在經濟技術高速發展的時代，卡車承擔著重要的角色，廣泛地出現在運輸行業、礦業等工作場景中，但是對于作用于惡劣工況下的卡車來說，變速箱故障率高、磨損率高是急需解決的問題。而高低擋同步器作為變速箱中關鍵零部件，其可靠度直接影響到變速箱壽命，并且會影響到卡車的經濟性與動力性，因此需要對傳統高低擋同步器進行改進，達到提升變速箱性能、延長變速箱壽命的目的。
一、高低擋同步器作用過程與受力分析
高低擋同步器是卡車進行換擋操作的關鍵部件，不僅能夠使換擋操作更加輕便，而且能夠提升汽車的動力性以及舒適性，在一定程度上還能提高駕駛安全性。但是隨著換擋次數地增加，同步器的同步性能會降低。
對目前上市的某卡車變速箱高低擋同步器作用過程進行分析，主要分為偏轉、鎖止、同步和掛擋四個階段，具體的作用過程如下。
1)偏轉：在初始換擋力與推塊彈簧的彈力作用下，同步器滑套在撥塊槽帶動下將同步環擠壓到同步器錐轂。由于受到轉速不同以及換擋力大小的影響，兩者接觸瞬間會產生瞬時摩擦，產生的力矩使同步環產生角度偏移，并與同步器滑套之間進行相對轉動。
2)鎖止：換擋力繼續增大，同步器滑套克服推塊彈力，直到齒端鎖止角斜面與同步環齒端鎖止角斜面緊密貼合。
3)同步：由于換擋力及錐面摩擦力的作用，同步器滑套角速度逐漸發生變化，直到與低擋錐轂或者高擋錐轂的角速度相同，此時進行同步運轉。
4)掛擋：同步環在掛擋力與摩擦力的共同作用下產生角度偏移，導致其與同步器滑套緊貼的鎖止斜面脫離，同步器滑套通過同步環與結合齒嚙合，完成掛擋操作。
根據高低擋同步器的作用過程繪制同步器受力分析圖，如圖 1 所示。同步環在換擋力 F 的推動下與同步錐轂接觸，產生的接觸壓力 Fn=F/sin b，產生的摩擦力矩 Mf=Fnud1(u 為摩擦系數)。
二、同步器理論計算與改進設計
根據同步器作用過程與受力分析對同步器換擋力、摩擦力矩、相對轉動慣量以及換擋時間進行計算分析，得到理論值，具體過程如下。
1)高低檔同步器換擋力計算。首先計算低擋換高檔時的換擋力，活塞作用面積為 0.004 47 m2 ，實際作用壓強 0.7 MPa，可得活塞壓力為 3 169.6 N，根據條件換算得到換擋力為 3 250 N。同理，計算高擋換低擋時活塞作用面積為 0.004 96 m2 ，實際作用壓強 0.7 MPa， 換擋力為 3 608 N。
2)高低檔同步器摩擦力矩計算。確定換擋力后，根據情況設定摩擦錐面半錐角、平均半徑以及摩擦系數等值，按照同步器工作原理計算得，低擋換高擋時摩擦力矩為 213.8 N·m，高擋換低擋時的摩擦力矩為 237.3 N·m。
3)高低擋同步零件轉動慣量計算。假設輸入軸轉速恒定為 2 000 r/min，將行星齒輪與太陽輪的轉動慣量折算到內齒圈中進行計算，得到轉動慣量 0.70 kg/m2 。
4)換擋時間計算。根據公式：t=3.14nJ/T，其中，t 為時間，n 為轉速差，J 為內齒圈當量轉動慣量，T 為摩擦力矩。計算換擋時間，當從低擋換高擋時，換擋時間為 0.16 s，高擋換低擋時，換擋時間為 0.19 s。
為了能夠有針對性地對高低擋同步器進行優化升級，采集了某卡車變速箱高低擋同步器售后服務數據，經過歸納分析，高低擋同步器的失效方式具體有如下四種，滑套齒端打齒、高低擋掉擋、高低擋錐轂打齒以及摩擦錐面失效。
根據對同步器失效方式與作用過程、受力狀況的分析，對同步器提出以下四點改進方案，并對制定好的改進措施加以實施。
1)將雙側斜面鎖止齒修改為單側斜面，增大斜面接觸面積，降低鎖止失效率：由于同步器為單向工作，鎖止齒只有一側起作用，因此將同步環齒面改為單側鎖齒面，增大接觸面積，如圖 2 所示。
2)增加結合齒模數，提高結合齒抗沖擊力能力，將結合齒模數從 3.0 提升到 3.5，齒數從 63 減小到 54，在保持同步器內外徑尺寸相同的情況下，達到提高結合齒強度的作用。
3)在同步錐轂錐面增加孔位，加快同步器破壞油膜速度，在同步器錐轂油槽垂直鉆一組 1.5 mm 的通孔，增加放油量。
4)增加同步錐轂與同步環錐面高度，增大摩擦錐面的面積，減小摩擦壓強，從而降低磨損速度，增大同步齒套和同步錐轂結合長度，減小同步器掉檔產生結合齒失效的概率。根據表 1 對錐轂結合齒寬度、同步器寬度、錐面寬度以及摩擦半徑等參數進行修改。
修改前后的高低擋同步器尺寸對比如圖 3 所示，修改后的齒嚙合長度為 3.8 mm，相比修改之前的 2.3 mm，提升了 65%。
三、高低擋同步器換擋性能與壽命試驗
使用同步器換擋試驗臺對高低擋同步器性能與耐久度進行驗證。設置換擋氣壓條件為 0.8 MPa，試驗潤滑油使用 85 W/90，經過 300 次磨合后開始記錄試驗結果，連續記錄并繪制 10 次換擋曲線，如圖 4 所示。其中 L 為位移，f 為換擋力，LSel 為選擇線， p 為換擋氣壓。
根據高低擋同步器的換擋曲線計算對應的平均值，按照上述理論計算方法對同步器改進前后的換擋力、換擋時間進行計算與對比，整理得到表 2。通過與理論數據進行對比可知，改進后的同步器換擋力增加，換擋時間與同步時間都減小，其結果相比于改進前的同步器更接近于理論值。
QC/T 29063.4—2010 標準中對同步器的壽命試驗要求是需要達到 10 萬次掛擋且不失效。將高低擋同步器置于同步器試驗臺，設置換擋氣壓條件為 0.8 MPa，換擋頻率為 10 次 /min，潤滑油采用 85 W/90。10萬次掛擋試驗后，同步器無異響，且不失效;檢查同步器高低擋錐面、同步環等零部件的損壞情況，均為正常磨損，如圖 5 所示，因此認為改進后的高低檔同步器性能較好。
四、結語
對于在惡劣工況下工作的卡車，高低擋同步器的性能一定程度上影響駕駛的穩定性與安全性，而且其失效方式多樣，失效率也較高，因此需要對高低擋同步器進行改進。對同步器的作用過程及受力情況進行分析，通過理論計算確定了同步器改進的換擋力、換擋時間等關鍵參數值，提出了加寬同步器、增加結合齒強度等四點改進方案，完成了改進后同步器的性能試驗，可知改進后的高低擋同步器與理論計算更接近，完成了同步器的壽命試驗，改進后的高低擋同步器能夠達到 10 萬次換擋且不失效。
參考文獻略.