汽车底盘构造与原理精解：同步器式换档装置的工作原理

目前，汽车中手动变速器的换档装置有两种：一是采用直齿齿轮滑动式，如宝来轿车倒档的换档方式；二是采用同步器式，这种方式应用最广泛，几乎所有的变速器都是采用同步器进行换档的。下面，我们就来具体学习一下同步器式换档装置。

同步器安装在两个浮动齿轮的中间，它可分为常压式、惯性式和自增力式三种类型。目前，广泛采用的是惯性式同步器。

惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的，其作用是保证接合套与待接合齿圈迅速达到同步，并阻止二者在未达到同步时进入啮合，从而消除换档冲击，改善换档质量。惯性式同步器按结构不同又可分为锁环式和锁销式两种。锁环式同步器结构紧凑，但传力小，故多用于轿车和轻型车辆的变速器中；锁销式同步器结构尺寸大，传递转矩大，故多用于中、重型车辆的变速器中。

下面分别对锁环式惯性同步器和锁销式惯性同步器进行讲解。

1.锁环式惯性同步器

（1）结构 如图2-40所示，锁环式惯性同步器由花键毂、接合套、锁环（也称同步环）、滑块和弹簧圈等组成。

图2-40 锁环式惯性同步器结构图

花键毂以其内花键套装在相应轴的外花键上，并用卡环轴向固定，而且花键毂上制有三个均布的轴向槽，用于安装滑块。两个锁环分别装在花键毂与接合齿圈之间。锁环具有内锥面，接合齿圈则具有相同的外锥面，两者之间通过锥面相接触。为了增加其接触锥面之间的摩擦力，在锁环内锥面上车有细密的螺纹槽，以使两锥面接触后能够破坏锥面间的油膜，提高摩擦系数。锁环上有断续的短花键齿，其短花键齿的断面形状和尺寸与接合齿圈上的外花键齿均相同。接合齿圈和锁环上的花键齿，在对着接合套的一端都制有倒角，称为锁止角，且与接合套内花键齿齿端的倒角相同。锁环的端部沿圆周相间均布着三个缺口。三个滑块分别装在花键毂上三个均布的轴向槽内，沿槽可以轴向移动。安装在三个滑块下面的两个弹簧圈将滑块压向接合套，滑块中部的凸起部位压嵌在接合套中部的凹槽内，其作用是保证接合套在空档处于中间位置。滑块两端伸入锁环的缺口中，滑块窄缺口宽，两者之差等于锁环上的花键齿宽。锁环相对于滑块顺转和逆转都只能转动一个齿宽，且只有当滑块位于锁环缺口的中央时，接合套与锁环才能接合。

（2）工作原理 如图2-41所示，下面以三档换四档为例，说明锁环式惯性同步器的工作原理。

1）空档位置。接合套刚从三档退入空档时，如图2-41a所示，四档接合齿圈、接合套、锁环以及与其有关联的运动件，因惯性作用而沿原方向继续旋转（图示箭头方向）。由于接合齿圈与高档齿轮铸成一体（相对于三档齿轮来说），所以，接合套、锁环的转速低于接合齿圈的转速。

2）挂档。欲换入四档时，驾驶人通过变速杆使拨叉推动接合套连同滑块一起向左移动，如图2-41b所示，滑块又推动锁环移向四档接合齿圈，使锥面接触。驾驶人通过拨叉作用在接合套上的轴向推力，使两锥面有正压力，又因两者有转速差，所以，产生摩擦力矩。通过摩擦作用，四档接合齿圈带动锁环相对于接合套向前转动一个角度，使锁环缺口靠在滑块的另一侧为止。此时，接合套内花键齿与锁环短花键齿错开了约半个齿宽，接合套内花键齿齿端倒角面与锁环短花键齿齿端倒角面互相抵住。

3）锁止。驾驶人的轴向推力使接合套内花键齿齿端倒角面与锁环短花键齿齿端倒角面之间产生正压力，形成一个企图拨动锁环相对于接合套反转的力矩，称为拨环力矩。这样，在锁环上同时作用着方向相反的摩擦力矩和拨环力矩，同步器的结构参数可以保证在同步前（存在摩擦力矩）拨环力矩始终小于摩擦力矩。所以，在同步之前无论驾驶人施加多大的操纵力，都不会挂上档，即产生锁止作用，如图2-41c所示。

4）同步啮合。随着驾驶人施加于接合套上的推力加大，摩擦力矩不断增加，使四档接合齿圈的转速迅速降低。当四档接合齿圈、接合套和锁环达到同步时，作用在锁环上的摩擦力矩消失。此时，在拨环力矩的作用下，锁环、四档接合齿圈以及与之相关联的运动件都相对于接合套反转一个角度，滑块处于锁环缺口的中央，如图2-41c所示，接合套内花键齿与锁环短花键齿不再抵触，锁环的锁止作用消除。接合套通过滑块压下弹簧圈继续左移（滑块脱离接合套中部的环槽而不能左移），与锁环的短花键齿进入啮合，进而再与四档接合齿圈进入啮合，换入四档，如图2-41d所示。(www.xing528.com)

（3）防止自动脱档措施 在手动变速器中，除了自锁装置可以防止自动脱档外，部分变速器的同步器也采取了一些防止自动脱档的措施，其结构形式有减薄齿式和齿端倒斜面式。

1）减薄齿式防止自动脱档机构。此种机构的同步器花键毂外齿圈的两端，齿厚各减薄0.3～0.4mm，使得齿中部形成一个凸台。当同步器的接合套左移与接合齿圈接合时（如图2-42a所示位置），接合齿圈的转矩传给接合套的一侧，再由接合套的另一侧传给花键毂。由于接合套的后端被花键毂中部的凸台挡住，在接触面上作用一个力N，其轴向分力P即为防止自动脱档的阻力。

图2-41 锁环式惯性同步器工作原理图

2）齿端倒斜面式防止自动脱档机构。此种机构在接合套内花键齿两侧齿端及接合齿圈的齿端都制有相同斜度的倒斜面。当同步器的接合套左移与接合齿圈接合时（如图2-42b所示位置），接合齿圈将转矩传到接合套的一侧，再经过接合套的另一侧传给花键毂。由于接合齿圈与接合套齿端部都为斜面接触，便产生一个垂直斜面的正压力N，其分力分别为F和P，其轴向分力P即为防止自动脱档的阻力。

图2-42 防脱档结构图

2.锁销式惯性同步器

如图2-43所示，锁销式惯性同步器的结构与锁环式惯性同步器不同，主要由定位销、锁销、摩擦锥环、摩擦锥盘、接合套和花键毂等元件组成。

锁销式惯性同步器和锁环式惯性同步器相比，摩擦力矩大，体积也较大，故常用于中、重型车辆的变速器中。其结构特点是：两个带有内锥面的摩擦锥盘以其内花键分别固装在带有齿圈的斜齿轮上，随齿轮一起转动。与之相配合的两个带有外锥面的摩擦锥环（锥环上有螺纹），通过3个均布的锁销和定位销与接合套连接。定位销与接合套的相应孔为滑动配合，接合套可沿定位销轴向移动。定位销的正中间切有一小段环槽，相应的接合套上钻有斜孔，内装有弹簧、钢球。钢球在弹簧作用下落入定位销的环槽中，起到空档定位作用。定位销的两端伸入两个锥环的内侧面，并留有间隙，可使锥环相对于接合套能转过一定的角度。锁销中间一段也制有环槽，其直径变化处切有倒角，接合套相应孔的两端也切有同样的倒角，故只有当锁销与接合套的相应孔对准时，接合套才能沿锁销轴向移动。锁销两端与锥环铆接，从而使2个摩擦锥环、3个锁销、3个定位销及1个接合套构成一个整体。

图2-43 锁销式惯性同步器

具体工作原理：以变速器挂入5档为例进行说明，如图2-43所示。当要挂入5档时，驾驶人通过变速杆、拨叉轴、拨叉推动接合套向左移动，接合套便通过定位钢球和定位销推动左侧摩擦锥环向左移动，使之与左侧的摩擦锥盘相接触。由于此时的摩擦锥环和摩擦锥盘转速不同，所以，两者一接触，便在其摩擦锥面摩擦力矩的作用下，使摩擦锥环连同锁销一起相对于接合套转过一个角度，使锁销中部倒角与接合套销孔端倒角的锥面互相抵触，从而使锁销产生锁止作用，阻止接合套向左移动（见锁销放大图）。与锁环式同步器一样，在锁止倒角上的切向分力F₂也形成一个拨环力矩而力图使锁销以及锥环倒转，但在锥环与锥盘未达到同步前，由左侧锥盘所形成的摩擦力矩总是大于拨环力矩，因而可以阻止接合套与接合齿圈在同步之前进入啮合。而只有达到同步后惯性力矩消失，拨环力矩才可拨动锁销及摩擦锥环、锥盘和5档接合齿圈等一起相对于接合套转过一个角度，使锁销重新与接合套的销孔对中，接合套便在轴向推力的作用下，压入定位钢球而沿定位销和锁销向左移动，与5档接合齿圈进入啮合，即完成挂入5档的换档过程。