技术解读：变速箱的同步器

上一篇文章里面曾说道有一些汽车品牌的变速箱在需要加速的时候就像是在思考人生。这么讲可不是空穴来风，无论什么排量、什么动力，只要是车子需要换挡，你都会觉得这个换挡动作好像需要好几秒才能完成，之所以造成这个的原因，从我个人的理解看来——电脑换挡单元的调校是一方面，还有个深层次的原因，就是今天的主题，同步器。

同步器，其实在变速箱的整体架构中是一个小玩意儿。我们一讲起变速箱，通常都会先说：“结构是AT啊、DCT啊、CVT啊，带不带液力变矩器，横置还是纵置啊……”等等一系列看上去高大上的名词。

的确，涉及变速箱结构的这些内容的确是目前各大变速箱厂研究的首要目标。同步器跟这些比起来，确实有些不起眼。但可别小看了这个玩意儿——我知道很多朋友现在为了图便宜会买国产手动挡车型作为家里的代步工具，我也认识一些已经买了国产手动车型的车主，他们当中无一例外的跟我反映说他们的车子在换挡的时候总是有些不顺，而且油离配合不好掌握。这些问题其实跟变速箱结构啥的都关系不太大，很大程度上就是同步器在捣乱。那么，既然同步器是这么一个重要的玩意儿，它的工作原理又是如何呢？别急，听我先讲个故事，故事的名字叫做《三个和尚后传》：自从三个和尚分工协作，使用升降机来从山脚的河边挑水吃后，山上的水终于可以足量供应了。不过，随着庙里例行的佛家法式日子越来越近，整个大殿的也需要庙里的三个和尚一同去清洗一下。

这可就愁坏了这三个和尚——搬水不是啥麻烦事儿，可这水是要放到大雄宝殿前面的大缸里去，从升降机到大雄宝殿也需要人来搬啊……于是，三人一起想了个主意：大和尚负责搬水从升降机位置到大雄宝殿的往返路程，中和尚负责升降机的上下移动，小和尚则是下面挑水并放到升降机上。大和尚是苦力，所以虽然从山门到大雄宝殿的距离不远，但走起来会慢一些。小和尚需要快，凭借一定的力量多次把山下远处的水放到升降机的缸里面。所以，似乎中间那个和尚是最清闲的——只要用升降机把水上下移动就好。可是他一边要把水从下面运到上面，一边还要看着大小两个和尚，时不时的进行指挥：“大和尚你快点儿，小和尚马上就回来啦！” 放到车辆上，大和尚其实就是车轮的从动轴，小和尚是发动机，中间的和尚就是我们今天的主角，变速箱了。你别看一辆车的自重是1吨多的钢铁机器，但其实一辆车的核心：发动机是一个不给甜头就不使劲儿的主——我们发动机的活塞，在整个循环周期中是和发动机的缸体结合成一个体积变化固定密闭空间，也就是说，单单一次的做功过程中，假设喷油量不变的话，那么一次循环的做功是固定的。

按我们的俗话，这种行为就是一种‘磨洋工’——好赖就是一次活儿，我给你干了就完了。这种老油条我们得怎么对付呢？很简单，给甜头——通过在单位时间内增加进气量、喷油量来提高单位时间内的做功次数，也就是我们说的转速提升。说白了，就是让气缸第二次做工时爆炸的能量比第一次大，让其往复运动的速度比第一次快。这样单位时间内自然能加速发动机运转，也就能做更多的功了。说了这么多，发动机的这种特性，对于我们来说又意味着什么呢？意味着发动机有个特性——想要给力，得提升转速。可转速高了，喷油量就加大了，车子就更耗油了，虽然车子速度上去了，但这个耗油量……谁要是这么造一台车出来，估计能把我的钱包全吃瘪了。这时候就该变速箱登场了。

不同大小的齿轮，只要在扭力足够并相同的情况下就会有个特性——小齿轮的转速快，大齿轮的转速慢。所以变速箱的本质就是靠不同的齿轮组合，来完成发动机转速和车轮转速的不同的匹配过程，最终让我们获得想要的车速。现在回过头来再看看中间的同步器——前面我们解释了，变速器一头连着发动机，一头连着车轮，主要目的就是为了能把能量从发动机传递到车轮。但问题是和尚庙每天需要的水量并不同，汽车在驾驶时需要的速度和加速度也不同。这就需要整个变速装置根据不同的水量要求来调整运行速度，也就是说，变速箱需要根据目前车辆的速度、加速度要求调整使用不同的齿比。那同步器在这期间是干啥的呢？

一般来说，只要不是CVT这种没有档位的变速箱，就一定会有同步器这个玩意儿。其中，每两个档位共用一个同步器；或者我们换个说法，每个档位使用半个同步齿轮。所有的同步器都固定在同一根轴上（DCT双离合器是两个轴上，但两个周同速转动，我们可以近似理解为一个轴）保持的同速同方向的转动。而同时在这跟轴上面的减速齿轮却没有固定在轴上面，仅仅是套在了轴上。也就是说，除了目前正在工作的档位，其余的减速齿轮在平时根本就不会动，速度为0。也正因为此，同步器就相当于一个插销的作用——当它与减速齿轮连接时，动力的输出轴就跟变速箱硬连接起来了，而我们手动档中的空挡，就是通过档杆把同步器从所有减速齿轮中卸下来，这样，无论发动机、变速箱怎么转，动力绝对不可能传递到车轮上。那么，同步器到底是怎么跟发动机协同工作的呢？事实上，发动机的工作区间是要跟变速箱的齿轮减速比配合工作的。如果没有同步器的话，当你换挡的那一刹那，首先是离合器工作让发动机和变速箱动力切断。然后，变速箱就会将前面正在转的齿轮（比如2档的齿轮）断开，切换到转速为0的换入的档位上面（比如3档）。是的，同步器就是为了能让换入档位的齿轮也跟着输出轴的转速转起来而诞生的零件，就跟中间那个和尚通知大和尚“快点儿”一样，让变速器这边按照输出轴的转速先把齿轮给转起来。这样做的目的只有一个——减少发动机和输出齿轮的转速差。离合器的本质，其实是多个原型的压盘。其两侧会分别跟着发动机和变速箱齿轮的速度进行旋转。两个的转速差越大，离合器接合时产生的热量和变形越高，自然磨损的也就更厉害。让发动机和变速齿轮在接合时尽量没有转速差，成了同步器最主要的工作。如果你是一位近20年以上的老司机，那么两脚离合的技术动作你一定听过：车子升档时，司机动作是：踩离合——摘空挡——松离合——踩离合——升档——轻点油门——慢抬离合。

降档就更麻烦了，司机需要‘踩离合——摘空挡——松离合——轻点油门补油——踩离合——降档——轻点油门——慢抬离合’。之所以有这个动作，就是在车子没有同步器的情况下手工同步转速的解决方案。

我们拿一辆车子来举个例子——上图是我根据2016款傲虎2.5中配车型的官方宣传手册给出的传动比计算出来的转速理论对应速度。假设发动机在这些转速时的做功都能达到车辆当前速度所需要抵抗的阻力的话，那么1-6档在对应转速下就可以在对应档位达到以下车速。可以看出：除了1档需要达到2500转来完成换挡动作外，其余控制在2000转左右换挡，就可以达到一个理想的车速了。但无论是2000转换挡，还是2500转换挡，车子都能保证其转速掉落仅仅是500-700的范围内。要知道，一台发动机，无论你车子的速度如何，其转速掉落的速率是固定的。

我们假设发动机掉落500-700转的时间是0.3-0.5秒左右，车辆在对应时间段内惯性可忽略不计的话，那么则必须要求车辆在这短短的0.3-0.5秒内完成换挡动作，过快或者过慢都不行。对于自动变速箱来讲，在换挡命令执行后仅仅有不到1秒钟的时间，这个时间内转速如何匹配，动力如何衔接，没有大量的测试数据和调校设计，是无法完成“像风一般的换挡过程”的。所以，为了解决这个难题，主机厂会采用一些特别的方案来避归这个难点——其中一个就是减慢换挡需要的时间。其实从图表中可以看出，越是低档位，其车速提高的幅度越是不大。比如傲虎的1档，每提高500转速，车速才提高大约4.5km/h。那么，如果我控制变速箱逻辑在2500转换挡，那么，1换2的转速差估计也就只有850转左右。可如果提高的3500转换挡呢？根据计算，3500转大概是32km/h的车速。但2档能在30km左右的车速只需要2100转就可以达到，这个差速有1400转之多，几乎多了一倍。因此只要故意提高换挡转速，就可以给控制换挡单元的芯片有更充足的执行时间。那么，只要配合得当，提高换挡转速是能够将自己芯片执行效率不高的问题给完美隐藏起来的。这种设计逻辑，作为驾驶员最为明显的感觉，就是车子的变速箱是在思考人生——每次换挡的启动转速都很高，换挡过程的转速掉的也比较明显，换挡接合的时间也比较长。虽然说拉长了换挡单元的确是让车子更平顺，不会出现顿挫的感觉。但避免这种问题明明可以使用更加高效的换挡控制芯片和更为精准的换挡控制逻辑来解决，使用拉长换挡时机这个办法，可就多少有些投机取巧的意味了。

所以，同步器这样小的一个零件，其实对我们车子的影响很大。比如自动挡在进档时的吸入感是否舒适，自动变速箱在换挡时是否会有顿挫，换挡是否迅速，都跟这个小零件有着或多或少的关系。

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技术解读：变速箱的同步器

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