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[摘 要]手动变速箱在汽车的行驶时具有重大作用，而手动变速箱中的同步器系统对变速箱的功能具有一定影响，它的好坏直接影响手动变速箱的性能，也对汽车的使用性能具有较大影响。为了提高手动变速箱的性能和汽车的使用性能，我们需要加强对同步器系统的失效模式进行研究，争取从中找到根本原因，为设计和生产提供依据，意在从根本上降低同步器系统失效的几率。文中就针对手动变速箱同步器系统的失效模式进行研究，并且对常见的失效模式进行分析。
[关键词]手动变速箱；同步器系统
中图分类号：TP106 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）29-0207-02
为了可以更好的研究手动变速箱同步器系统的失效模式，我们对变速箱同步器的工作原理进行分析，并总结引起变速箱箱同步器系统失效的常见问题，通过研究发现最主要的换档次数对同步器的影响，换档次数增加的同时，摩擦因数会随着换档次数增多而降低，同时同步器椎体的加速度也随之减少，致使同步过程放慢，同步的时间延长，最后导致同步器失效。文中就对变速箱同步器的换档操作进行实际验证，并对同步器失效模式的产生做进一步研究。
一、同步器工作原理
同步器按工作过程不同可以分为同步过程和锁止过程。汽车锁环式惯性同步器换档过程大致分为3个阶段。第一阶段，结合套在轴向换档力的作用下向左移动，结合套的锁止角与锁环锁止角相互抵触。第二阶段，结合套在轴向换档力的作用下继续向左移动，结合齿圈锥面与锁环锥面相互压紧，直到锁环与结合套二者速度相同，这样结合套与锁环进入结合。第三阶段，结合套继续向左移动，结合套花键齿与结合齿圈花键齿的锁止角相互抵触，最终结合套与结合齿圈进入啮合，整个换档过程结束。
二、同步器的换档研究及判定同步器失效的依据
1、同步器的换档过程
换档操作就是同步器内部零件相互作用的过程，同步器的内部构成包括齿轮结及接合齿环（图1、1所示）、同步器齿环（图1、2所示）、同步器滑块（图1、3所示）、同步器齿毂（图1、4所示）和同步器齿套（图1、5所示）。换档操作的好坏由同步器的内部零件间相互作用的程度而决定，换档操作的1-2档主要是由同步器外环、中间环及同步器内环构成；而3-4档主要由同步器外环
和内环构成。通常换档过程可以细分为退档、空档、空档准备、预同步、同步、同步完成、锁止释放、与结合齿接触和完全结合九个阶段，这也体现了换档操作的全过程。
2、判定同步器失效的依据
参照美国ASTMD5579-01《手动变速箱油热安定性循环耐久性试验方法》和我国的QC/T568-1999《机械式变速器台架试验方法》，规定中明确指出在手动变速箱同步器系统出现两次连续无法同步换档现象时，就表示同步器处于失效状态。
三、同步器失效模式分析
1、同步器失效过程分析
同步器锥体转速与换档时间关系。通过对存在失效现象的同步器的换档操作次数的几个阶段同步器椎体转速和换档所用时间来绘制关系曲线可以看出，进行换档时同步器锥体的转速变化形成三個阶段：同步前期阶段、同步中期阶段、同步后期阶段。在同步后期，主轴电机无法以最快的速度稳定转速，因此，会使同步器锥体转速形成波动，再此期间，同步已经完成不会影响整个过程。同时还可以通过绘制的曲线发现，在换档次数增加时，曲线会产生倾斜，这就意味着同步器锥体加速度在持续降低，致使同步的过程缓慢，影响整个变速箱系统的性能。在同步过程中，同步器锥体的转速与同步环的转速出现偏差，致使打齿现象出现。
结合套位移与换档时间关系。通过采集换档过程中每一次换档时结合套位移和时间来绘制曲线图（如图2所示）时发现换档过程中结合套的位移可分为五个阶，分别是准备阶段、进档阶段、同步阶段、挂档阶段和完成阶段。同步阶段是指同步环和锥体的共同作用下使转速达成一致的过程；挂档阶段由结合套齿和锥体齿相同作用下引起结合套位置的波动。观察绘制的曲线图可以看出，随着换档时间的变化，曲线图会发生明显倾斜，并且倾斜率在持续增大，这就意味着在同步环和锥体同步较慢时，结合套的位置会发生明显变化。在结合套和同步环的键齿进行接触时，同步环和锥体的转速没有达到一致，就会出现打齿现象，致使同步器失效。
摩擦力矩与换档时间的关系。手动变速箱同步器的工作原理是通过摩擦来实现同步操作，因此，我们对每一次换档时的摩擦力矩和换档时间之间的关系进行曲线图绘制可以看出，摩擦力矩也可以分成三个阶段，同步前期阶段、同步中期阶段、同步后期阶段。在换档操作中同步环和锥体间存在的转速差指的就是摩擦力矩。通过对绘制的曲线可以看出，摩擦力矩会随着换档次数的累积而降低，而整个过程的时间也会持续增长。在动摩擦力矩达到一定数值时，会对同步环和锥体的同步造成影响，致使出现打齿现象，引起同步器失效。
2、同步器失效机理分析
针对同步器的失效过程进行分析之后，可以得出同步阶段同步器锥体的加速度会随着换档次数的累积而降低，致使结合套的移动时间延长，形成这些现象的主要原因是同步环和锥体间作用而产生的摩擦力矩持续减少，引发同步器系统的失效模式。
为了更加直观的研究摩擦因数对摩擦力矩的影响，我们在相同的结构下采集换档时的摩擦力矩和摩擦因数，并且通过获取的摩擦因数和摩擦力矩进行曲线图绘制（如图3所示），对曲线的走势观察可以看出，摩擦因数从初期的0.10呈持续下降趋势，直至失效的0.045因数产生，这一变化工程可以分为加剧期、平缓期和二次加剧期三个阶段。
摩擦因数可以为润滑油状态分析提供依据，当摩擦因数处于0.045～0.100时，也就表示变速箱同步器的同步环和锥体之间的润滑状态处于边缘状态。依据相关润滑油理论，可得到边界润滑的摩擦因数BL计算公式如下所示：
BL=αWS+（1-αW）L
式中αW为固体接触面积在真实接触面积中所占的百分数，S为固体摩擦因数，L为油膜摩擦因数。
表面固体接触面积在实际接触面积中所占的百分比就是摩擦因数的产生。由于同步器在运行过程中会对摩擦表面的平整度造成影响，致使摩擦因数发生相应变化。
一次加剧期。该时期由于摩擦锥面上具有较大的表面粗糙度，此时同步器摩擦副之间的摩擦因数主要由微凸体的直接接触产生，油膜所占摩擦因数的比例较小，导致起始时有较大的摩擦因数。随着换档次数的增加，粗糙峰之间较大的接触应力使得微凸体很容易被磨平，承载面积的增大使得油膜相对难以破裂，导致固体接触面积在真实接触面积中所占比例不断减少，而油膜所占摩擦因数的比例迅速上升，因此在该时期摩擦因数呈急剧下降的趋势。
平缓期。该时期由于摩擦副的微凸体经历磨合后表面变得相对平整，摩擦表面间的承载面积增大，此时微凸体之间的接触应力减小，同时减小的接触应力使接触区域产生的局部温度降低，两者的共同作用导致油膜相对较难破裂。经历磨合期后摩擦副的磨损趋于平缓，磨损剧烈程度有所降低，导致在该时期由微凸体引起的摩擦因数所占比例逐渐减小而由油膜引起的摩擦因数所占比例逐渐增加。
二次加剧期。该时期摩擦副表面的微凸体几乎被磨平，表面变得更为光滑，摩擦副的承载面积更大，使得接觸应力和接触区域温度进一步降低而导致油膜很难破裂，同步器摩擦副表面之间形成了一层较厚的油膜。此时摩擦因数主要由油膜的摩擦产生，而由微凸体摩擦产生的摩擦因数所占比例急剧减少，引起了摩擦因数的再次剧烈下降。
结语：通过对手动变速箱同步器的运行原理进行研究，同时对变速箱同步器的各个运行阶段的相关数据进行分析，为了更直观的展现我们参照各阶段的相关数据进行曲线图绘制。通过观察发现导致同步器失效的主要原因是同步器中的同步环和锥体间的摩擦因数会收到换档操作次数的影响，换档次数增加时，摩擦因数下降，最终形成同步器失效模式。本文就存在的失效现象的同步器的相关数据进行分析，来达到的手动变速箱同步器系统失效模式的研究目的。
参考文献
[1] 张静，廉星慧.前置前驱手动变速箱同步器系统的失效模式[J].汽车工程师，2013（10）：60-62.
[关键词]手动变速箱；同步器系统
中图分类号：TP106 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）29-0207-02
为了可以更好的研究手动变速箱同步器系统的失效模式，我们对变速箱同步器的工作原理进行分析，并总结引起变速箱箱同步器系统失效的常见问题，通过研究发现最主要的换档次数对同步器的影响，换档次数增加的同时，摩擦因数会随着换档次数增多而降低，同时同步器椎体的加速度也随之减少，致使同步过程放慢，同步的时间延长，最后导致同步器失效。文中就对变速箱同步器的换档操作进行实际验证，并对同步器失效模式的产生做进一步研究。
一、同步器工作原理
同步器按工作过程不同可以分为同步过程和锁止过程。汽车锁环式惯性同步器换档过程大致分为3个阶段。第一阶段，结合套在轴向换档力的作用下向左移动，结合套的锁止角与锁环锁止角相互抵触。第二阶段，结合套在轴向换档力的作用下继续向左移动，结合齿圈锥面与锁环锥面相互压紧，直到锁环与结合套二者速度相同，这样结合套与锁环进入结合。第三阶段，结合套继续向左移动，结合套花键齿与结合齿圈花键齿的锁止角相互抵触，最终结合套与结合齿圈进入啮合，整个换档过程结束。
二、同步器的换档研究及判定同步器失效的依据
1、同步器的换档过程
换档操作就是同步器内部零件相互作用的过程，同步器的内部构成包括齿轮结及接合齿环（图1、1所示）、同步器齿环（图1、2所示）、同步器滑块（图1、3所示）、同步器齿毂（图1、4所示）和同步器齿套（图1、5所示）。换档操作的好坏由同步器的内部零件间相互作用的程度而决定，换档操作的1-2档主要是由同步器外环、中间环及同步器内环构成；而3-4档主要由同步器外环
和内环构成。通常换档过程可以细分为退档、空档、空档准备、预同步、同步、同步完成、锁止释放、与结合齿接触和完全结合九个阶段，这也体现了换档操作的全过程。
2、判定同步器失效的依据
参照美国ASTMD5579-01《手动变速箱油热安定性循环耐久性试验方法》和我国的QC/T568-1999《机械式变速器台架试验方法》，规定中明确指出在手动变速箱同步器系统出现两次连续无法同步换档现象时，就表示同步器处于失效状态。
三、同步器失效模式分析
1、同步器失效过程分析
同步器锥体转速与换档时间关系。通过对存在失效现象的同步器的换档操作次数的几个阶段同步器椎体转速和换档所用时间来绘制关系曲线可以看出，进行换档时同步器锥体的转速变化形成三個阶段：同步前期阶段、同步中期阶段、同步后期阶段。在同步后期，主轴电机无法以最快的速度稳定转速，因此，会使同步器锥体转速形成波动，再此期间，同步已经完成不会影响整个过程。同时还可以通过绘制的曲线发现，在换档次数增加时，曲线会产生倾斜，这就意味着同步器锥体加速度在持续降低，致使同步的过程缓慢，影响整个变速箱系统的性能。在同步过程中，同步器锥体的转速与同步环的转速出现偏差，致使打齿现象出现。
结合套位移与换档时间关系。通过采集换档过程中每一次换档时结合套位移和时间来绘制曲线图（如图2所示）时发现换档过程中结合套的位移可分为五个阶，分别是准备阶段、进档阶段、同步阶段、挂档阶段和完成阶段。同步阶段是指同步环和锥体的共同作用下使转速达成一致的过程；挂档阶段由结合套齿和锥体齿相同作用下引起结合套位置的波动。观察绘制的曲线图可以看出，随着换档时间的变化，曲线图会发生明显倾斜，并且倾斜率在持续增大，这就意味着在同步环和锥体同步较慢时，结合套的位置会发生明显变化。在结合套和同步环的键齿进行接触时，同步环和锥体的转速没有达到一致，就会出现打齿现象，致使同步器失效。
摩擦力矩与换档时间的关系。手动变速箱同步器的工作原理是通过摩擦来实现同步操作，因此，我们对每一次换档时的摩擦力矩和换档时间之间的关系进行曲线图绘制可以看出，摩擦力矩也可以分成三个阶段，同步前期阶段、同步中期阶段、同步后期阶段。在换档操作中同步环和锥体间存在的转速差指的就是摩擦力矩。通过对绘制的曲线可以看出，摩擦力矩会随着换档次数的累积而降低，而整个过程的时间也会持续增长。在动摩擦力矩达到一定数值时，会对同步环和锥体的同步造成影响，致使出现打齿现象，引起同步器失效。
2、同步器失效机理分析
针对同步器的失效过程进行分析之后，可以得出同步阶段同步器锥体的加速度会随着换档次数的累积而降低，致使结合套的移动时间延长，形成这些现象的主要原因是同步环和锥体间作用而产生的摩擦力矩持续减少，引发同步器系统的失效模式。
为了更加直观的研究摩擦因数对摩擦力矩的影响，我们在相同的结构下采集换档时的摩擦力矩和摩擦因数，并且通过获取的摩擦因数和摩擦力矩进行曲线图绘制（如图3所示），对曲线的走势观察可以看出，摩擦因数从初期的0.10呈持续下降趋势，直至失效的0.045因数产生，这一变化工程可以分为加剧期、平缓期和二次加剧期三个阶段。
摩擦因数可以为润滑油状态分析提供依据，当摩擦因数处于0.045～0.100时，也就表示变速箱同步器的同步环和锥体之间的润滑状态处于边缘状态。依据相关润滑油理论，可得到边界润滑的摩擦因数BL计算公式如下所示：
BL=αWS+（1-αW）L
式中αW为固体接触面积在真实接触面积中所占的百分数，S为固体摩擦因数，L为油膜摩擦因数。
表面固体接触面积在实际接触面积中所占的百分比就是摩擦因数的产生。由于同步器在运行过程中会对摩擦表面的平整度造成影响，致使摩擦因数发生相应变化。
一次加剧期。该时期由于摩擦锥面上具有较大的表面粗糙度，此时同步器摩擦副之间的摩擦因数主要由微凸体的直接接触产生，油膜所占摩擦因数的比例较小，导致起始时有较大的摩擦因数。随着换档次数的增加，粗糙峰之间较大的接触应力使得微凸体很容易被磨平，承载面积的增大使得油膜相对难以破裂，导致固体接触面积在真实接触面积中所占比例不断减少，而油膜所占摩擦因数的比例迅速上升，因此在该时期摩擦因数呈急剧下降的趋势。
平缓期。该时期由于摩擦副的微凸体经历磨合后表面变得相对平整，摩擦表面间的承载面积增大，此时微凸体之间的接触应力减小，同时减小的接触应力使接触区域产生的局部温度降低，两者的共同作用导致油膜相对较难破裂。经历磨合期后摩擦副的磨损趋于平缓，磨损剧烈程度有所降低，导致在该时期由微凸体引起的摩擦因数所占比例逐渐减小而由油膜引起的摩擦因数所占比例逐渐增加。
二次加剧期。该时期摩擦副表面的微凸体几乎被磨平，表面变得更为光滑，摩擦副的承载面积更大，使得接觸应力和接触区域温度进一步降低而导致油膜很难破裂，同步器摩擦副表面之间形成了一层较厚的油膜。此时摩擦因数主要由油膜的摩擦产生，而由微凸体摩擦产生的摩擦因数所占比例急剧减少，引起了摩擦因数的再次剧烈下降。
结语：通过对手动变速箱同步器的运行原理进行研究，同时对变速箱同步器的各个运行阶段的相关数据进行分析，为了更直观的展现我们参照各阶段的相关数据进行曲线图绘制。通过观察发现导致同步器失效的主要原因是同步器中的同步环和锥体间的摩擦因数会收到换档操作次数的影响，换档次数增加时，摩擦因数下降，最终形成同步器失效模式。本文就存在的失效现象的同步器的相关数据进行分析，来达到的手动变速箱同步器系统失效模式的研究目的。
参考文献
[1] 张静，廉星慧.前置前驱手动变速箱同步器系统的失效模式[J].汽车工程师，2013（10）：60-62.