diào)整錐角的大小，確保同步容量的損失不大（控制0.04左右）或者，用三錐同步器的結(jié)構(gòu)代替雙錐同步器，這兩種方式應(yīng)該是徹底解決此類燒環(huán)問題的最好選擇。

目前，我們的做法是在同步器設(shè)計階段就與客戶闡明雙錐同步器利與弊及風(fēng)險點，希望在概念設(shè)計過程中就把問題規(guī)避掉。

在具體的項目應(yīng)用案例中，通過調(diào)整軸向、徑向間隙甚至調(diào)整同步器結(jié)構(gòu)等在不同的客戶處都取得了相當(dāng)?shù)男Ч?，因涉及到客戶的核心技術(shù)，在此不便過多舉例說明。

3 結(jié)語

雙錐同步器有換擋性能優(yōu)（相對于單錐同步器）、成本低（相對于三錐同步器）等優(yōu)點，但存在由于自身結(jié)構(gòu)的問題帶來的同步過程中的運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、對相關(guān)配偶件的尺寸要求高，導(dǎo)致售后市場經(jīng)常抱怨燒環(huán)問題的出現(xiàn)。我們必須正視雙錐同步器存在的問題，在設(shè)計過程中盡可能地優(yōu)化參數(shù)，確保徑向和軸向的間隙足夠克服齒環(huán)在非穩(wěn)態(tài)的運轉(zhuǎn)過程中的變差，減少失效幾率；也可以通過在初期設(shè)計中改變同步器結(jié)構(gòu)方式來預(yù)防燒環(huán)問題的產(chǎn)生。

[1] [德]Harald Naunheimer 等.汽車變速器理論基礎(chǔ)、選擇、設(shè)計與應(yīng)用[M].機械工藝出版社.

[2] 高維山,張恩浦.汽車設(shè)計叢書變速器.人民交通出版社.

Analysis & Solution for the Burning of Double Cone Synchronizer

Yu Yi

（Wuhan Kyowa Synchronized Ring co., LTD, Hubei Wuhan 430000 )

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.

double synchronizer; unstable synchronization; burning

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.058

U463

A

1671-7988(2019)10-169-03

U463

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于毅（1968-），男，高級工程師，碩士，先后就職于代傲同步技術(shù)（德國獨資）、武漢協(xié)和齒環(huán)（中日合資）等公司，從事技術(shù)及質(zhì)量等方面的研究工作。