变速器同步器工作原理

变速器

一、变速器概述

变速器功用：

（1）改变传动比，满足不同行驶条件对牵引力的需要，使发动机尽量工作在有利的工况下，满足可能的行驶速度要求。

（2）实现倒车行驶，用来满足汽车倒退行驶的需要。

（3）中断动力传递，在发动机起动，怠速运转，汽车换档或需要停车进行动力输出时，中断向驱动轮的动力传递。

变速器分类：

（1）按传动比的变化方式划分，变速器可分为有级式、无级式和综合式三种。

(a)有级式变速器：有几个可选择的固定传动比，采用齿轮传动。又可分为：齿轮轴线固定的普通齿轮变速器和部分齿轮（行星齿轮）轴线旋转的行星齿轮变速器两种。

(b)无级式变速器:传动比可在一定范围内连续变化,常见的有液力式,机械式和电力式等。

(c)综合式变速器：由有级式变速器和无级式变速器共同组成的，其传动比可以在最大值与最小值之间几个分段的范围内作无级变化。

（2）按操纵方式划分，变速器可以分为强制操纵式，自动操纵式和半自动操纵式三种。

(a)强制操纵式变速器：靠驾驶员直接操纵变速杆换档。

(b)自动操纵式变速器：传动比的选择和换档是自动进行的。驾驶员只需操纵加速踏板，变速器就可以根据发动机的负荷信号和车速信号来控制执行元件，实现档位的变换。

(c)半自动操纵式变速器：可分为两类，一类是部分档位自动换档，部分档位手动（强制）换档；另一类是预先用按钮选定档位，在采下离合器踏板或松开加速踏板时，由执行机构自行换档。

二、普通齿轮变速器

普通齿轮变速器主要分为三轴变速器和两轴变速器两种。它们的特点将在下面的变速器传动机构中介绍。

变速器传动机构：

(1)三轴变速器这类变速器的前进档主要由输入(第一)轴、中间轴和输出(第二)轴组成。

(2)两轴变速器这类变速器的前进档主要由输入和输出两根轴组成。

三轴五档变速器有五个前进档和一个倒档，由壳体、第一轴（输入轴）、中间轴、第二轴（输

出轴）、倒档轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成。

第一轴和第一轴常啮合齿轮为一个整体，是变速器的动力输入轴。第一轴前部花键插于离合器从动盘毂中。

在中间轴上制有（或固装）有六个齿轮，作为一个整体而转动。最前面的齿轮与一轴常啮合齿轮相啮合，称为中间轴常啮合齿轮，从离合器输入一轴的动力经这一对常啮合齿轮传到中间轴各齿轮上。向后依次称各齿轮为中间轴三档、二档、倒档、一档和五档齿轮。

在第二轴上，通过花键固装有三个花键毂，通过轴承安装有二轴各档齿轮。其中从前向后，在第一和第二花键毂之间装有三档和二档齿轮，在第二和第三花键毂之间装有一档和五档齿轮，它们分别与中间轴上各相应档齿轮相啮合。在三个花键毂上分别套有带有内花键的接合套，并设有同步机构。通过接合套的前后移动，可以使花键毂与相邻齿轮上的接合齿圈连接在一起，将齿轮上的动力传给二轴。其中在第二个接合套上还制有倒档齿轮。第二轴前端插入一轴齿轮的中心孔内，两者之间设有滚针轴承。第二轴后端通过凸缘与万向传动装置相连。

当变速器第一轴被离合器从动片驱动时，第一轴常啮合齿轮通过中间轴常啮合齿轮带动中间轴转动，中间轴上各档齿轮又带动二轴上相应各档齿轮转动。在各接合套都位于花键毂中央，未挂档时，二轴上各档齿轮都在二轴上空转，二轴不输出动力，变速器处于空档状态；当变速器操纵机构将二轴上某一档齿轮的接合齿圈与其邻近的花键毂通过接合套挂通时，已传到中间轴齿轮的动力经过中间轴和二轴上的这一对齿轮、接合套及花键毂又传到二轴上，变速器处于该档工作状态。当第一花键毂通过接合套与前面第一轴常啮合齿轮的接合齿圈挂通时，来自输入轴的动力直接传到输出轴上，这时变速器的传动效率最高，这一档位称为直

接档。

为了能够在发动机曲轴转动方向不变的情况下倒车行驶，在变速器中设置了倒档轴。倒档齿轮通过轴承活套在倒档轴上（图中未画出）。当第二接合套位于中间位置时，其上边齿轮正好与中间轴倒档齿轮相对。用换档拨叉把倒档齿轮拨到与这两个齿轮相啮合位置，中间轴上的动力就会经倒档齿轮、第二接合套上的齿轮和第二花键毂传到二轴上。倒档齿轮起到了改变转动方向的作用。

变速器处在某一档位时，输入轴与输出轴的转速之比称为变速器该档的传动比。对于三轴变速器，其传动比的计算可以用下式进行：

传动比 i = 输入轴转速/输出轴的转速

=（中间轴常啮合齿轮齿数N2/第一轴常啮合齿轮齿数N1）×（第二轴某档齿轮齿数N4/中间轴某档齿轮齿数N3）

例如：解放CA1091型汽车六档变速器的第三档：

传动比 i 3 =（中间轴常啮合齿轮齿数N2/第一轴常啮合齿轮齿数N1）×（第二轴三档齿轮齿数N4/中间轴三档齿轮齿数N3）＝（43/22）×（38/26）＝2.857

为了防止脱档，可以在接合齿上采取各种措施。

在该变速器上，各轴上倒档齿轮均为直齿圆柱齿轮，采用移动齿轮换档方式。其余各齿轮全部为斜齿圆柱齿轮，具有传动平稳的特点。

在有些变速器上，二轴上齿轮及相应中间轴上各齿轮均为直齿圆柱齿轮。二轴上齿轮通过花键安装在二轴上，可以沿轴向相对于二轴滑动。采用移动二轴上齿轮的换档方式，使二轴上的各档齿轮与中间轴各档齿轮有选择地挂通，从而实现不同档位的变换。也有的变速器只采用接合套换档，而没有同步装置。这样的变速器在换档时，都存在不能避免齿轮冲击的缺点，随着制造技术的发展，目前变速器普遍采用了同步器换档方式。

在五档变速器中，往往将第五档设计为超速档。变速器处于超速档工况时传动比小于1，输出轴比输入轴转得要快。在路况良好，汽车不需要频繁加减速的情况下，使用超速档能让发动机工作在接近最经济状态的满负荷情况；又因为行驶同样的路程，使用超速档时曲轴转的圈数要少于使用直接档时曲轴转的圈数，这样就减少了由于活塞上下运动所造成的摩擦损失，减少了单位行驶里程的油耗。变速器传动比的减小造成了对发动机输出转矩要求的增加，但由于汽车驱动能力不需为加速留出很大的余地，发动机输出转矩的能力是完全可以胜任的。

三、同步器

(1)为什么要采用同步器？

以下图所示两轴变速器三、四档间换档过程为例(并假设在换档机构中只有接合套而无同步环)

从结构图中可以看出，输出轴三挡齿轮6与输入轴三档齿轮2的齿数之比（z6/z2）大于输出轴四挡齿轮5与输入轴四挡齿轮4 的齿数之比（z5/z4）。由相互啮合传动齿轮的转速与齿数关系（n2/n6=z6/z2，n4/n5=z5/z4），可以得出齿轮2与齿轮6转速之比（n2/n6）大于输入轴四挡齿轮4与输出轴四挡齿轮5 转速之比（n4/n5）的结论。而输出轴三挡齿轮6与齿轮5的转速又是一样的（n6=n5），所以在传动过程中，齿轮2转速永远比齿轮4转速高，即n2>n4。

当变速器从低速档（三档）换人高速档（四档）时，首

先要踩离合器踏板，使离合器分离，接着通过变速杆等将接

合套3右移，进入空档位置。在接合套3与齿轮2刚分离这

一时刻，两者转速还是相等的，即n3=n2。而n2>n4，由此

可以得出n3>n4，即接合套3的转速大于齿轮4转速的结论。

这时如果立即把接合套3推向齿轮4上接合齿圈，就会发生打齿现象。

此时，由于变速器处于空档，接合套和齿轮之间没有联系，离合器从动盘又与发动机脱离，所以接合套与齿轮的转速都在分别逐渐降低。

因为齿轮与齿轮、输出轴、万向传动装置、驱动桥、行驶系以及整个汽车联系在一起，惯性很大，所以n4下降较慢；而接合套只与输入轴和离合器从动盘相联系，惯性很小，故n3下降较快。

因为n3原先大于n4，n3下降得又比n4快，所以过一会儿后，必然会有n3＝n4（同步）的情况出现。最好能在n3＝n4的时刻使接合套右移而挂入四档。

与接合套联系的一系列零件的惯性越小，则n3下降得越快，达到同步所需时间越少，并且在同样速度差的情况下，齿间的冲击力也小，因此离合器从动部分转动惯量应尽可能小一些。

当变速器从高速档（四档）换人低速档（三档）时，刚从四档推到空档的接合套与齿轮的转速相同，即n3＝n4，同时又有n2>n4，所以n2>n3。进入空档后，由于n3下降得比n2快，所以在接合套停下来之前，随着时间的推移，两者（n2与n3）差值将越来越大。为了使接合套3与齿轮2的转速达到相同，驾驶员应在此时重新接合离合器，同时踩一下加速踏板，使变速器输入轴及接合套3的转速高于齿轮2转速（动画子步骤（6）），即n3>n2，

然后再分离离合器，等待片刻，到n3＝n2时，即可让接合套3与齿轮2上接合齿圈相接合，从而挂入三档。

上述相邻档位相互转换时，应该采取不同操作步骤的道理同样适用于移动齿轮换档的情况，只是前者的待接合齿圈与接合套的转动角速度要求一致，而后者的待接合齿轮啮合点的线速度要求一致，但所依据的速度分析原理是一样的。

以上变速器的换档操作，尤其是从高档向低档的换档操作比较复杂，而且很容易产生轮齿或花键齿间的冲击。为了简化操作，并避免齿间冲击，可以在换档装置中设置同步器。

同步器有常压式，惯性式和自行增力式等种类。这里仅介绍目前广泛采用的惯性式同步器。

惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的，在其上面设有专设机构保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，从而避免了齿间冲击。

惯性同步器按结构又分为锁环式和锁销式两种。

轿车和轻、中型货车的变速器广泛采用锁环式惯性同步器，其细部结构多种多样, 但工作原理是一样的。其工作原理可以北京BJ212型汽车三档变速器中的二、三档同步器（见图3－33）为例说明。花键毂7与第二轴用花键连接，并用垫片和卡环作轴向定位。在花键毂两端与齿轮1和4之间，各有一个青铜制成的锁环（也称同步环）9和5。锁环上有短花键齿圈，花键齿的断面轮廓尺寸与齿轮1，4及花键毂7上的外花键齿均相同。在两个锁环上，花键齿对着接合套8的一端都有倒角（称锁止角），且与接合套齿端的倒角相同。锁环具有与齿轮1和4上的摩擦面锥度相同的内锥面，内锥面上制出细牙的螺旋槽，以便两锥面接触后破坏油膜，增加锥面间的摩擦。三个滑块2分别嵌合在花键毂的三个轴向槽11内，并可沿槽轴向滑动。在两个弹簧圈6的作用下，滑块压向接合套，使滑块中部的凸起部分正好嵌在接合套中部的凹槽10中，起到空档定位作用。滑块2的两端伸入锁环9和5的三个缺口12中。只有当滑块位于缺口12的中央时，接合套与锁环的齿方可能接合。

在挂三档时，用拨叉3拨动接合套8并带动滑块2一起向左移动。当滑块左端面与锁环9的缺口12的端面接触时，便推动锁环9压向齿轮1，使锁环9的内锥面压向齿轮1的外锥面。由于两锥面具有转速差（n1＞n9），所以一接触便产生摩擦作用。齿轮1即通过摩擦作用带动锁环相对于接合套超前转过一个角度，直到锁环9的缺口12与滑块的另一侧面,接触时，锁环便与接合套同步转动。此时，接合套的齿与锁环的齿错开了约半个齿厚，从而使接合套的齿端倒角面与锁环相应的齿端倒角面正好互相抵触而不能进入啮合。

四、变速器操纵机构

变速器操纵机构能让驾驶员使变速器挂上或摘下某一档，从而改变变速器的工作状态。

为了保证变速器的可靠工作，变速器操纵机构应能满足以下要求：

（1）挂档后应保证结合套于与结合齿圈的全部套合（或滑动齿轮换档时，全齿长都进入啮合）。在振动等条件影响下，操纵机构应保证变速器不自行挂档或自行脱档。为此在操纵机构中设有自锁装置。

（2）为了防止同时挂上两个档而使变速器卡死或损坏，在操纵机构中设有互锁装置。

（3）为了防止在汽车前进时误挂倒档，导致零件损坏，在操纵机构中设有倒档锁装置。