在经济技术高速发展的时代，卡车承担着重要的角色，广泛地出现在运输行业、矿业等工作场景中，但是对于作用于恶劣工况下的卡车来说，变速箱故障率高、磨损率高是急需解决的问题。而高低挡同步器作为变速箱中关键零部件，其可靠度直接影响到变速箱寿命，并且会影响到卡车的经济性与动力性，因此需要对传统高低挡同步器进行改进，达到提升变速箱性能、延长变速箱寿命的目的。
一、高低挡同步器作用过程与受力分析
高低挡同步器是卡车进行换挡操作的关键部件，不仅能够使换挡操作更加轻便，而且能够提升汽车的动力性以及舒适性，在一定程度上还能提高驾驶安全性。但是随着换挡次数地增加，同步器的同步性能会降低。
对目前上市的某卡车变速箱高低挡同步器作用过程进行分析，主要分为偏转、锁止、同步和挂挡四个阶段，具体的作用过程如下。
1)偏转：在初始换挡力与推块弹簧的弹力作用下，同步器滑套在拨块槽带动下将同步环挤压到同步器锥毂。由于受到转速不同以及换挡力大小的影响，两者接触瞬间会产生瞬时摩擦，产生的力矩使同步环产生角度偏移，并与同步器滑套之间进行相对转动。
2)锁止：换挡力继续增大，同步器滑套克服推块弹力，直到齿端锁止角斜面与同步环齿端锁止角斜面紧密贴合。
3)同步：由于换挡力及锥面摩擦力的作用，同步器滑套角速度逐渐发生变化，直到与低挡锥毂或者高挡锥毂的角速度相同，此时进行同步运转。
4)挂挡：同步环在挂挡力与摩擦力的共同作用下产生角度偏移，导致其与同步器滑套紧贴的锁止斜面脱离，同步器滑套通过同步环与结合齿啮合，完成挂挡操作。
根据高低挡同步器的作用过程绘制同步器受力分析图，如图 1 所示。同步环在换挡力 F 的推动下与同步锥毂接触，产生的接触压力 Fn=F/sin b，产生的摩擦力矩 Mf=Fnud1(u 为摩擦系数)。
二、同步器理论计算与改进设计
根据同步器作用过程与受力分析对同步器换挡力、摩擦力矩、相对转动惯量以及换挡时间进行计算分析，得到理论值，具体过程如下。
1)高低档同步器换挡力计算。首先计算低挡换高档时的换挡力，活塞作用面积为 0.004 47 m2 ，实际作用压强 0.7 MPa，可得活塞压力为 3 169.6 N，根据条件换算得到换挡力为 3 250 N。同理，计算高挡换低挡时活塞作用面积为 0.004 96 m2 ，实际作用压强 0.7 MPa， 换挡力为 3 608 N。
2)高低档同步器摩擦力矩计算。确定换挡力后，根据情况设定摩擦锥面半锥角、平均半径以及摩擦系数等值，按照同步器工作原理计算得，低挡换高挡时摩擦力矩为 213.8 N·m，高挡换低挡时的摩擦力矩为 237.3 N·m。
3)高低挡同步零件转动惯量计算。假设输入轴转速恒定为 2 000 r/min，将行星齿轮与太阳轮的转动惯量折算到内齿圈中进行计算，得到转动惯量 0.70 kg/m2 。
4)换挡时间计算。根据公式：t=3.14nJ/T，其中，t 为时间，n 为转速差，J 为内齿圈当量转动惯量，T 为摩擦力矩。计算换挡时间，当从低挡换高挡时，换挡时间为 0.16 s，高挡换低挡时，换挡时间为 0.19 s。
为了能够有针对性地对高低挡同步器进行优化升级，采集了某卡车变速箱高低挡同步器售后服务数据，经过归纳分析，高低挡同步器的失效方式具体有如下四种，滑套齿端打齿、高低挡掉挡、高低挡锥毂打齿以及摩擦锥面失效。
根据对同步器失效方式与作用过程、受力状况的分析，对同步器提出以下四点改进方案，并对制定好的改进措施加以实施。
1)将双侧斜面锁止齿修改为单侧斜面，增大斜面接触面积，降低锁止失效率：由于同步器为单向工作，锁止齿只有一侧起作用，因此将同步环齿面改为单侧锁齿面，增大接触面积，如图 2 所示。
2)增加结合齿模数，提高结合齿抗冲击力能力，将结合齿模数从 3.0 提升到 3.5，齿数从 63 减小到 54，在保持同步器内外径尺寸相同的情况下，达到提高结合齿强度的作用。
3)在同步锥毂锥面增加孔位，加快同步器破坏油膜速度，在同步器锥毂油槽垂直钻一组 1.5 mm 的通孔，增加放油量。
4)增加同步锥毂与同步环锥面高度，增大摩擦锥面的面积，减小摩擦压强，从而降低磨损速度，增大同步齿套和同步锥毂结合长度，减小同步器掉档产生结合齿失效的概率。根据表 1 对锥毂结合齿宽度、同步器宽度、锥面宽度以及摩擦半径等参数进行修改。
修改前后的高低挡同步器尺寸对比如图 3 所示，修改后的齿啮合长度为 3.8 mm，相比修改之前的 2.3 mm，提升了 65%。
三、高低挡同步器换挡性能与寿命试验
使用同步器换挡试验台对高低挡同步器性能与耐久度进行验证。设置换挡气压条件为 0.8 MPa，试验润滑油使用 85 W/90，经过 300 次磨合后开始记录试验结果，连续记录并绘制 10 次换挡曲线，如图 4 所示。其中 L 为位移，f 为换挡力，LSel 为选择线， p 为换挡气压。
根据高低挡同步器的换挡曲线计算对应的平均值，按照上述理论计算方法对同步器改进前后的换挡力、换挡时间进行计算与对比，整理得到表 2。通过与理论数据进行对比可知，改进后的同步器换挡力增加，换挡时间与同步时间都减小，其结果相比于改进前的同步器更接近于理论值。
QC/T 29063.4—2010 标准中对同步器的寿命试验要求是需要达到 10 万次挂挡且不失效。将高低挡同步器置于同步器试验台，设置换挡气压条件为 0.8 MPa，换挡频率为 10 次 /min，润滑油采用 85 W/90。10万次挂挡试验后，同步器无异响，且不失效;检查同步器高低挡锥面、同步环等零部件的损坏情况，均为正常磨损，如图 5 所示，因此认为改进后的高低档同步器性能较好。
四、结语
对于在恶劣工况下工作的卡车，高低挡同步器的性能一定程度上影响驾驶的稳定性与安全性，而且其失效方式多样，失效率也较高，因此需要对高低挡同步器进行改进。对同步器的作用过程及受力情况进行分析，通过理论计算确定了同步器改进的换挡力、换挡时间等关键参数值，提出了加宽同步器、增加结合齿强度等四点改进方案，完成了改进后同步器的性能试验，可知改进后的高低挡同步器与理论计算更接近，完成了同步器的寿命试验，改进后的高低挡同步器能够达到 10 万次换挡且不失效。
参考文献略.