第三节
同步器与换档机构

一、同步器的换档方式

变速器换档方式有三种：直齿滑动齿轮式换档、接合套式换档和同步器式换档。

1.直齿滑动齿轮式换档装置

移动齿轮直接换档机构的齿轮一般为直齿，内孔为花键孔，套在花键轴上，由拨叉移动齿轮与另一轴上的齿轮进入啮合或退出啮合。这种换档机构结构最简单，除齿轮之外不需要其他零件。但由于一对即将啮合的齿轮齿上的圆周速度不相等，使其强行进行啮合时，在轮齿齿端必然产生较大的冲击，易于磨损，并易产生噪声，严重时会将使齿端损坏，所以在变速器中一般很少用。

2.接合套式换档装置

接合套换档，是利用移动套在花键毂上（固定在轴上）的接合套（内齿环）与传动齿轮上的接合套齿圈（外齿）相啮合或退出来进换档。由于接合套与对应接合齿圈的圆周速度（或角速度）不相同，二者强行进入啮合时，在齿端会产生冲击力，但由于接合套与接合齿圈整个圆周上所有的齿都同时进入啮合，故分摊到每对齿的齿端上的冲击力就较小，不像移动齿轮换档时，全部冲击力仅由一两个齿来承受。接合套换档装置与移动齿轮式相比有较大改进，但是仍不能避免换档冲击。这种换档方式常用于某些变速器1档或倒档。

3.同步器式换档

同步器的基本工作原理是：换档时，在接合套与接合齿圈换的角速度不一致（不同步）时，二者不能进入啮合，只有二者角速度达到相等（同步）时才能进入啮合。同步器有常压式、惯性式、自行增力式等类型。目前应用最广泛的是惯性式同步器。根据惯性式同步器中所采用锁止机构的不同，可分为锁环式惯性同步器和锁销式惯性同步器两种。

二、同步器的构造及工作原理

同步器的功用是使接合套与待接合的齿圈二者之间迅速达到同步，并阻止二者在同步前进入啮合；消除换档时的冲击，缩短换档时间；简化换档过程，使换档操作简捷而轻便。同步器有惯性式、常压式、自增力式等多种类型，它们均是由同步装置（包括推动件和摩擦件）、锁止装置和接合装置三部分组成。常压式同步器结构虽然简单，但有不能保证啮合件在同步状态下（即角速度相等）换档的缺点，现已不用。现在广泛应用的是惯性式同步器。

1.锁环式惯性同步器

汽车变速器所采用的锁环式惯性同步器有多种结构形式，但其构造和工作原理基本相同。现以大众变速器汽车5速变速器中的3、4档同步器为例说明其构造和工作原理。

（1）构造 锁环式惯性同步器主要由同步器花键毂、接合套、两个锁环（也称同步环）、3个滑块和滑块弹簧等组成。同步器在第一轴上的装配关系如图3-20所示。

同步器花键毂用内花键固定于其轴上，接合套与同步器花键毂的外花键相连，并可轴向滑动。花键毂上有3个均布的轴向槽，每个键槽内有一个滑块，滑块中央有凸出部分，滑块总是由环形弹簧推压在接合套上。当齿轮变速杆位于空档时，每一滑块的凸出部分都固定在接合套凹槽里面。换档时，滑块可以随接合套在花键毂的轴向槽内轴向移动。锁环位于花键毂的两端，并置于接合套和接合齿圈之间。锁环具有内锥面，与接合齿圈的外锥面锥角相同。锁环内锥面上车有细密的螺纹槽，该螺纹槽在两锥面接触后破坏锥面间的油膜，增加摩擦。锁环外圆上制有短花键齿，与接合套花键齿、接合齿圈、花键毂外花键齿均相同。接合齿圈及锁环上的花键齿，在对着接合套的一端都制有与接合套内花键齿端相同的倒角，称为锁止角。锁环上有3个缺口，以嵌入滑块，但滑块的宽度小于缺口的宽度，两者之差略大于锁环上的花键齿宽。

（2）工作原理 现以大众变速器由3档换入4档的过程为例说明锁环式惯性同步器的工作原理。

1）空档位置：接合套刚从3档退到空档时，锁环是轴向自由的，故其内锥面并不接触。在圆周方向上，接合套通过滑块靠在锁环缺口的一侧，推动锁环一起旋转。此时，接合套l、锁环2随同输入轴旋转，其转速分别为 n ₁ 、 n ₂ 。接合齿圈3则随同输出轴旋转，其转速为 n ₃ 。显然此时n ₁ = n ₂ ， n ₃ ＞ n ₁ ，故 n ₃ ＞ n ₂ 。

2）第一阶段：变速杆行程开始（开始同步），如图3-21a所示。要挂入4档时，操纵变速杆沿图3-21a中箭头A所示方向推动接合套。由于接合套与同步器滑块通过滑块中心的凸起部分相啮合，将接合套的运动传给滑块。当滑块右端面与锁环3的缺口的端面接触后，便同时推动锁环，使其压在齿轮锥形部分上（同步器锥面），以起动同步器运作。由于齿圈3与锁环2转速不相等，即 n ₃ ＞ n ₃ ，所以两者一经接触便在其锥面之间产生摩擦力矩 M ₁ 。齿圈3便通过摩擦力矩 M ₁ 的作用带动锁环2相对于接合套1超前转过一个角度，直到锁环缺口的一侧（图3-21a中的下侧）压紧。移动的量等于缺口与滑块宽之差。所以，从上往下看时，接合套里的花键与同步器锁环上的花键并未处于互相啮合的位置。

由于接合套与齿圈间的速度差异，以及锁环与齿圈锥形部分（同步器锥面）之间的摩擦力，锁环沿齿轮旋转方向运动。

3）第二阶段：继续推变速杆（同步继续及锁止过程），如图3-21b所示。当变速杆继续移动时，使得相对峙的接合套齿端倒角与锁环齿端倒角恰好互相抵住（由设计保证），因而接合套不能再向右移动进入啮合，即被“锁止”。由于驾驶人始终给接合套一个轴向推力，于是在相互抵触的倒角斜面上产生正压力 F _N 。 F _N 可分解为轴向力 F ₁ 和切向分力 F ₂ 。 F ₂ 便形成一个力图拨动锁环相对于接合套向后倒转的拨环力矩 M ₂ 。同时 F ₁ 使锁环2与齿圈3的锥面进一步压紧，产生更大的摩擦力矩 M ₁ ，迫使待啮合的齿圈3相对于锁环2迅速减速，以尽早与锁环同步。由于齿圈3及与其相联系的第一轴零件的减速旋转，便产生一个与其旋转方向相同的惯性力矩，作用到锁环上，阻止锁环相对于接合套向后倒转。在待接合齿圈3与锁环2未达到同步之前，摩擦锥面的摩擦力矩在数值上就等于此惯力矩（ M ₁ ）。如果 M ₁ ＞ M ₂ ，则锁环不能够倒转，并通过锁环齿端锁止角阻止接合套进入啮合，这就是锁环的锁止作用。由于锁环的锁止作用是依靠待啮合的齿圈及与其相联系的零件的惯性力矩而形成的，因此称为惯性式同步器。

a）同步开始 b）同步继续 c）同步完成

拨环力矩 M ₂ 的大小取决于锁环及接合套齿端倒角（即锁止角）的大小，而惯性力矩 M ₁ 的大小则取决于摩擦锥面的圆锥角大小。在同步器设计时，适当地选择齿端倒角和摩擦锥面圆锥角，便能保证在达到同步之前始终保持 M ₁ ＞ M ₂ 。不论驾驶人施加的轴向力 F ₁ 有多大，锁环都能够有效地阻止接合套进入啮合，从而使同步器起到锁止作用，防止变速器在同步前挂档。

4）第三阶段：继续推下变速杆（同步完成），如图3-21c所示。随着驾驶人继续对接合套施加推力，摩擦锥面之间的摩擦力矩就会使齿圈3的转速迅速降低，直至齿圈3与接合套和锁环同步，赖以产生阻止作用的惯性力矩也就消失。此时驾驶人还在继续向前拨动接合套，故拨环力矩 M ₂ 仍存在。 M ₂ 使锁环及接合齿相对接合套向后退转一个角度，两锁止角不再接触，接合套得以继续右移与待啮合的4档接合齿圈进入啮合。但是，如果此时接合套的花键齿恰好与齿圈的花键齿发生抵触，则作用于接合套上的轴向力在齿圈的倒角面上也将会产生一个切向分力，靠此切向分力便可拨动齿圈及与其相联系的零件相对于接合套转过一个角度，从而使接合套与齿圈进入啮合，即最终完成换入4档的过程。锁环式惯性同步器多用于轿车和轻型货车。近年来也用于中型货车变速器的中、高档位。

同步器锁环是汽车变速器的关键零部件，新型双锥面同步器锁环在传统单锥锁环的基础上进行了重大改进和创新。新型双锥面同步器锁环采用了新的结构形式，由同步内环和同步外环组成，为嵌套式结构，性能大大超过单锥齿环。新型双锥面同步器锁环增加了摩擦元件，使摩擦面数目增加一倍，从而增大了摩擦力矩，与单锥同步器锁环相比，具有转矩容量大、热负荷低、输出功率大等优点。采用双锥面同步器齿环不仅能够实现快速无撞击的换档，减小换档力，而且还能够大大减轻驾驶人的劳动强度，使换档更容易。能显著提高汽车行驶的安全性、乘坐舒适性和操纵舒适性，提高同步器的耐久性、可靠性和换档轻便性，减少换档时间，有效提高齿轮及传动系统的平均使用寿命。

图3-22所示为大众手动变速器中1、2档同步器采用的三锥面同步器。齿轮的双同步装置主要由内、外同步环和圆锥环组成。在三锥面同步器中圆锥环的摩擦面积约增加两倍，从而使同步性能提高了50%，并使需要的换档力大约减小了一半，从而改善了操纵舒适性。如3档减为2档，2档减为1档时即是如此。

2.锁销式惯性同步器

目前中型及大型载货汽车较普遍地采用了锁销式同步器。下面以汽车变速器的4、5档同步器为例，来说明锁销式惯性同步器的基本结构和工作原理。

（1）锁销式惯性同步器的基本结构 图3-23所示为东风EQ1090E汽车变速器中的4、5档同步器。两个有内锥面的摩擦锥盘2分别固定在带有外花键齿圈的常啮合主动齿轮1和4档从动齿轮6上。与之相配合的两个有外锥面的摩擦锥环3，通过三个锁销8和三个定位销4与接合套5连接。锁销8的两端固定在摩擦锥环3的孔中，其两端的工作表面直径与接合套凸缘上相应的销孔的内径相等，其中部直径则小于孔径。只有在锁销与接合套孔对中时，接合套方能沿锁销轴向移动。锁销8中部和接合套5上相应的销孔两端有角度相同的倒角——锁止角。在接合套定位销孔中部钻有斜孔（图上的左上图，即A—A剖面），内装弹簧11，把钢球10顶向定位销中部的环槽，以保证同步器处于正确的空档位置。定位销4两端伸入锥环内侧面，但有间隙，故定位销可随接合套5轴向移动。

（2）工作原理 锁销式惯性同步器的工作原理与锁环式惯性同步器基本相同，其换档过程也相似。换档时，接合套5受到拨叉轴向推力的作用，通过钢球10和定位销4带动摩擦锥环3向左（或向右）移动，使之与对应的摩擦锥盘接触。具有转速差的摩擦锥环与摩擦锥盘一经接触，靠接触面的摩擦使锥环连同锁销一起相对接合套转过一个角度，因而锁销8的轴线相对接合套上销孔的轴线产生偏移，于是锁销中部倒角与销孔端的倒角互相抵触，以阻止接合套继续前移。此时锁止面上的法向压紧力N的轴向分力 F ₁ 作用在锥环上并使之与锥盘压紧，因而接合套与待接合的花键齿圈迅速达到同步。只有达到同步时，起锁止作用的齿轮1的惯性力矩消失，作用在锁销上的切向分力 F ₂ 才能通过锁销使摩擦锥环3、摩擦锥盘2和齿轮一同相对于接合套转过一个角度，使锁销重新与销孔对中，于是接合套便能轻易地克服钢球10的阻力而沿锁销移动，直至与齿轮1或齿轮6的花键齿圈接合，实现挂档。

锁销式惯性同步器由于其摩擦锥面的摩擦半径大，摩擦力矩也就大，因而其同步容量大，故在中型以上的货车或其他类型的汽车上广泛采用这种同步器。

1—第一轴齿轮 2—摩擦锥盘 3—摩擦锥环 4—定位销 5—接合套 6—第二轴4档齿轮 7—第二轴 8—锁销 9—花键毂 10—钢球 11—弹簧

三、变速器操纵机构与锁止机构

1.功用与要求

为了保证在任何情况下变速器都能准确、安全、可靠地工作，对变速器操纵机构提出以下要求：

1）应设自锁装置，防止变速器自动脱档，并保证轮齿以全齿宽啮合。

2）应设互锁装置，防止变速器同进挂入两个档位，以免造成发动机熄火或零部件损坏。

3）应设倒档锁，防止误挂倒档，否则会发生安全事故。

2.操纵机构

根据变速操纵杆（简称变速杆）与变速器的相互位置不同，变速器操纵机构可分为直接操纵式和远距离操纵式两种类型。

（1）远距离操纵式 在有些汽车上，由于变速器离驾驶人座位较远，故需要在变速杆与拨叉之间加装一些辅助杠杆或一套传动机构，构成远距离操纵。这种操纵机构也称为间接操纵式变速器操纵机构，其结构如图3-24所示。该机构应有足够的刚性，且各连接件间隙不能过大，否则换档时手感不明显。由于布置上的原因，它多用于轿车和轻型汽车上。

（2）直接操纵式 汽车的变速器布置在驾驶人座位附近，变速杆由驾驶室底板伸出，驾驶人可直接操纵的操纵机构为直接操纵式操纵机构。这种机构一般由变速杆、拨块、拨叉、拨叉轴以及安全装置等组成，多集装于变速器上盖或侧盖内。CA1092型汽车6速直接操纵式变速器操纵机构示意图如图3-25所示。

箭头A—换档运动 箭头B—选档 1—连接杆 2—推杆 3—换档拨叉轴 4—变速器换档连杆

3.换档拨叉机构

换档拨叉机构主要由变速杆、叉形拨杆、换档轴、各档拨块、拨叉轴及拨叉等组成，各种变速器由于档位及档位排列位置不同，其拨叉和拨叉轴的数量及排列位置也不相同。

大众捷达、宝来型轿车变速器的操纵机构由外操纵机构和内操纵机构组成。外操纵机构主要由变速杆、选档机构壳体、横向（选档）拉索、纵向（挂档）拉索等组成，如图3-26所示。变速杆通过一系列中间连接杆件操纵变速器的内操纵机构，以进行选档、换档。变速杆以球形轴承为支点，可以直接左右、前后摆动。

拉索操纵装置隔离了传动系统的振动，拉索连接着变速杆和变速器，将变速杆的动作传递给变速器（换档轴）。

内操纵机构组成如图3-27所示。内操纵机构主要由换档机构盖的换档轴，内部换档模块，倒档锁止装置，所有凸轮块、弹簧和换档机构的导向元件以及调整换档机构的角杆组成。内部换档模块包括换档拨叉、换档盘和轴承。变速杆通过一系列中间连接杆件操纵变速器的内操纵机构，以进行选档、换档。

选档动作如图3-28所示，变速杆的选档动作（左—右）通过变速杆转换为选档拉索的前后动作。变速杆安装在支承轴的旋转轴承上。选档拉索的前后动作通过变速器的外部换档机构的继动杆转化为换档轴的上下移动。在变速器内，这个上下动作使换档轴上的换档指与相应档位的换档盘凸轮槽啮合，从而选定档位。

换档动作如图3-29所示，档位选定后，通过变速杆将挂档动作（前—后）传递到选档拉索。前后移动的挂档拉索使换档轴转动。滑块用于保持选档拉索的继动杆在选定位置不变。变速器内换档轴的换档指旋转时，通过与之啮合的凸轮槽移动所对应的换档盘，从而驱动换档拨叉移动，挂入相应的档位。

4.锁止装置

（1）自锁装置 自锁装置可以对各档拨叉轴进行轴向定位锁止，以防止其自动产生轴向移动而造成自动挂档或自动脱档，并保证各档传动齿轮以全齿长啮合。自锁装置一般由自锁钢球和自锁弹簧组成，如图3-30所示。这类自锁装置是在变速器盖的前端凸起部钻有3个深孔，孔中装有自锁钢球及自锁弹簧，其位置正处于拨叉轴的正上方。每根拨叉轴对着钢球的表面沿轴向设有3个凹槽，槽的深度小于钢球的半径。中间的凹槽是空档位置，相邻凹槽之间的距离正好等于滑动齿轮（或接合套）由空档移至相应工作档位并保证齿轮处于全齿长啮合或是完全退出啮合的距离。凹槽对正钢球时，钢球便在自锁弹簧的压力作用下嵌入该凹槽内，拨叉轴的轴向位置便被固定，其拨叉及相应的接合套或滑动齿轮便被固定在空档位置或某一工作档位置，而不能自行挂档或脱档。当需要换档时，驾驶人通过变速杆对拨叉轴施加一定的轴向力，克服弹簧的压力而将自锁钢球从拨叉轴凹槽中挤出并推回孔中。拨叉轴便可滑过钢球进行轴向移动，并带动拨叉及相应的接合套或滑动齿轮轴向移动。当拨叉轴移至另一凹槽与钢球相对正位置时，钢球又被压入凹槽（此动作传到手柄上，使驾驶人具有手感），此时拨叉所带动的接合套或滑动齿轮便被拨入空档或被拨入另一工作档位。

除了采用自锁装置防止自动脱档外，往往还需在换档齿轮或花键齿的结构上采取一些措施来防止自动跳档。常见的防止自动跳档的结构有齿端倒斜面式和减薄齿式两种形式。图3-31所示为齿端倒斜面式防跳档结构示意图。这种防跳档结构的接合套外齿2的两端及接合齿圈1、4的齿端都制有相同斜度的倒斜面。接合套2左移与接合齿圈1接合时（图3-31所示位置）。接合齿圈将转矩传到接合套的一侧，再经过接合套的另一侧传给花键毂3。由于接合齿圈1与接合套2齿端部为斜面接触，便产生一个垂直斜面的正压力 F _N ，其分力分别为 F _F 和 F _Q ，其轴向分力 F _Q 即可防止自动跳档。

防止跳档的减薄齿结构如图3-32所示。这种防跳档结构是使花键毂3外齿圈两端的齿厚各减薄0.3～0.4mm，使各齿中部形成一凸台。当同步器的接合套2左移与接合齿圈1接合时（图3-32所示位置），接合齿圈将转矩传到接合套的一侧，再经接合套的另一侧传给花键毂。由于接合套的后端被花键毂中部凸台挡住，在接触面上便产生一个正压力 F _N ，其轴向分力 F _Q 即可防止自动跳档。

1、4—接合齿圈 2—接合套 3—花键毂 F _F —圆周力 F _N —倒锥齿面正压力 F _Q —防止跳档的轴向力

1、4—接合齿圈 2—接合套 3—花键毂 F _F —圆周力 F _N —凸台对接合套的总阻力 F _Q —防止跳档的轴向力

（2）互锁装置 互锁装置可以阻止两个拨叉轴同时移动，防止同时挂入两个档位，避免因同时啮合的两档齿轮因其传动比不同而互相卡住，造成运动干涉甚至造成零件损坏。互锁装置的结构形式很多，最常用的有锁球式和锁销式。

1）锁球式互锁装置如图3-30所示，它由互锁钢球和互锁顶销组成。在变速器盖前端三根拨叉轴之间的孔道中装有两个互锁钢球，每根拨叉轴朝向互锁钢球的侧面上都制有一个深度相等的凹槽，中间拨叉轴的两侧都有凹槽，凹槽之间钻有通孔，互锁顶销就装在该通孔中。两个互锁钢球的直径之和正好等于相邻两拨叉轴圆柱表面之间的距离加上一个凹槽的深度，互锁顶销的长度则等于拨叉轴的直径减去一个凹槽的深度。互锁装置的工作情况如图3-33所示。当变速器处于空档位置时，所有拨叉轴的侧面凹槽同钢球、顶销都在同一直线上。在移动中间拨叉轴3时（图3-33），轴2两侧的钢球从其侧面凹槽中被挤出，两侧面外钢球分别嵌入拨叉轴1和3的侧面凹槽中，将轴1和3锁止在空档位置。若要移动拨叉轴3，则必须先将拨叉轴2退回至空档位置。拨叉轴3移动时将轴凹槽内钢球挤出，通过顶销推动另一侧两个钢球移动，拨叉轴1、2均被锁止在空档位置上。拨叉轴1的工作情况与上述相同示。由上述互锁装置工作情况可知：一根拨叉轴移动的同时，其他两根拨叉轴均被锁止，即可防止同时换入两个档。

2）锁销式互锁装置如图3-34所示，它是将上述相邻两拨叉轴之间的两个互锁钢球制成一个互锁销，互锁销的长度相当于两个互锁钢球的直径，其工作原理与钢球式互锁装置完全相同。自锁弹簧的预压力使锁销对拨叉轴具有自锁定位作用。

（3）倒档锁装置 当汽车在前进行驶中，换档时由于疏忽而误挂入倒档，将会使轮齿间产生极大的冲击。此外，若汽车起步时误挂倒档则容易发生事故。为防止误挂倒档，操纵机构中应设有倒档锁。

倒档锁的形式有多种，如弹簧锁销式、锁片式、扭簧式等，但应用最多的是弹簧锁销式。

弹簧锁销式倒档锁一般由倒档锁销及倒档锁弹簧组成，并将其安装在1档、倒档拨块相应的孔中，如图3-35所示。锁销内端与拨块的侧面平齐，锁销可以在变速杆下端球头的推压下，压缩弹簧而轴向移动。当驾驶人要挂倒档（或1档）时，必须有意识地用较大的力向侧面摆动变速杆（从图上看为向左侧摆动），使其下端球头右移，克服倒档锁弹簧的张力将锁销推入孔中，这样才能使变速杆下端球头进入拨块3的凹槽内，以拨动1档、倒档拨叉轴进行挂档。

大众捷达变速器的变速操纵装置中，倒档锁止装置被安装在变速杆下方的选档机构壳体中。倒档锁止装置的工作原理如图3-36所示。在正常的前进档换档行程内，变速杆锁止凸轮向上运动，防止锁止（是选档壳体一个内部件）。挂倒档时，驾驶人首先必须克服阻力压下锁止装置中的压力弹簧，变速杆通过球型变速杆导管向下运动，使锁止杆凸轮绕过联锁装置挂入倒档。之后弹簧又将变速杆上推到啮合位置，并使它保持在倒档位置。