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关于汽车同步器的发展研究报告

007

（北京理工大学机械与车辆学院，北京，100081）

摘要：介绍了同步器的功能、种类和工作过程；对国内外在同步器的锁环摩擦材料，组成部件的模具与加工工艺、数字模型与数字化建模、基于同步器的变速器控制方法和同步器实验平台等方面的研究现状进行了系统的整理。

关键词：同步器；研究现状；发展趋势

1 同步器概述

同步器是汽车变速器中极为重要的部件，在汽车换挡时可以令输入轴的转速与输出轴转速同步后再进行机械连接，极大的减少了换挡冲击，提高了变速器的使用寿命。同步器是在早期的接合套换挡执行机构的基础上发展起来的，除了其原有的接合套、花键毂、接合齿圈外还增设了使接合套和对应接合齿圈转速迅速达到并保持一致的机构（同步机构），以及阻止两者在达到同步前接合以防止冲击的机构（锁止机构）[1]。因同步器的优良性能，目前汽车市场上几乎所有的乘用车变速器以及小型商用车都装配了同步器，其他车型也正在逐步增加同步器的使用率。

同步器经过几十年的发展，应对不同汽车的需求已经发展出了许多种类。按照原理可以分为：常压式同步器、惯性式同步器和自增力式同步器，惯性同步器又分为锁环式同步器和锁销式同步器。锁环式同步器的径向尺寸小，结构简单，多用于乘用车，但是同步转矩较小；锁销式同步器采用摩擦盘进行同步，同步转矩大，但是径向尺寸大，多用于中重型货车。按照摩擦锥面的数量分为，单锥面式同步器，双锥面式同步器和多锥面式同步器。按照摩擦锥面的基体材料可以分为，铜基同步器，钢基同步器和粉末冶金同步器。按照摩擦锥面材料分为传统铜环同步器其摩擦副为铜-钢摩擦副，钢基喷钼同步器，钢基烧结铜同步器，纸基同步器和碳纤维同步器。在上述的诸多同步器中因单锥面铜环锁环式同步器结构简单，加工工艺成熟，安全性好，制造成本低，得到大规模应用。

单锥面铜环锁环式同步器的主要组成部分为：花键毂、滑块、弹簧、接合套、锁环、接合齿圈和待接合齿轮。在未换挡时，弹簧下端位于花键毂内，上端将滑块压紧在接合套上的凹槽内实现定位。待到换挡时，换挡拨叉拨动接合套，接合套带动滑块移动，在克服间隙后，滑块推动锁环，使得锁环与接合齿圈的摩擦锥面接触，由于锁环与接合齿圈的转速不同步，锁环受到摩擦锥面的摩擦转矩，相对接合套转过半个齿厚，锁环的倒角与接合套的倒角接触，防止接合套与接合齿圈转速不同步时接合。待接合套与接合齿圈的转速同步后，锁环与接合齿圈无转速差，也无相对转动的趋势，故锁环不再承受摩擦转矩。此时，锁环在受到接合套倒角提供的拨环转矩的作用下被拨开，接合套与接合齿圈接触，接合套与接合齿圈的接触情况可能会出现3种情况：①接合套倒角未与接合齿圈的倒角接触，直接接合②接合套倒角与接合齿圈的倒角接合，发生小的二次冲击后，拨开接合齿圈，与之接合③接合套倒角与接合齿圈的倒角对顶，发生较大的二次冲击，拨开接合齿圈，与之接合[2,3,4]。

2 同步器在国内外的研究现状

2.1同步器在国内的研究现状

单锥面锁环式同步器在上世纪三十年代就已经被应用到了乘用车中，在这几十年的发展中，为了提高同步器的性能，不同学科不同领域的专家们都对同步器的各个方面进行了研究：①在锁环摩擦材料上：上海交通大学的杜令忠对锁环锻后的回火方法进行了研究，发现铜锰合金HMn5922212015锁环在锻后，若直接空冷则随着空冷的温度降低，锁环的硬度已随之降低，若锻后空冷及经200℃时效1h处理,锁环的耐磨性会大大增加，优于进口锁环或与之相近，探究了该种材料锁环的磨损机制，发现主要的磨损机制是磨粒磨损[5,6]。武汉理工大学的俞中新对钢基锁环上的碳纤维摩擦材料的配方进行了研究，研究发现选用腰果壳油、三聚氰胺改性酚醛树脂作为粘结基体,碳纤维作为增强材料,加入铁粉、铜粉、石墨、二硫化钼、硫酸钡等调节剂,按一定的配方设计、制备的摩擦材料，其性能已经能够满足同步器的使用要求,俞中新还分析了该种摩擦材料的机械强度、热衰退性能、恢复性能和摩擦磨损性能[7，8]。湖北工业大学的陈洪研究了传统黄铜锁环磨损失效的机制，发现传统黄铜锁环摩擦锥面的磨损失效机制以粘着磨损以主，以氧化磨损为辅，为了提高该种锁环的耐磨性，应该通过成分设计,使锁环在使用过程中，极表层可以形成高硬、稳定的多元氧化物,使磨损机制由主要为粘着磨损向主要为氧化磨损转化,大大提高产品的耐磨寿命[9]。

②同步器相关部件的加工工艺上：天津大学的李佳提出用摆线逼近渐开线与旋分方法来加工汽车同步器齿套倒锥,并用摆线簇来提高逼近精度[10]。上海合众汽车零部件公司粉末冶金厂的张华诚对花键毂的粉末冶金的成型模的结构进行了研究[11]。扬州大学的王昌龙对锁销式同步器的摩擦锥盘的最终热处理工艺进行了研究，发现用调质态45钢加工到零件最终尺寸后,进行激光表面淬火,摩擦锥盘锥面可获得较好的表层硬度分布和耐磨性能,可取代原先的火焰热喷涂Mo层后再进行机械加工的工艺[12]。

③同步器设计计算及数字化建模上：同济大学的赵世琴建立了较完善的同步器接合过程数学模型。推导出了通用性强的同步器接合过程的计算公式,较全面地反映了各种参数对同步器性能的影响.它适用于各种变速器传动方案,任意换档情况及同步器布置位置,并大大地简化了计算及程序编制[13]。同济大学的陈震、武汉理工大学的周帅和大连理工大学的傅友宾利用ADAMS对同步器的工作过程进行了仿真，结果表明同步器在仿真软件中的结果与传统理论计算结果相符，且在细节上更为精确的反映了同步器的工作过程[14,15,16]。天津大学的崔新涛和合肥工业大学的陈访对汽车变速器中的虚拟样机技术进行了研究，这对同步器的建模也有所帮助[17,18]。

④基于同步器的变速器控制研究：北京理工大学在变速器控制上做了大量工作，赵熙俊在对自动机械变速器建模与分析的基础上，以同步器的工作过程为分析对象对挂挡过程的控制进行了研究[19]。同步器不仅在手动变速器（MT）和自动机械变速器（AMT）中是主要部件，在自动双离合变速器（DCT）中也是决定性能优劣的关键部件,近年来随着大众对其研发的自动双离合变速器（DSG）的大力推广，普通民众对自动双离合变速器的认识与兴趣也与日俱增。然而我国高校很早就对该种自动变速器进行了深入的研究，重庆大学和清华大学早在2008年就对基于城市循环工况的双离合器式自动变速器同步器的控制策略进行研究[20]。

⑤同步器试验平台的设计研究：同步器由于其运动的多阶段和多变化的特点，有许多的实验数据是无法简单地在变速器台架上加装几个传感器就可获得的。要对同步器进行深入的分析就需要有专门的实验台架。目前的同步器台架功能较少，所以需要对其进行近一步的设计与分析。武汉理工大学的李靖对同步器实验台架进行了研究，他在硬件上采用了交流电机后驱反拖方式的动力系统，双步进电机驱动的换挡机械手。软件上采用了基于Modbus串口通讯协议的交流电机控制和基于研华PCL-1711数据采集卡的高速数据采集系统等。最终通过后期调试及实际使用验证证明整个测试系统可以实现同步器性能测试功能[21]。

2.2同步器在国外的研究现状

同步器的奠基之作是由M'Ewen 发表的[22]。目前，国外仍然对同步器进行着研究。具体的研究工作可以分为以下几类：

①对同步器原理的基本研究：Razzacki对自动双离合变速器的同步器进行了设计，对其发展进行了综述[23]。

②对同步器组成部件的研究：Sandooja研制了在传统锁环式同步器上改变毂和锁环几何结构而得到的二次引导锁环式单锥面同步器[24]。Christoffer和Spreckels研制了具有独特几何形状锁环的新型同步器[25,26,27]。

③对同步器工作过程中的摩擦与润滑情况进行研究：Paffoni详细描述了同步器从无润滑到充分润滑之间的混合润滑状态[28]。Mindivan,H.对黄铜锁环的显微结构和磨损特性进行了深入的研究[29]。

④建立同步器的数学模型和仿真模型：Lovas和Fietkau,P.在仿真环境中建立了仿真模型，对同步器的同步过程和二次冲击现象进行了研究[30，31]。Hoshino首次在ADAMS中建立了同步器三维模型，研究了不同转速导致的接合套外齿与锁环齿不同的进入啮合方式[32]。Tseng建立了ADAMS模型，研究了不同换挡力、不同半锥角、不同摩擦系数对换挡过程的影响[33]。Berbyuk 将同步器工作过程划分为8个阶段，并在Simulink中对前3阶段建立了模型，得到了较接近现实的仿真结果[34]。Kelly和Kent在Simulink中建立了一套衡量换挡质量的动力学模型，其包含了连杆机构、变速箱、传动装置和同步器，并讨论了该模型的每个自由度，求解了每个部件的轴向和旋转加速度。

⑤基于同步器的离合器控制研究：Walker, Paul D.和Zhang, Non g对双离合变速器中的同步器的性能和控制进行了大量的研究[35,36,37,38]。

2.3同步器的发展趋势

面对未来汽车发展的趋势，商用车上装配同步器的比例会越来越大，同步器也势必要随着发展以适应客户的需求。同步器增加同步转矩是同步器未来发展的一大方向[39]。单锥面同步器受限于结构，其转矩的提升有限，因此可通过发展双锥面同步器以提高同步器转矩。双锥面同步器是把同步锥环作为一个单独零件，在同步外环、内环之间浮动，并可沿轴向移动，从而使得内、外两个摩擦面同时产生摩擦力，由于摩擦面成倍的增加，使得同步器的性能在相同的尺寸下，摩擦力矩大大增加，它既继承了锁环式同步器的优点，又在提高同步摩擦力矩上弥补了其不足[40]。此外，由于同步器的，摩擦锥面是提供摩擦转矩的直接部件，其表面的摩擦系数对同步器可传递的转矩有直接联系，因此还可通过改善摩擦锥面的摩擦系数提高同步器的摩擦转矩[41]。

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