手动变速器换挡二次冲击的改善

手动变速器换挡二次冲击的改善

江兴宝

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摘要：变速器是汽车传动系统中最重要的总成之一，它对整车的动力性、经济性、可靠性都起着重要的作用。手动变速器的换挡性能是客户感知整车质量的组成部分，直接影响客户购车意愿的重要因素，换挡力的大小，换挡平顺性是换挡性能的重要的指标，换挡时二次冲击时影响平顺性的主要原因之一。

关键词：手动变速器；换挡性能；同步器；二次冲击

一、引言

随着自动变速器在市场占有率的逐步提升，MT的份额逐渐下降，但目前还有部分使用MT的整车厂。不过由于使用搭载MT汽车的客户对于整车品质要求的不断提升，整车厂也把提升MT品质的要求输入给变速器生产厂家。其中换挡性能作为客户评价车辆品质最能直接感受的项目尤为关键。所以变速器生产厂家都在努力的改善换挡性能，将优秀的换挡手感作为重要的买点之一。

二、换挡性能的主要评估指标

一般的换挡性能主要从以下几个方面去评估：

（1）选换挡力及行程

静止状态下换挡手球处的选、换挡力和行程进行测量，通过获得的换挡轨迹图判断选换挡的行程是否均匀、平整、对称性好；

（2）选换挡的刚度

对变速操纵系统进行选档与换挡方向的刚度进行测量，用于评价选换挡功能的可靠性，一般的刚度为6-10N/mm。如果刚度过大，对于换挡时的冲击反馈比较敏感，如果刚度过小，则给驾

驶者选换挡不到位的感觉，可靠性下降；

（3）斜向换挡

一般操作为2挡换3挡，4挡换5挡相互切换。通常通过采集斜向换挡的波形，分析换挡杆斜向通过的角度和范围，来判断斜向换挡操作的平顺性以及换挡元件的导向准确性。能够顺畅、无卡滞，准确的进入目标挡位，为主要的目标；

（4）在挡位时的“嘎哒”量

    它反应的是换挡手球在挡位时的自由间隙，间隙过大的话，会造成各个挡位的不对称，以至于驾驶者错挂，误挂挡，引起驾驶不适感和风险。行业内一般认为手球处施加5N的力，10×10mm的区域面积为较优秀的间隙。但从另一方面也要关注挡位的对称性。

（5）换挡冲量

换挡冲量是换挡力与换挡时间的乘积，设计者的希望是达到快速轻便的完成换挡，即能迅速又能省力。换挡冲量大小与同步器本身的设计结构息息相关。在同步器设计时，要充分考虑换挡时同步器的动作过程，包括预同步、同步、拨环、二次同步，同时要关注预同步力、锁止比、同步冲量等参数。

（6）二次冲击

二次进入是指换挡过程中同步器齿套与联齿结合的过程。二次冲击是在此过程中发生的零件接触产生的冲击，通过机构反应到手球处。这是目前手动变速器市场上比较难解决的课题之一，也是整机厂比较介意的问题。一般的二次冲击力与换挡力的比值小于50%时，不易被驾驶员察觉，可以忽略其影响。同时也要关注最大换挡力和二次冲击力发生的时间间隔，如果间隔时间长的话也容易引起抱怨。

三、二次冲击产生的主要原因

二次冲击试制在同步完了后齿套越过齿环，继而与联齿发生随机性碰撞产生的，二次冲击是不可避免也不可消除，目前能做的是降低冲击发生的概率和冲击的力度。因为二次冲击与同步器设计相关的，所以在设计同步器时一定要关注二次冲击的问题。

（1）同步器的构造

图1. 同步器构造

图2. 同步器内部俯视图

（2）同步器的机能

①同步机能

同步器齿套在手球力的作用下，推动滑块并将其压在齿环的端面，使得齿环与联齿的摩擦面压紧并产生摩擦力矩Tc。齿轮的转速下降到齿套的转速一致；

                图3 同步机能

② 拨环机能

同步完了后，齿套继续移动拨动同步器齿环产生拨环力矩Ts，通过尖角面的相对滑动使齿环与齿轮锥面产生相对滑动。

图4 拨环机能

③ 啮合联齿机能

齿套的尖角面与联齿尖角面接触，并拨转齿轮组件，进而完成啮合。

  图5 啮合机能

上图中，ω=齿套与齿轮的相对转速

Tc=同步力矩

Ts=拨环力矩

T1=齿轮转动抵抗力矩

（3）2次冲击的原因

从构造上讲，同步完了后齿环与齿轮锥面分开，齿轮锥面没有了摩擦力矩的约束，会发生转动并且会发生转速差。在存在这种转速差的状态 下，齿套与联齿接触啮合时会发生冲击。这样就产生了使换挡性能恶化的“二次冲击”，如图

         图6  换挡波形

① 空走行程（时间）的影响

      2次冲击力是因为转速差产生的。齿套在空走行程中，齿轮因为润滑油搅拌抵抗等因素发生了转速差。转速差越大冲击的能量就越大，2次冲击力也就越大，所以，空走行程影响正比2次冲击力。

②齿套与联齿花键接触方式的影响

       图7 联齿尖角接触齿套齿面

以上情况下，相对转速与齿轮被分离的方向相反，冲击能量会变大，2次冲击力也会变大；

           图8 齿套尖角接触联齿齿面

这时，相对转速与齿轮被分离方向相同，这样冲击能量会变小，2次冲击力也变小。

不过以上两种情况都有可能发生，不能限制是在哪个方向上接触。

③尖角角度的影响

  图9 受力分析图

二次冲击力F2是齿套与联齿发生冲击时的垂直于齿套尖角面的正压力的分力，所以它的大小与尖角角度有关。

四、二次冲击的改善方法

（1）改善的着眼点：齿套实现“同步”、“拨环”、“拨联齿啮合”三个机能都是靠相同的花键来实现的，齿套的空走距离和尖角都是不变的。如果将同步器齿套的花键分开实现“同步”“啮合”的话，就可以两种花键采用不同的设计。变更后：

1）同步：

图10 改善后的同步机能

2）拨环：

      图11 改善后的拨环机能

3）啮合：

图12 改善后的啮合机能

（2）改善方向

①齿套的空走行程降低：同步和啮合机能分开后，同步时齿套和联齿花键的距离较大幅度的降低，从而减少了转速差的降低，改善了2次冲击力。

图13 改善前后空走行程对比

上图可知L1>L2,齿套的空行程变小。

② 齿套尖角的改善

图14 尖角改善的受力分析

因为同步齿和啮合齿机能分开，啮合机能齿的

设计可以不考虑同步齿，尖角角度可以大幅的降低，2次冲击也可以大幅降低。

（3）改善效果

对改善前后的结构用同一台变速器采集波形进行对比，确认同步结束的齿套与联齿的转速差值以及二次冲击力值得大小。

图15 改善前换挡波形

图16 改善后换挡波形

对改善前后的波形对比发现同步齿与啮合齿分离后，齿轮与齿套的相对转速差从42rpm降低到30rpm，二次进入力F2也大幅降低，换挡手感得到改善。

五  结束语

通过齿套的花键的同步齿和啮合齿的分开设计，影响2次进入的两个原因“转速差”和“拨联齿的力”都能降低，2次进入的力和发生频度都能降低，从而改善换挡性能。