Недостатком ранних конструкций являлось то, что фрикционные конусы требовали приложения слишком большой силы, чтобы быстро уравнивать скорости вращения шестерни и вала. Если пружины фиксаторов синхронизатора для обеспечения бесшумности при быстром включении делались достаточно сильными, то включение передач при неподвижном автомобиле становилось затруднительным, так как в том случае, когда торцы зубьев муфты упирались друг в друга и не попадали во впадины, большое трение между конусами препятствовало угловому смещению их, необходимому для сцепления зубьев муфты.

В случае компромиссного решения вопроса путем установки более слабых пружин, при быстром переключении передач действие синхронизатора оказывалось недостаточным и зубья муфты включения издавали скрежет, как в обычных коробках передач со скользящими шестернями

В одной из ранних конструкций синхронизатора для предотвращения слишком быстрого включения был применен буферный механизм (катарракт), и хотя он действовал удовлетворительно, но был слишком сложен. Позднее была найдена возможность использовать здесь принцип серводействия (известный своим применением в тормозах) для уменьшения силы включения на муфте синхронизатора.

Рис. 1. Коробка передач «Синхро-мэш» объединения Дженерал Моторс:
1 — стальная обойма; 2 — бронзовое кольцо; 3 — плоская пружина.

Коробка передач «Синхро-мэш». Коробки передач с синхронизаторами впервые были применены объединением Дженерал Моторс и получили название «Синхро-мэш»

Было разработано несколько конструкций подобных коробок передач, которые применялись на легковых автомобилях различных марок, выпускавшихся объединением. Одна из первых конструкций показана на рис. 1. Это трехступенчатая коробка передач легкового автомобиля, в которой в отличие от обычного принятого расположения шестерен, пара шестерен второй передачи помещена в задней, а не средней части коробки. Синхронизаторы применены только на третьей и второй передачах. Оба синхронизатора идентичны по конструкции. Ниже дается описание только одного из них.

Шестерня, включаемая с помощью синхронизатора, имеет выступ с конической поверхностью снаружи и зубьями муфтового соединения внутри. Конический выступ шестерни входит в стальную обойму (сделанную из листового материала), внутри которой имеется бронзовое кольцо с конической поверхностью, соответствующей конусу шестерни. Вместо сплошной ступицы обойма имеет три спицы, оканчивающиеся выступами, входящими в канавки ведомого вала. Ширина выступов, однако, меньше ширины канавок вала, в результате чего обойма может несколько поворачиваться относительно вала. Скользящая муфта на обоих торцах имеет выступы в виде секторов, входящие в промежутки между спицами обоймы синхронизатора. Боковые поверхности секторов так же, как и соприкасающиеся с ними боковые поверхности спиц обоймы, скошены. Скользящая муфта и обойма вращаются вместе с ведомым валом, но поскольку обойма может несколько поворачиваться относительно вала, она имеет возможность поворачиваться также и относительно скользящей муфты. Когда скользящая муфта находится в нейтральном положении, ни одна из обойм синхронизаторов не касается фрикционного конуса. Как можно видеть на рис. 1, плоская пружина с выступами на обоих концах помещается в канавке ведомого вала. В действительности таких пружин три; они помещаются в тех же канавках вала, в которые входят выступы спиц обоймы. Когда скользящая муфта сдвигается по направлению к шестерне второй передачи, она входит в соприкосновение с выступами плоских пружин. При дальнейшем перемещении муфта толкает пружины до упора их в спицы обоймы и, двигая последнюю, приводит ее в соприкосновение с фрикционным конусом шестерни. Первым результатом контакта между обоймой и конусом будет поворот обоймы относительно вала, благодаря чему выступы спиц обоймы станут прилегать к боковым поверхностям канавок вала. В этом положении скосы на секторах скользящей муфты войдут в контакт со скосами на спицах обоймы.

Когда автомобиль двигается на прямой передаче, шестерня второй передачи вращается со значительно меньшей угловой скоростью, чем ведомый вал, и поэтому для бесшумного включения второй передачи необходимо после выключения сцепления уравнять угловые скорости шестерни и вала. У коробки передач, изображенной на рис. 1, при скорости автомобиля 56,3 км/час ведомый вал вращается со скоростью 1875 об/мин, а шестерня второй передачи делает только 1150 об/мин. Поэтому за период времени, в течение которого совершается включение (обычно около 1,5 сек.), шестерня второй передачи должна увеличить скорость вращения на 725 об/мин, что соответствует ускорению около 8 об/сек2, или около 50 рад/сек2. Но шестерня второй передачи находится в зацеплении с шестерней промежуточного вала, а через него связана и с ведущим валом, и оба эти вала вместе с находящимися на них деталями должны также получить соответствующее ускорение. Инерция этих частей, и особенно ведомого диска сцепления, представляет значительное сопротивление ускорению, к которому дополнительно прибавляется сопротивление от перемешивания масла в картере коробки передач. Прикладывая через рычаг переключения передач силу к скользящей муфте, которая своими скосами упирается в скосы на гпицах обоймы, водитель сжимает конические поверхности обоймы и выступа включаемой шестерни, при этом под действием трения на конических поверхностях скорость вращения шестерни и связанных с ней частей возрастает. Как только скорости вращения шестерни и ведомого вала уравниваются, сопротивление осевому перемещению скользящей муфты исчезает, освобожденная обойма под действием скосов поворачивается относительно скользящей муфты, и выступы муфты проходят в промежутки между спицами обоймы. Освобожденная от осевой нагрузки шестерня может теперь свободно поворачиваться, что позволяет наружным зубьям выступов на торцах скользящей муфты беспрепятственно войти в зацепление с внутренними зубьями шестерни.

Рис. 2. Детали устройства механизма синхронизатора.

Рис. 2 дает наглядное представление о взаимодействии между скошенными поверхностями выступов на торце скользящей муфты и спиц обоймы. Показанная там конструкция несколько отличается от конструкции, изображенной на рис. 1, формой спиц обоймы. Фигура слева представляет собой перспективное изображение обоймы синхронизатора и скользящей муфты с зубьями на внешней поверхности и выступами на торцах. На двух фигурах справа трапециевидные заштрихованные площадки представляют собой сечения спиц обоймы. На нижней фигуре скошенная поверхность спицы обоймы показана в соприкосновении со скошенной поверхностью выступа на торце скользящей муфты, что соответствует моменту, когда фрикционные конусы вошли в контакт, но скорости еще не Уравнялись. Верхняя фигура соответствует моменту, когда скорости Уравнялись и скользяшая муфта уже миновала это положение.

Различные этапы включения шестерни второй передачи в коробке «Синхро-мэш» показаны на рис. 3. Схема на рис. 3, а соответствует нейтральному положению: плоская пружина не касается спиц обоймы, и ее коническая поверхность не касается конуса шестерни. На рис. 3,б пружина прижата к спице обоймы, и коническая поверхность обоймы вошла в соприкосновение с конусом Шестерни. На рис. 3, в скользящая муфта уже надвинулась на выступ пружины, а скошенная поверхность выступа скользящей муфты вошла в контакт со скошенной поверхностью спины обоймы. На этой стадии процесса (включения осевая сила, прилагаемая водителем к скользящей муфте через рычаг переключения, уравновешивается противодействием инерционных сил ускоряющихся частей. На рис. 3, г силы, сопротивляющиеся включению, преодолены, и скользящая муфта находится в состоянии полного включения.

Рис. 3. Различные стадии включения синхронизатора коробки передач «Синхро-мэш».

Синхронизатор Уорнер. Фирма Уорнер-Гир, входящая в объединение Борг-Уорнер, длительное время занимается созданием синхронизаторов для коробок передач. Первоначальная конструкция синхронизатора Уорнер показ.ана на рис. 4. Ведущая шестерня постоянного зацепления и шестерня второй передачи ведомого вала трехступенчатой коробки передач выполнены заодно с наружными фрикционными конусами и зубьями муфтового соединения. Каретка синхронизатора, сидящая на шлицевом ведомом валу, имеет внутренние фрикционные конусы, а на наружной поверхности ее нарезаны зубья такие же, как зубья муфтового соединения на шестернях. В средней плоскости каретки имеются шесть радиальных углублений, в которые заложены цилиндрические витые пружины и стальные шарики. На зубья каретки надета скользящая муфта с внутренними зубьями, которая может сцепляться с наружными зубьями муфтового соединения на шестернях. На внутренней поверхности скользящей муфты, по середине ее длины, имеется неглубокая кольцевая канавка, в которую входят шарики, прижимаемые пружинами. На внешней стороне муфты проточена канавка для вилки переключения.

Рис. 4. Первоначальная конструкция синхронизатора коробки передач Уорнер.

В нейтральном положении фиксирующие шарики входят во внутреннюю канавку муфты, и когда водитель начинает включение, например второй передачи, муфта и каретка синхронизатора двигаются вместе, пока внутренний конус синхронизатора не придет в соприкосновение с наружным конусом шестерни второй передачи. Дальнейшее перемещение каретки невозможно, но если к муфте будет приложена достаточная сила, шарики фиксаторов выжимаются из муфты и она сдвигается, при этом ее зубья входят в зацепление с зубьями на шестерне второй передачи и, таким образом, жестко связывают последнюю с ведомым валом. Недостаток этой конструкции состоит в том, что для достаточно быстрого уравнивания скоростей пружины фиксаторов должны были выполняться весьма сильными и для сдвига муфты из ее среднего положения на каретке требовалась осевая сила от 35 до 45 кг.

Синхронизатор с блокирующим кольцом. Позднейшая конструкция синхронизатора Уорнер показана на рис. 5. Здесь каретка синхронизатора, сидящая на шлицах ведомого вала, не имеет осевого перемещения. На наружной поверхности каретки имеются три продольных паза, расположенных на равных расстояниях один от другого. В каждом пазу помещается небольшой ползун, сделанный из листового материала. Кроме того, на наружной поверхности каретки нарезаны зубья, которыми она сцепляется с внутренними зубьями скользящей муфты. Торцы зубьев на обоих концах муфты заострены для облегчения включения. Торцы зубьев муфтового соединения шестерни постоянного зацепления и шестерни второй передачи 8 также заострены. Бронзовые блокирующие кольца представляют собой отдельные детали, выполненные ковкой или отливкой под давлением. Кольца делаются из твердой бронзы высокой прочности; применение подшипниковой бронзы здесь недопустимо. Зубья на наружной поверхности кольца такие же, как и зубья муфтового соединения на шестернях.

Внутренние поверхности блокирующих колец образуют конусы, соответствующие коническим выступам шестерен. Коническая поверхность колец имеет очень мелкую винтовую нарезку, предназначенную для того, чтобы разрезать масляную пленку и обеспечивать лучшее сцепление со стальными конусами. Утверждают, что действие блокирующего кольца должно быть практически мгновенным. При значительном скольжении колец по конусам шестерен, они были бы не пригодными для синхронизатора, так как были бы подвержены быстрому износу.

Рис. 5. Позднейшая конструкция синхронизатора коробки передач Уорнер:
1 — шестерня постоянного зацепления; 2 и 7 — блокирующие кольца; 3 — скользящая муфта; 4 — ползун; 5 — каретка синхронизатора; 6 — пружинное кольцо; 8 — шестерня второй передачи; 9 — ведомый вал.

На рис. 5 можно видеть, что ползун имеет небольшой выступ по середине, который входит в кольцевую канавку, сделанную на внутренних зубьях скользящей муфты. Три таких ползуна прижимаются к внутренней поверхности муфты посредством.двух разжимных пружинных колец. Концы ползунов входят в пазы, сделанные в торцах блокирующих колец, чтобы препятствовать вращению колец относительно каретки синхронизатора. Ползуны служат.также для того, чтобы прижимать блокирующие кольца к коническим выступам шестерен. Когда муфта перемещается в осевом направлении, она ведет с собой три ползуна частично за счет трения, вызываемого давлением разжимных колец, частично вследствие того, что выступы ползунов входят в канавку скользящей муфты. Осевая сила, прикладываемая к блокирующему кольцу со стороны ползунов, достигает максимума в момент, когда выступы ползунов выталкиваются из канавки. Требующаяся для этого осевая сила составляет в описываемой конструкции 2,7—4,5 кг.

Ширина ползунов меньше ширины пазов в блокирующих кольцах, в которые они входят, и поэтому кольца могут иметь некоторое угловое перемещение относительно каретки. Это перемещение лежит в основе блокирующего действия колец. За время первой части хода скользящей муфты блокирующее кольцо посредством трех ползунов перемещается до контакта с конусом шестерни. Затем трение между коническими поверхностями заставляет кольцо провернуться вместе с конусом шестерни на угол, величина которого определяется зазором между ползунами и пазами в кольцах. Это вызывает смещение зубьев блокирующего кольца и скользящей муфты и приводит к соприкосновению скошенных поверхностей на торцах зубьев, препятствующему дальнейшему перемещению муфты. Однако, как только скорость вращения шестерни станет равной скорости вращения ведомого вала, кольцо перестает блокировать скользящую муфту, и она при дальнейшем движении входит в зацепление с зубьями шестерни.

Сила, потребная для уравнивания скоростей вращения. Чтобы дать представление о силах, необходимых для уравнивания скоростей вращения шестерен, можно указать, что у среднего легкового автомобиля момент инерции частей, вращающихся вместе с шестерней второй передачи, приведенной к ведомому валу коробки передач, составляет около 0,3 кг-см-сек2*. Сумма фактических моментов инерции отдельных деталей относительно их собственных осей много меньше, однако при приведении момента инерции какой-нибудь детали к другой оси он изменяется обратно пропорционально квадрату отношения скоростей вращения.

Средний радиус поверхности трения составляет около 4,1 см отсюда окружная сила трения будет равна 15 : 4,1 = 3,65 кг. При угле конуса 10° (sin 10° = 0,174) и коэффициенте трения 0,04 между сталью и бронзой при наличии смазки для обеспечения такой окружной силы потребуется осевая сила около 16 кг.