第三节 同步器结构与工作原理
    一、无同步器时变速器的换档过程
    采用滑动齿轮或接合套换档时，待啮合的一对齿轮的轮齿（或接合套与接合齿圈上相应的内、外花键齿）的圆周速度必须相等（同步），才能平顺地进入啮合而挂上档。如两齿轮轮齿不同步时即强制挂档，将使两轮齿间发生冲击和噪声，影响轮齿的工作寿命，甚至使轮齿折断。
    1．同步器功用
    同步器的功用是使接合套与待啮合的齿圈迅速同步，缩短换档时间；且防止在同步前啮合而产生换档冲击。

    2．无同步器的换档过程
    以无同步器五档变速器的四、五档互换为例进行介绍。为使换档平顺，驾驶人应采取合理的换档操作步骤。现以图16所示无同步器的五档变速器中四、五档（四档为直接档，五档为超速档）互相转换的过程为例，说明其原理。

    第一轴1及其齿轮2直接与离合器从动盘连接，五档齿轮4则通过齿轮6、中间轴7、齿轮8与齿轮2保持传动关系。接合套3借花键毂与第二轴5相连，而第二轴又依次通过万向传动装置、驱动桥和行驶系统与整个汽车保持传动关系。所以齿轮2和4的转速及其轮齿和花键齿的圆周速度都与离合器从动盘转速成正比；同理，接合套3的转速及其花键齿的圆周速度都与汽车速度成正比。

    （1）高速档换低速档（五档换四档）变速器在五档工作以及刚从五档推入空档时，接合套3与齿轮4的花键齿圆周速度相同，即V3＝V4，同时，V4＞V2（理由同前），故V3＞V2，但是退入空档后，由于V2下降得比V3快，根不可能出现V3 = V2的情况；相反，停留在空档的时间越久，二者的差值将越大。所以驾入在分离离合器并使接合套3左移到空档以后，随即重新接合离合器，同时踩一下加速踏板，使发动机将离合器从动盘和第一轴的转速提高，也就是使齿轮2的转速高于接合套转速，即V2＞V3，然后再分离离合器，并等待片刻，当V3 = V2时，即可挂入四档（直接档），如图17a所示。
    （2）低速档换高速档（四档换五档）变速器在四档工作时，接合套3与齿轮2上的接合齿圈啮合，两者接合齿圆周速度相等V3=V2。欲换入五档时，驾驶人先踩下离合器踏板，离合器分离，再通过变速操纵机构将接合套3右移，处于空档位置。
    在接合套3刚与齿轮2脱离接合的瞬间，此时仍是V3=V2，由于从齿轮6到齿轮4的升速比大于齿轮2到齿轮7的减速比，五档齿轮4的转速永远高于齿轮2的转速，从而齿轮4的花键齿圆周速度V4＞V2，所以在刚推入空档的瞬间V4＞V3。为避免产生冲击，不应在此时立即将接合套3推向齿轮4而挂五档，而需在空档位置停留片刻。此时，由于离合器从动盘已与发动机脱离，动力传递中断，接合套3与齿轮4的转速及其花键齿的圆周速度V3和V4都在逐渐降低。但是变速器尚处于空档，接合套3和齿轮4间没有联系，V3和V4下降的快慢有所不同，接合套3因与整个汽车联系在一起，惯性很大，故V3下降较慢；而齿轮4只与中间轴及其齿轮、第一轴和离合器从动盘相联系，惯性很小，故V4下降较快。这样，虽然V4原先大于V3，但由于下降得比V3快，故在变速器推入空档以后的某个时刻，必然会有V3 = V4（同步）的情况出现，而过此时刻，又将出现V4 < V3的情况。所以最好是恰在V3 = V4时刻使接合套右移而挂入五档。若与齿轮4相联系的一系列零件的惯性越小，则V4下降得起快，而同步情况出现得越早，并且在同样速度差的情况下，齿的冲击力也越小，如图17b所示。

    上述相邻档位相互转换时所应采取的不同操纵步骤，虽然只举接合套换档为例，但同样适用于移动齿轮换档的情况，因为所依据的速度分析原理是一样的。
    由此可见，欲使一般变速器换档时不产生轮齿或花键齿间的冲击，需要进行较复杂的操作，并应在短时间内迅速而准确地完成。这对于即使是技术很熟练的驾驶人，也易造成疲劳。
    因此，要求在变速器结构上采取措施，既保证挂档平顺，又使操作简化，减轻驾驶人劳动强度。同步器即是在这样的要求下产生的。

    二、同步器的构造及工作原理
    同步器都是利用摩擦原理实现同步的，可以分为常压式、惯性式、自行增力式等形式。常压式同步器工作不很可靠，目前已基本被淘汰。现代汽车上广泛采用的是惯性式同步器，它可以从结构上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，以避免齿间冲击和噪声。
    目前所采用的同步器几乎都是摩擦式惯性同步器，按锁止装置不同，可分为锁环式惯性同步器和锁销式惯性同步器。
    1．锁环式惯性同步器
    （1）构造锁环式同步器的结构（BJ2020型汽车）如图18所示，花键毂7用内花键套装在二轴外花键上，用垫圈、卡环轴向定位。花键毂7两端与齿轮1和4之间各有一个青铜制成的锁环（即同步环）5和90锁环上有短花键齿圈，其花键的尺寸和齿数与花键毂、齿轮1和4的外花键齿相同。两个齿轮和锁环上的花键齿，靠近接合套8的一端都有倒角（锁止角），与接合套齿端的倒角相同。锁环有内锥面，与齿轮1、4的外锥面锥角相同。在锁环内锥面上制有细密的螺纹（或直槽），当锥面接触后，它能及时破坏油膜，增加锥面间的摩擦力。锁环内锥面摩擦副称为摩擦件，外沿带倒角的齿圈是锁止件，锁环上还有三个均布的缺口12。三个滑块2分别装在花键毂7上三个均布的轴向槽11内，沿槽可以轴向移动。滑块被两个弹簧圈6的径向力压向接合套，滑块中部的凸起部位压嵌在接合套中部的环槽10内。滑块和弹簧是推动件。滑块两端伸入锁环5的缺口12中，滑块窄缺口宽，两者之差等于锁环的花键齿宽。锁环相对滑块顺时针旋转和逆时针旋转都只能转动半个齿宽，且只有当滑块位于锁环缺口的中央时，接合套与锁环才能接合。

    （2）工作原理以二档换三档为例，说明同步器的工作原理，如图19所示。
    1）空档位置：接合套8刚从二档退入空档时，如图19a所示，三档齿轮1、接合套8、锁环9以及与其有关联的运动件，因惯性作用而沿原方向继续旋转（图示箭头方向）。由于齿轮1是高档齿轮（相对于二档齿轮来说），所以接合套8、锁环9的转速低于齿轮1的转速。

    2）挂档：欲换入三档时，驾驶人通过变速杆使拨叉3推动接合套8连同滑块2一起向左移动，如图19b所示，滑块又推动锁环移向齿轮1，使锥面接触。驾驶人作用在接合套上的轴向推力，使两锥面有正压力N，又因两者有转速差，所以产生摩擦力矩。通过摩擦作用，齿轮1带动锁环相对于接合套向前转动一个角度，使锁环缺口靠在滑块的另一侧（上侧）为止，此时接合套的内齿与锁环上错开了约半个齿宽，接合套的齿端倒角面与锁环的齿端倒角面互相抵住。

    3）锁止：驾驶人的轴向推力使接合套的齿端倒角面与锁环的齿端倒角面之间产生正压力形成一个企图拨动锁环相对于接合套反转的力矩，称为拨环力矩。这样在锁环上同时作用着方向相反的摩擦力矩和拨环力矩，同步器的结构参数可以保证在同步前（存在摩擦力矩）拨环力矩始终小于摩擦力矩，所以在同步之前无论驾驶人施加多大的操纵力，都不会挂上档，即产生锁止作用，如图19c所示。

    4）同步啮合：随着驾驶人施加于接合套上的推力加大，摩擦力矩不断增加，使齿轮1的转速迅速降低。当齿轮1、接合套8和锁环9达到同步时，作用在锁环上的摩擦力矩消失。此时在拨环力矩的作用下，锁环9、齿轮1以及与之相连的各零件都对于接合套反转一角度，滑块2处于锁环缺口的中央如图19c所示，键齿不再抵触，锁环的锁止作用消除。接合套压下弹簧圈继续左移（滑块脱离接合套的内环槽而不能左移），与锁环的花键齿圈进入啮合。进而再与齿轮1进入啮合，如图19d所示，换入三档。
    捷达轿车02KA型变速器采用的二、二档锁环式同步器如图20所示。在花键毂4的外圆面上开出3个均匀布置的轴向通槽b，槽里放入滑块2。滑块的中部向外凸起，以斜面与接合套1中部开出的环形槽a相配合。滑块内侧（即下边）两端凸出，中间形成宽槽。花键毂的两侧各装有一个钢丝弹簧3， 5，卡在滑块内侧宽槽的两端，将滑块向外推，使其中部凸起压紧在接合套环槽上，起空档定位作用。由于两钢丝弹簧之间的距离（滑块内侧槽的轴向宽度）大于花键毂中部的厚度，使接合套、滑块和钢丝弹簧可以相对于花键毂轴向移动一定距离。锁环6对着接合套的一侧有3个缺口。，缺口的宽度等于滑块宽度加上一个接合套花键齿的宽度，装配后3个滑块插入到缺口中。换档时，滑块既可通过端部推动锁环轴向移动压紧接合齿圈锥面，又可带动（或档住）锁环保持同步转动，并保证在接合套与锁环同步之前，二者的花键齿总是错开半个齿，不能实现挂档。该同步器的工作原理与前面所述基本相同，其结构更加简单。

    锁环式同步器结构紧凑，但因径向尺寸小，锥面间产生的摩擦力矩较小，而且锁止面是锁环的接合齿端面，使用中会使齿端磨损而失效。故它适用于传递转矩不大的轿车和轻型货车的变速器。

    2．锁销式惯性同步器
    锁销式惯性同步器在结构上允许采用直径较大的摩擦锥面，因此可产生较大的摩擦力矩，缩短了同步时间。当变速器第二轴上的常啮合齿轮及其接合齿圈直径较大时，装用锁销式同步器将使齿轮的结构形式更加合理。大、中型货车普遍采用锁销式惯性同步器。锁销式惯性同步器的工作原理与锁环式惯性同步器类似。

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