在經(jīng)濟(jì)技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，卡車承擔(dān)著重要的角色，廣泛地出現(xiàn)在運(yùn)輸行業(yè)、礦業(yè)等工作場(chǎng)景中，但是對(duì)于作用于惡劣工況下的卡車來(lái)說(shuō)，變速箱故障率高、磨損率高是急需解決的問題。而高低擋同步器作為變速箱中關(guān)鍵零部件，其可靠度直接影響到變速箱壽命，并且會(huì)影響到卡車的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性，因此需要對(duì)傳統(tǒng)高低擋同步器進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到提升變速箱性能、延長(zhǎng)變速箱壽命的目的。
一、高低擋同步器作用過程與受力分析
高低擋同步器是卡車進(jìn)行換擋操作的關(guān)鍵部件，不僅能夠使換擋操作更加輕便，而且能夠提升汽車的動(dòng)力性以及舒適性，在一定程度上還能提高駕駛安全性。但是隨著換擋次數(shù)地增加，同步器的同步性能會(huì)降低。
對(duì)目前上市的某卡車變速箱高低擋同步器作用過程進(jìn)行分析，主要分為偏轉(zhuǎn)、鎖止、同步和掛擋四個(gè)階段，具體的作用過程如下。
1)偏轉(zhuǎn)：在初始換擋力與推塊彈簧的彈力作用下，同步器滑套在撥塊槽帶動(dòng)下將同步環(huán)擠壓到同步器錐轂。由于受到轉(zhuǎn)速不同以及換擋力大小的影響，兩者接觸瞬間會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)摩擦，產(chǎn)生的力矩使同步環(huán)產(chǎn)生角度偏移，并與同步器滑套之間進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。
2)鎖止：換擋力繼續(xù)增大，同步器滑套克服推塊彈力，直到齒端鎖止角斜面與同步環(huán)齒端鎖止角斜面緊密貼合。
3)同步：由于換擋力及錐面摩擦力的作用，同步器滑套角速度逐漸發(fā)生變化，直到與低擋錐轂或者高擋錐轂的角速度相同，此時(shí)進(jìn)行同步運(yùn)轉(zhuǎn)。
4)掛擋：同步環(huán)在掛擋力與摩擦力的共同作用下產(chǎn)生角度偏移，導(dǎo)致其與同步器滑套緊貼的鎖止斜面脫離，同步器滑套通過同步環(huán)與結(jié)合齒嚙合，完成掛擋操作。
根據(jù)高低擋同步器的作用過程繪制同步器受力分析圖，如圖 1 所示。同步環(huán)在換擋力 F 的推動(dòng)下與同步錐轂接觸，產(chǎn)生的接觸壓力 Fn=F/sin b，產(chǎn)生的摩擦力矩 Mf=Fnud1(u 為摩擦系數(shù))。
二、同步器理論計(jì)算與改進(jìn)設(shè)計(jì)
根據(jù)同步器作用過程與受力分析對(duì)同步器換擋力、摩擦力矩、相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及換擋時(shí)間進(jìn)行計(jì)算分析，得到理論值，具體過程如下。
1)高低檔同步器換擋力計(jì)算。首先計(jì)算低擋換高檔時(shí)的換擋力，活塞作用面積為 0.004 47 m2 ，實(shí)際作用壓強(qiáng) 0.7 MPa，可得活塞壓力為 3 169.6 N，根據(jù)條件換算得到換擋力為 3 250 N。同理，計(jì)算高擋換低擋時(shí)活塞作用面積為 0.004 96 m2 ，實(shí)際作用壓強(qiáng) 0.7 MPa， 換擋力為 3 608 N。
2)高低檔同步器摩擦力矩計(jì)算。確定換擋力后，根據(jù)情況設(shè)定摩擦錐面半錐角、平均半徑以及摩擦系數(shù)等值，按照同步器工作原理計(jì)算得，低擋換高擋時(shí)摩擦力矩為 213.8 N·m，高擋換低擋時(shí)的摩擦力矩為 237.3 N·m。
3)高低擋同步零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算。假設(shè)輸入軸轉(zhuǎn)速恒定為 2 000 r/min，將行星齒輪與太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到內(nèi)齒圈中進(jìn)行計(jì)算，得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0.70 kg/m2 。
4)換擋時(shí)間計(jì)算。根據(jù)公式：t=3.14nJ/T，其中，t 為時(shí)間，n 為轉(zhuǎn)速差，J 為內(nèi)齒圈當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，T 為摩擦力矩。計(jì)算換擋時(shí)間，當(dāng)從低擋換高擋時(shí)，換擋時(shí)間為 0.16 s，高擋換低擋時(shí)，換擋時(shí)間為 0.19 s。
為了能夠有針對(duì)性地對(duì)高低擋同步器進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，采集了某卡車變速箱高低擋同步器售后服務(wù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過歸納分析，高低擋同步器的失效方式具體有如下四種，滑套齒端打齒、高低擋掉擋、高低擋錐轂打齒以及摩擦錐面失效。
根據(jù)對(duì)同步器失效方式與作用過程、受力狀況的分析，對(duì)同步器提出以下四點(diǎn)改進(jìn)方案，并對(duì)制定好的改進(jìn)措施加以實(shí)施。
1)將雙側(cè)斜面鎖止齒修改為單側(cè)斜面，增大斜面接觸面積，降低鎖止失效率：由于同步器為單向工作，鎖止齒只有一側(cè)起作用，因此將同步環(huán)齒面改為單側(cè)鎖齒面，增大接觸面積，如圖 2 所示。
2)增加結(jié)合齒模數(shù)，提高結(jié)合齒抗沖擊力能力，將結(jié)合齒模數(shù)從 3.0 提升到 3.5，齒數(shù)從 63 減小到 54，在保持同步器內(nèi)外徑尺寸相同的情況下，達(dá)到提高結(jié)合齒強(qiáng)度的作用。
3)在同步錐轂錐面增加孔位，加快同步器破壞油膜速度，在同步器錐轂油槽垂直鉆一組 1.5 mm 的通孔，增加放油量。
4)增加同步錐轂與同步環(huán)錐面高度，增大摩擦錐面的面積，減小摩擦壓強(qiáng)，從而降低磨損速度，增大同步齒套和同步錐轂結(jié)合長(zhǎng)度，減小同步器掉檔產(chǎn)生結(jié)合齒失效的概率。根據(jù)表 1 對(duì)錐轂結(jié)合齒寬度、同步器寬度、錐面寬度以及摩擦半徑等參數(shù)進(jìn)行修改。
修改前后的高低擋同步器尺寸對(duì)比如圖 3 所示，修改后的齒嚙合長(zhǎng)度為 3.8 mm，相比修改之前的 2.3 mm，提升了 65%。
三、高低擋同步器換擋性能與壽命試驗(yàn)
使用同步器換擋試驗(yàn)臺(tái)對(duì)高低擋同步器性能與耐久度進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)置換擋氣壓條件為 0.8 MPa，試驗(yàn)潤(rùn)滑油使用 85 W/90，經(jīng)過 300 次磨合后開始記錄試驗(yàn)結(jié)果，連續(xù)記錄并繪制 10 次換擋曲線，如圖 4 所示。其中 L 為位移，f 為換擋力，LSel 為選擇線， p 為換擋氣壓。
根據(jù)高低擋同步器的換擋曲線計(jì)算對(duì)應(yīng)的平均值，按照上述理論計(jì)算方法對(duì)同步器改進(jìn)前后的換擋力、換擋時(shí)間進(jìn)行計(jì)算與對(duì)比，整理得到表 2。通過與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，改進(jìn)后的同步器換擋力增加，換擋時(shí)間與同步時(shí)間都減小，其結(jié)果相比于改進(jìn)前的同步器更接近于理論值。
QC/T 29063.4—2010 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)同步器的壽命試驗(yàn)要求是需要達(dá)到 10 萬(wàn)次掛擋且不失效。將高低擋同步器置于同步器試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)置換擋氣壓條件為 0.8 MPa，換擋頻率為 10 次 /min，潤(rùn)滑油采用 85 W/90。10萬(wàn)次掛擋試驗(yàn)后，同步器無(wú)異響，且不失效;檢查同步器高低擋錐面、同步環(huán)等零部件的損壞情況，均為正常磨損，如圖 5 所示，因此認(rèn)為改進(jìn)后的高低檔同步器性能較好。
四、結(jié)語(yǔ)
對(duì)于在惡劣工況下工作的卡車，高低擋同步器的性能一定程度上影響駕駛的穩(wěn)定性與安全性，而且其失效方式多樣，失效率也較高，因此需要對(duì)高低擋同步器進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)同步器的作用過程及受力情況進(jìn)行分析，通過理論計(jì)算確定了同步器改進(jìn)的換擋力、換擋時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)值，提出了加寬同步器、增加結(jié)合齒強(qiáng)度等四點(diǎn)改進(jìn)方案，完成了改進(jìn)后同步器的性能試驗(yàn)，可知改進(jìn)后的高低擋同步器與理論計(jì)算更接近，完成了同步器的壽命試驗(yàn)，改進(jìn)后的高低擋同步器能夠達(dá)到 10 萬(wàn)次換擋且不失效。
參考文獻(xiàn)略.