汽车同步器结构和工作原理

目前汽车上广泛采用的同步器为惯性式同步器，其包括滑块式同步器、锁销式同步器、多锥式同步器、锁环式同步器以及自增力同步器。本文所介绍的同步器为锁环式惯性同步器，其主要结构由摩擦部件、锁止部件和弹性部件组成。

摩擦部件包含档位齿轮摩擦锥面、同步环内外摩擦锥面；锁止部件包含同步器齿套、同步器齿毂、同步器滑块、同步环；弹性部件：滑块弹簧或卡簧。惯性锁环式同步器工作原理如图1所示。

换档时，齿套在换档力作用下带动滑块向相应档位同步环运动，当滑块与同步环接触瞬间，滑块推动同步环向相应档位齿轮摩擦锥面靠近直至接触，因两者存在转速差，锁止部件相对原位置发生一定位置偏转，促使齿套锁止角面与同步环锁止角面接触，阻止齿套继续运动。此时摩擦部件相接触，在换档力作用下产生摩擦力矩，使被接合的两部分逐渐同步。待被接合两部件转速相同时，摩擦力减小直至消失，此时拨环力矩大于摩擦力矩，齿套将同步环拨转一定角度，促使两锁止面分离，齿套越过同步环与相应档位接合齿接触，进而进入相应档位。

传统结构同步器结构及存在问题

传统结构变速器同步器齿套、齿环、接合齿均为对称结构。换档过程中，齿套在拨叉带动下向齿环靠近；同步过程中，齿套锁止面与齿环锁止面接触，此时齿环阻止齿套进一步运动，摩擦锥面在摩擦力矩作用下使被同步部件转速趋于相同。当转速相同时，锥面摩擦力消失，齿套拨环力矩大于摩擦力矩，齿套将同步环拨正一定角度。齿套继续运动，在齿套运动距离d（图2）范围内被同步部件仅在惯性矩作用下继续转动，无外界作用。此阶段同步部件及被同步部件产生新转速差，此转速差直接造成齿套进入结合齿时产生二次冲击力（DB力），此力过大时，会明显作用于手柄，表现出进档力突变，换档舒适性差。

传统结构中，为保证同步器锁止功能可靠性，以及同步环磨损预留量，齿环均预留一定的后备量，一般值为1.0～1.5 mm，齿套与结合齿间距d一般大于后备量，间隙较大易产生换档二次

冲击。

同步器新结构设计机理

传统结构设计中，同步器齿套、结合齿设计时采用全部对称齿或者全部偏齿结构。新设计结构在单档位上同时采用高低齿+偏齿结构（图3、图4），对各齿功能进行区分。

1）齿套设置高低齿：低齿负责换档过程的同步阶段，确保在未达到同步前阻止齿套继续滑移；同步过程中高齿位置对应齿环做缺齿处理，高齿不参与同步过程，在低齿同步过程中高齿齿套前端已越过同步点，有效缩短了同步器齿套与同步锥锁止面棱线间距，缩短齿套第二阶段空行程，减小转速差过大引起的换档冲击，如图3所示；齿套花键齿上区分高低齿，高低齿偏距L，L一般取0.4～1.0 mm，锁止角α1＜α3≤α2，d2＜d1，采用高低齿结构设计，d2范围可以降低至0.4～1.0 mm，如图4所示。

2）高齿设置偏齿：齿套高齿锁止角做成偏齿结构，锁止面采用大小角非对称设计。偏齿结构能实现在保证一定啮合长度的情况下，最大限度地减小锁止角；增加拨环力，减小轴向分力；同时因偏齿存在，齿套拨正结合齿转角减小，拨正入档更顺畅，能有效提高换档舒适性。拨环力F拨环计算如公式1所示。

式中，F为换档时齿套受到的换档力；u为锁止面静摩擦系数；θ为锁止角。例如：公司内某款变速器换档力F=60 N，拉索及系统传递效率：η=80%，系统换档杠杆比i=6.8；锁止面静摩擦系数u=0.1，锁止角优化前角度θ1=115°，优化后角度θ2=86°，通过计算拨环力变化如下公式2、3所示。

通过实例可知，通过调整锁止角，拨环力相对原结构提升1.75倍，拨环效果显著提升。

通过公式可知，同步器其他参数不变情况下，锁止角度减小，拨环力变大，同时因高齿为偏齿结构，当齿套锁止面与结合齿锁止面接触拨正结合齿所拨转的角度减小，进档更快。

齿套高低齿及偏齿结构设计控制点

常规同步器换档时，待齿套越过同步点后，因距离d的存在，同步部件与被同步部件产生新转速差。齿套在进入接合齿时需对结合齿进行拨正，其正常路径为接合齿锁止面沿着图5中齿套锁止面线1（实线）或线2（实线）滑动， 直至进入档位。但高低齿+偏齿结构同步器换档时，待齿套越过同步点后，接合齿锁止面沿高齿锁止面线1′（虚线）或2′（虚线）滑动。当接合齿锁止面沿2′线滑动时，接合齿无法越过低齿尖点，造成同步器自锁，表现出换档卡死。

通过计算及作图法可知：Htan（θ）≥S ，  图中边线1、2为低齿锁止面分度圆截面边线；边线1′、2′为高齿锁止面分度圆截面边线；H为高低齿偏移距离；S为高齿锁止角偏移距离；θ为边线2′对应锁止角；确保低齿尖点包含在2′线内。

以公司某款变速器设计方案为例，高低齿偏距H=0.7 mm，高齿锁止角偏距S=0.4 mm，对应锁止角度θ=50°，齿套与结合齿接触运动模拟如图5所示。

可以看出当齿套高齿接触接合齿时，齿套低齿未接触到齿套低齿，待齿套拨正结合齿继续进档时，齿套高齿将接合齿按照图示方向偏转，如图6所示，接合齿尖端并未越过齿套低齿尖端，两者出现干涉，阻止齿套进行进档，即自锁。

试验验证效果

以某款变速器同步器结构优化前后参数为例（图7、图8），原同步器换档二次冲击力（DB力）大于同步力50%及以上占比42.8%（一般设计要求≤20%），采用新结构同步器后，换档二次冲击力大于（DB力）同步力50%及以上出占比降为0，换档舒适性明显提高，客户认可度高。

结束语

通过同步器设置高低齿+偏齿结构，有效缩小齿套空行程带来的换挡转速差，同时设置偏齿减小进档角度，从而消除换挡二次冲击，有效提升变速器换挡舒适性。