汽车变速器换档非典型打齿故障的机理探究

樊智宏 范星星 张梦华

(麦格纳动力总成 格特拉克(江西)传动系统有限公司 设计工程部，江西 南昌 330013)

引言

汽车变速器换档打齿故障的典型成因是同步器结构设计的接近尺寸小于0(接近尺寸说明见下图1)，而本文要讨论的是打齿故障的一种非典型成因及其对策，这种打齿故障的产生机理相对特殊，行业内少见，但又持续困扰了公司的相关生产单位两三个月的时间，影响的是数以万计的变速器的正常交货进程，所以有一定研究价值和现实紧迫性。

图1 接近尺寸说明

1 案例描述

我公司新近开发的一款手动变速器，在样机试验阶段通过了各种耐久性试验的考验，顺利进入小批试生产阶段，并提供了样机给客户做整车试验。在整车试验中，变速器的各项常规功能、性能指标都表现优异，但当客户的试车专家把发动机转速调整到2000rpm左右时，从四档挂五档经常会出现明显的打齿声，30次换档中出现8次打齿，而从六档挂五档则听不到打齿声，此种状况客户无法接受。图2为发动机转速2000rpm时四档挂五档换档性能测试力学曲线对比。

图2 力学曲线对比

图2纵坐标数值为换档力，横坐标数值为换档位移。当换档位移行进在20～40mm之间时，同步器完成的是主同步过程，在这个阶段，如果同步环锥面没有贴合齿轮锥面，就不会有同步摩擦的产生，主同步阶段的换档力自然就不会升高(蓝色曲线所示)。也正因为主同步阶段同步摩擦扭矩的缺失导致齿套与齿圈的转速不同步，当换档位移行进到40～80mm之间进入齿套齿圈的花键啮合阶段时，碰撞打齿就成为十有八九的大概率事件了。图2横坐标换档位移60mm左右蓝色曲线密集飙高振荡就是碰撞打齿的最显著表现。

2 问题及产生机理

通过对比故障变速器打齿和未打齿的换档性能测试曲线(见图3)发现，发生打齿冲击的换档均是因为同步器没有完成主同步而直接进入与齿圈的啮合阶段。按照同步器的同步原理，未完成同步直接进档发生的打齿冲击，通常是因同步系统的接近尺寸小于0导致。

图3 测试曲线

接下来，核算同步器系统的尺寸链，发现接近尺寸大于0，故可肯定打齿问题的原因并非来源于接近尺寸方面。

从换档曲线来看，换档打齿依然是因为主同步未完成导致的，但具体到底是什么原因导致同步过程未完成呢？既然不是接近尺寸方面的问题，会不会是因为预同步功能未完成导致的呢？带着这个疑问，我们又核算了预同步间隙(见图4)尺寸链，并检测了故障变速器的预同步间隙和预同步力的大小，发现预同步间隙上极限值可能偏大，也就是说，存在这样一种可能，即：四档挂五档时预同步间隙会进一步增大以致预同步功能无法完成，而六档挂五档时，并不会导致预同步间隙的增大，相反，甚至有可能导致预同步间隙的减小。

图4 尺寸链

当然，分析至此，以上可能尚属推测，接下来我们要做的就是探讨上述推测的客观存在性。因预同步间隙的变化通常可由变速器轴系或齿轮的轴向窜动导致，所以我们不妨结合换档操作过程分析一下：

四档挂五档，当车速较慢时，驾驶员一般会通过踩油门将车速提升到较高速度然后马上踩离合器换档，此时动力是正拖，即发动机带动变速器。通过对变速器总成布局(见图5)的分析，输入轴五档齿轮是左旋

主动齿轮，齿面轴向分力向左。输出轴四档齿轮为左旋被动齿轮，齿面轴向分力向右。所以提速换档时输入轴(与五档齿轮是一体的)与同步器(固定装配在输出轴上)在四档挂五档瞬间有相互远离的趋势，从而导致预同步间隙增大到无法实现预同步功能，从而导致了换档打齿故障的发生。当车速较高时，驾驶员不需要踩油门加速，而是一边溜车一边从四档挂五档，动力是反拖，即变速器带动发动机。此时五档输入齿轮所受的轴向分力向右，四档输出齿轮向左，输入轴与输出轴相互接近，预同步间隙减小，预同步功能可正常实现，故不会发生换档打齿故障。

图5 变速器总成布局

六档降五档时，驾驶员都是在六档的车速下松开油门踩离合器挂五档，这时变速器齿轮都是反拖传动，五档输入齿轮和六档输出齿轮所受的轴向分力迫使输入轴和输出轴相互接近，换档瞬间预同步间隙减小，预同步功能可正常实现，故不会发生换档打齿故障。

3 优化方案

至此，我们已经找到了四档换五档打齿的根本原因，接下来要考虑的是改进措施及其实物验证。

从变速器的轴系结构可以看出，输入轴与输出轴通过一个过渡轴承连接，要减小预同步间隙，只需要将接合齿圈锥面整体向右偏移对应距离即可。

方法一：在输入轴与轴承之间增加一个垫片(见图6)；

方法二：在输入轴与输入轴轴承定位的端面上直接增加一个凸台(见图7)；

方法三：在五档接合齿圈上增加一个凸台(见图8)。

综合考虑工艺的复杂性及生产成本，正式生产时我们选择了方法三，即在五档接合齿圈上增加一个凸台，这样既不影响制造过程，又不影响装配过程，成本也是最低的。

图6 输入轴与轴承之间增加一个垫片

图7 端面上直接增加一个凸台

图8 五档接合齿圈上增加一个凸台