汽车变速器锁销式
同步器失效分析
和解决措施
□文／吴修义（北京齿轮总厂）
同
步器是汽车变速器中影响换档性能最重要的部件之一。
２ 失效模式及原因分析
２．１ 总成早期失效
早期失效是锁销式同步器常见故障之一。特别是在项目初始台架与道路试验较为常见。其根本原因以设计误差、制造累积误差超差引起干涉居多。主要反应的现象为同步器换档困难，同步时间过长和啮合齿“打齿”等。（１）换档困难。换档困难主要有进档困难和脱档困难两种情况。进档困难主要原因是片面考虑同步器寿命，总成作用高度过大，致使在换档过程中两啮合锥面已经啮合同步，但拨叉还在行程之中，产生不能进档的现象。脱档困难主要原因有同步器锥面与啮合齿锥面间内锥面尺寸偏小或外锥面尺寸偏大，使得同步器两啮合锥面间隙过小，同步环结合齿端与外径处的过渡圆角过大，与同步器齿座花
图 锁销式同步器总成结构示图
１．高档锥环组件 ２．低档锁止销 ３．同步
器齿套 ４．低档锥环组件 ５．高档锁止销
锁销式双锥面同步器因其结构紧凑、设计模块化、同步容量大、传递转矩大、可靠性高和制造成本低等优点，被广泛应用于重型汽车变速器中。
１ 锁销式同步器结构
锁销式同步器总成结构如图示，它由高低档锁止销（各３根）、弹簧（６根）、高低档锥环组件（各一套）及同步器齿套组成。
键齿内轮辐干涉，都有可能引起摩擦副间冷却不够而形成烧结，或者啮合摩擦面产生自锁，使得同步器两啮合锥面在换档时不能脱开。由于同步器锥面间一直受摩擦力的作
副轴前轴承损坏，主箱倒档轴后部平端紧固螺钉松动，并卡在已损坏的轴承与倒档轴之间。另外，还发现主箱左副轴后端定位卡簧已折断，主箱底部摸出一个弹性销钉。
为此，及时更换损坏的轴承和机件，并通过查资料找到了遗落在主箱底部的弹性销钉的安装部位。将它重新安装在变速器上盖的双Ｈ换档控制机构中的拨块定位处后再试车，发现故障仍未排除。而且还出现了新问题，即挂上倒档后，汽车不能倒车。再拆下双Ｈ换档控制机构，用旋具拨倒档拨叉，汽车不仅没
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《重型汽车》ＨＥＡＶＹ ＴＲＵＣＫ ２０１０．５．
能倒行，反而发出响声。
为此，又进行了以下试验。重新起动汽车挂倒档，慢松离合器出现响声时踩下离合器踏板，并使柴油发动机熄火（此时，换档杆一定要置于倒档位置上）。在不让倒档拨叉轴移动的前提下，拆下双Ｈ换档控制机构和拨叉盖板，发现倒档滑动接合套已完全进入倒档齿轮内，换句话说就是完全接合。由此可以判定，故障不在变速器的操纵部分，也不在变速器的主箱，问题可能出在副箱上。
因此，再次对副箱进行了拆检。首先仔细检查了主箱的输出齿轮（即
副箱的主动齿轮），外观及外齿未发现问题，内齿则已磨损。与该齿啮合的副箱齿虽也有磨损，但不及主箱齿严重。更换这一对啮合的齿轮后再试车，故障现象消失。
事后分析认为，之所以如此是因为挂倒档后，主箱的输出齿轮就反转。由于该齿轮内齿有问题，在与副箱输出齿接合后，受力部位正好处在严重磨损的齿面上。在没有负荷的情况下能旋转，一旦带负荷主箱输出齿轮就会跳转（俗称齿打滑），无法把动力传递给副箱的输出轴，导致产生磨齿声，同时引起变速器严重抖动。
Ｑｉｃｈｅｍｅｎｚｈｅｎ
用，在特定的状态下还可能产生溜车现象。
（２）同步时间过长和啮合齿“打齿”。同步时间过长的主要原因是在换档过程中啮合齿间不能够及时发现同步。一是由于同步器总成作用高度过低，进档时由于摩擦锥面间间隙过大，产生的摩擦力矩过小，致使同步作用力不够；二是两摩擦锥面接触面积过小或设计时摩擦锥面锥度差过大，造成啮合时锥面单边磨损严重，同步过程中不能保证同步环与啮合齿锥面很好地实现锁止作用，所以换档时间长。由于挂档时同步器还没有同步，齿套和结合齿仍存在较高的速度差时，齿套与结合齿的外花键产生“打齿”而发响。
２．２ 同步器锥环早期失效
（１）同步器锥环开裂：锥环开裂，在实际使用中时有发生。主要原因有：一是因为锥环基体粉沫件烧结没有达到要求，内部结构疏松，在撞击时产生开裂；二是由于锁止销在铆接过程中，铆压力过大，使得内部产生应力，当正常运转时，不断地换档，使得应力释放引起开裂。（２）同步器锥环烧结：锥环烧结通常由以下几个原因引起：一是由于同步器总成作用高度过大，同步器与相啮合齿锥面间的间隙过小，在正常运转时，锥面间有摩擦力矩，形成常摩擦状态，产生大量的摩擦热而致同步器烧死；二是由于同步器总成作用高度过低，进档时由于摩擦锥面间间隙过大，产生的摩擦力矩过小，致使同步作用力不够，使得锥环与锥盘的摩擦时间过长，产生大量的摩擦热；三是由于同步器与啮合齿两啮合摩擦锥面所产生的摩擦热不能及时带走，聚集着大量的摩擦热，产生的原因有润滑油中有异物进入摩擦锥间，或是变速器使用的润滑油黏度太稠或润滑油的清洁度太差，还有些是人为操作因素，比如长距离熄火空档溜坡，因为同步器锥面间的冷却是依靠轴齿的旋转甩起来的，若熄火滑行，则润滑油无法进入同步器摩擦锥面之间的空隙，形成烧死。２．３ 锁止销断裂
锁止销断裂是锁销式同步器常见故障之一，产生的原因比较复杂，并且对同步器整体寿命起到限制的作用。经过分析，主要存在以下一些原因：一是由于同步器作用力不够，可能是因为同步器总成作用高度过高或者过低，也可能是由于两摩擦锥面间摩擦力不够，摩擦锥面不能够及时同步，加重了锁止销的承受扭力，使得锁止销断裂；二是锁止销自身的制造存在质量问题，常见问题存在于热处理，比如原材料淬火后心部硬度过高，金相组织不合格，销子表面渗碳过深，渗碳时产生应力集中等；三是锁止销铆接时高度不一致，锁止销铆接时与端面不垂直，形成在
换档时作用力不一致或者有斜力矩产生，使得锁止销断裂；四是铆接过程中锁止销是否铆死，锁止销是否铆压力过大形成铆头开裂，使得锁止销与同步环间存在松动或者应力集中，不能够承受实际换档的作用力而断裂。
３ 解决措施
３．１ 改善锥环结构
同步器要实现同步功能，基本都是用锥环摩擦来实现的。锁销式同步器主要适用于重型汽车领域，其承受的摩擦冲击力更大。选用良好的锥环结构与摩擦材料，对于同步器寿命至关重要。锥环结构主要是设计时考虑锥面摩擦副的自锁角度，在不自锁的情况下摩擦力越大，相对同步性能越好。摩擦材料现在主要有整体铜制件、锥环喷钼件和锥面粘贴碳纤维布等。在目前情况下，铜摩擦副已经越来越不能满足大转矩要求；喷钼件虽然能够满足摩擦要求，寿命也可靠，但成本较高；相对来说，碳纤维布比较经济，并且能够满足当今的技术要求，因此已得到不断推广。
３．２ 保证锁止销制造质量
锁止销的质量，是锁销式同步器完好的关键。因此必须做到：一是要选用合适的锁止销材料，一般而言，弹簧钢比较合适；二是要完善热处理工艺，保证锁止销自身的抗剪强度与韧性；三是要保证锁止销自身的加工精度，特别是同步器齿套换档时滑过台阶的表面粗糙度及相连接的圆弧，因为这将直接导致换档的顺滑性及同步器寿命。３．３ 优化铆压装配工艺
铆接对于锁销式同步器来说，是至关重要的一道工艺。一是必须要控制铆压机的铆接压力；二是要控制铆头的旋转中心，也就是铆头与铆压机摆研中心相一致；三是要完善铆压工装，避免铆压过程中铆接件抖动或者锁止销不垂直或者铆压时间隙大小不一，导致锁止销工作位置不一致。
３．４ 保证换档环境
保证换档环境最主要是控制变速器内部所有零件的清洁度，避免变速器润滑油混有杂质；同时要选用合格的润滑油，避免粘度过大，保证同步器换档时锥面充分冷却。
２０１０．５． ＨＥＡＶＹ ＴＲＵＣＫ《重型汽车》
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汽车变速器锁销式
同步器失效分析
和解决措施
□文／吴修义（北京齿轮总厂）
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步器是汽车变速器中影响换档性能最重要的部件之一。
２ 失效模式及原因分析
２．１ 总成早期失效
早期失效是锁销式同步器常见故障之一。特别是在项目初始台架与道路试验较为常见。其根本原因以设计误差、制造累积误差超差引起干涉居多。主要反应的现象为同步器换档困难，同步时间过长和啮合齿“打齿”等。（１）换档困难。换档困难主要有进档困难和脱档困难两种情况。进档困难主要原因是片面考虑同步器寿命，总成作用高度过大，致使在换档过程中两啮合锥面已经啮合同步，但拨叉还在行程之中，产生不能进档的现象。脱档困难主要原因有同步器锥面与啮合齿锥面间内锥面尺寸偏小或外锥面尺寸偏大，使得同步器两啮合锥面间隙过小，同步环结合齿端与外径处的过渡圆角过大，与同步器齿座花
图 锁销式同步器总成结构示图
１．高档锥环组件 ２．低档锁止销 ３．同步
器齿套 ４．低档锥环组件 ５．高档锁止销
锁销式双锥面同步器因其结构紧凑、设计模块化、同步容量大、传递转矩大、可靠性高和制造成本低等优点，被广泛应用于重型汽车变速器中。
１ 锁销式同步器结构
锁销式同步器总成结构如图示，它由高低档锁止销（各３根）、弹簧（６根）、高低档锥环组件（各一套）及同步器齿套组成。
键齿内轮辐干涉，都有可能引起摩擦副间冷却不够而形成烧结，或者啮合摩擦面产生自锁，使得同步器两啮合锥面在换档时不能脱开。由于同步器锥面间一直受摩擦力的作
副轴前轴承损坏，主箱倒档轴后部平端紧固螺钉松动，并卡在已损坏的轴承与倒档轴之间。另外，还发现主箱左副轴后端定位卡簧已折断，主箱底部摸出一个弹性销钉。
为此，及时更换损坏的轴承和机件，并通过查资料找到了遗落在主箱底部的弹性销钉的安装部位。将它重新安装在变速器上盖的双Ｈ换档控制机构中的拨块定位处后再试车，发现故障仍未排除。而且还出现了新问题，即挂上倒档后，汽车不能倒车。再拆下双Ｈ换档控制机构，用旋具拨倒档拨叉，汽车不仅没
４４
《重型汽车》ＨＥＡＶＹ ＴＲＵＣＫ ２０１０．５．
能倒行，反而发出响声。
为此，又进行了以下试验。重新起动汽车挂倒档，慢松离合器出现响声时踩下离合器踏板，并使柴油发动机熄火（此时，换档杆一定要置于倒档位置上）。在不让倒档拨叉轴移动的前提下，拆下双Ｈ换档控制机构和拨叉盖板，发现倒档滑动接合套已完全进入倒档齿轮内，换句话说就是完全接合。由此可以判定，故障不在变速器的操纵部分，也不在变速器的主箱，问题可能出在副箱上。
因此，再次对副箱进行了拆检。首先仔细检查了主箱的输出齿轮（即
副箱的主动齿轮），外观及外齿未发现问题，内齿则已磨损。与该齿啮合的副箱齿虽也有磨损，但不及主箱齿严重。更换这一对啮合的齿轮后再试车，故障现象消失。
事后分析认为，之所以如此是因为挂倒档后，主箱的输出齿轮就反转。由于该齿轮内齿有问题，在与副箱输出齿接合后，受力部位正好处在严重磨损的齿面上。在没有负荷的情况下能旋转，一旦带负荷主箱输出齿轮就会跳转（俗称齿打滑），无法把动力传递给副箱的输出轴，导致产生磨齿声，同时引起变速器严重抖动。
Ｑｉｃｈｅｍｅｎｚｈｅｎ
用，在特定的状态下还可能产生溜车现象。
（２）同步时间过长和啮合齿“打齿”。同步时间过长的主要原因是在换档过程中啮合齿间不能够及时发现同步。一是由于同步器总成作用高度过低，进档时由于摩擦锥面间间隙过大，产生的摩擦力矩过小，致使同步作用力不够；二是两摩擦锥面接触面积过小或设计时摩擦锥面锥度差过大，造成啮合时锥面单边磨损严重，同步过程中不能保证同步环与啮合齿锥面很好地实现锁止作用，所以换档时间长。由于挂档时同步器还没有同步，齿套和结合齿仍存在较高的速度差时，齿套与结合齿的外花键产生“打齿”而发响。
２．２ 同步器锥环早期失效
（１）同步器锥环开裂：锥环开裂，在实际使用中时有发生。主要原因有：一是因为锥环基体粉沫件烧结没有达到要求，内部结构疏松，在撞击时产生开裂；二是由于锁止销在铆接过程中，铆压力过大，使得内部产生应力，当正常运转时，不断地换档，使得应力释放引起开裂。（２）同步器锥环烧结：锥环烧结通常由以下几个原因引起：一是由于同步器总成作用高度过大，同步器与相啮合齿锥面间的间隙过小，在正常运转时，锥面间有摩擦力矩，形成常摩擦状态，产生大量的摩擦热而致同步器烧死；二是由于同步器总成作用高度过低，进档时由于摩擦锥面间间隙过大，产生的摩擦力矩过小，致使同步作用力不够，使得锥环与锥盘的摩擦时间过长，产生大量的摩擦热；三是由于同步器与啮合齿两啮合摩擦锥面所产生的摩擦热不能及时带走，聚集着大量的摩擦热，产生的原因有润滑油中有异物进入摩擦锥间，或是变速器使用的润滑油黏度太稠或润滑油的清洁度太差，还有些是人为操作因素，比如长距离熄火空档溜坡，因为同步器锥面间的冷却是依靠轴齿的旋转甩起来的，若熄火滑行，则润滑油无法进入同步器摩擦锥面之间的空隙，形成烧死。２．３ 锁止销断裂
锁止销断裂是锁销式同步器常见故障之一，产生的原因比较复杂，并且对同步器整体寿命起到限制的作用。经过分析，主要存在以下一些原因：一是由于同步器作用力不够，可能是因为同步器总成作用高度过高或者过低，也可能是由于两摩擦锥面间摩擦力不够，摩擦锥面不能够及时同步，加重了锁止销的承受扭力，使得锁止销断裂；二是锁止销自身的制造存在质量问题，常见问题存在于热处理，比如原材料淬火后心部硬度过高，金相组织不合格，销子表面渗碳过深，渗碳时产生应力集中等；三是锁止销铆接时高度不一致，锁止销铆接时与端面不垂直，形成在
换档时作用力不一致或者有斜力矩产生，使得锁止销断裂；四是铆接过程中锁止销是否铆死，锁止销是否铆压力过大形成铆头开裂，使得锁止销与同步环间存在松动或者应力集中，不能够承受实际换档的作用力而断裂。
３ 解决措施
３．１ 改善锥环结构
同步器要实现同步功能，基本都是用锥环摩擦来实现的。锁销式同步器主要适用于重型汽车领域，其承受的摩擦冲击力更大。选用良好的锥环结构与摩擦材料，对于同步器寿命至关重要。锥环结构主要是设计时考虑锥面摩擦副的自锁角度，在不自锁的情况下摩擦力越大，相对同步性能越好。摩擦材料现在主要有整体铜制件、锥环喷钼件和锥面粘贴碳纤维布等。在目前情况下，铜摩擦副已经越来越不能满足大转矩要求；喷钼件虽然能够满足摩擦要求，寿命也可靠，但成本较高；相对来说，碳纤维布比较经济，并且能够满足当今的技术要求，因此已得到不断推广。
３．２ 保证锁止销制造质量
锁止销的质量，是锁销式同步器完好的关键。因此必须做到：一是要选用合适的锁止销材料，一般而言，弹簧钢比较合适；二是要完善热处理工艺，保证锁止销自身的抗剪强度与韧性；三是要保证锁止销自身的加工精度，特别是同步器齿套换档时滑过台阶的表面粗糙度及相连接的圆弧，因为这将直接导致换档的顺滑性及同步器寿命。３．３ 优化铆压装配工艺
铆接对于锁销式同步器来说，是至关重要的一道工艺。一是必须要控制铆压机的铆接压力；二是要控制铆头的旋转中心，也就是铆头与铆压机摆研中心相一致；三是要完善铆压工装，避免铆压过程中铆接件抖动或者锁止销不垂直或者铆压时间隙大小不一，导致锁止销工作位置不一致。
３．４ 保证换档环境
保证换档环境最主要是控制变速器内部所有零件的清洁度，避免变速器润滑油混有杂质；同时要选用合格的润滑油，避免粘度过大，保证同步器换档时锥面充分冷却。
２０１０．５． ＨＥＡＶＹ ＴＲＵＣＫ《重型汽车》
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