車輛起步換擋困難問(wèn)題研究

張永華

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)于整車舒適性、可靠性以及操縱輕便性的要求越來(lái)越高。客車，作為用于載人運(yùn)營(yíng)的商用車，客戶對(duì)于其綜合性能要求介于卡車和乘用車之間，比如：客戶對(duì)于客車 NVH性能要求較乘用車低、高于一般經(jīng)濟(jì)型輕型卡車；對(duì)于操縱輕便性要求有漸漸向乘用車靠攏的趨勢(shì)，而客車選用的很多核心總成件又與卡車相同平臺(tái)，因此客車各個(gè)系統(tǒng)之間的匹配選擇需更加細(xì)致。其中汽車離合—變速器—變速操縱系統(tǒng)就是其中典型代表，起步換擋困難、起步發(fā)抖、空擋怠速傳動(dòng)系噪音大等問(wèn)題一直困擾著客車行業(yè)。

本文重點(diǎn)針對(duì)客車起步換擋困難進(jìn)行了分析，結(jié)合實(shí)際使用工況，探討了除制造因素、分離不清等原因之外的系統(tǒng)匹配理論模型的計(jì)算，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)例計(jì)算提出了相應(yīng)改進(jìn)方案。

1 離合器、變速器理論模型建立與已知條件界定

客車使用情況的特殊性，決定了其特定的起步換擋工況：踩下離合踏板后不停頓直接掛二擋甚至三擋起步。市場(chǎng)上所反饋的起步換擋困難也是在此工況下產(chǎn)生的，現(xiàn)重點(diǎn)探討一下離合器、變速器以及變速操縱系統(tǒng)之間匹配關(guān)系對(duì)此問(wèn)題的影響。

起步換擋時(shí)離合器、變速器之間理論模型如下圖1所示：

圖1 起步換擋時(shí)理論模型

根據(jù)上述理論模型，建立同步器換擋時(shí)的慣性質(zhì)量運(yùn)動(dòng)方程：

式中：Jr——同步器輸入端零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：主要包括變速器二軸上被掛擋齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jc2以及離合器從動(dòng)盤、變速器第一軸、中間軸及其齒輪、與中間軸齒輪相嚙合的第二軸常嚙合齒輪等轉(zhuǎn)化至同步器輸入端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和[1]。

ωti——同步器輸入端零件的角速度，起步換擋時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速與起步擋速比換算值。

ωto——同步器輸出端零件的角速度，起步換擋時(shí)為0。

t——起步時(shí)換擋同步時(shí)間：換擋時(shí)，同步時(shí)間越短越好。除去同步器本身的結(jié)構(gòu)尺寸、輸入輸出的角速度差、輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等對(duì)同步時(shí)間的影響外，作用在同步器上的軸向力對(duì)同步時(shí)間的影響也呈線性關(guān)系。軸向力增大，同步時(shí)間減少，此時(shí)相應(yīng)的換擋力也增大。不同車型對(duì)換擋力的要求也不盡相同。同步時(shí)間要求亦與車型有關(guān)，計(jì)算時(shí)可在下屬范圍內(nèi)選取：對(duì)轎車變速器高擋取0.15～0.30 s，低擋取0～0.80 s；對(duì)貨車變速器高擋取0.30～0.80 s，低擋取1.00 s，而客車起步掛擋時(shí)暫取1.00 s目標(biāo)值。

T——總的同步阻力矩：包括同步器的摩擦力矩Tf；離合器的阻力矩Tc；變速器的阻力矩Td；實(shí)際計(jì)算中考慮到在常溫條件下、較短的時(shí)間內(nèi)潤(rùn)滑油阻力以及變速器軸承阻力等對(duì)齒輪轉(zhuǎn)速的影響可以忽略，故Td變速器的阻力矩取0；Tc離合器的阻力矩由離合器圖紙技術(shù)要求確定或根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 25《汽車干摩擦式離合器總成技術(shù)條件》中分離拖曳轉(zhuǎn)矩要求選取。

下面分別就上述公式中涉及的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)以及相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選取說(shuō)明。

1.1 同步器輸入端零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr計(jì)算

根據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)，將a軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ja轉(zhuǎn)換為b軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jb時(shí)，存在以下關(guān)系：

式中：

Za——a 軸（被轉(zhuǎn)換的軸）的齒輪齒數(shù)；

Zb——b 軸（要轉(zhuǎn)換至其上的軸）的齒輪齒數(shù)。

起步換擋時(shí)同步器輸入端零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為：

式中：

Jc2——變速器二軸上被掛擋齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，起步換擋時(shí)按二擋計(jì)算；

Ze——被掛擋齒輪副的第二軸齒輪齒數(shù)，起步換擋時(shí)取二軸上二擋齒數(shù)；

Zz——被掛擋齒輪副的中間軸齒輪齒數(shù)，起步換擋時(shí)取中間軸上二擋齒數(shù)。

式（4）中：

Jz——中間軸及其上部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Ji1——一軸以及其上相關(guān)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Z1——第一軸常嚙合齒輪的齒數(shù)；

Z2——中間軸上與第一軸常嚙合齒輪的齒數(shù)；

Jc——離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Jon——二軸上n擋齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，直接擋數(shù)值取零；

Zon——二軸n擋齒輪齒數(shù)；

Zzn——中間軸上與二軸n擋齒輪嚙合齒齒數(shù)；

Zd1——倒擋惰輪齒數(shù)；

Zzr——中間軸上與倒擋惰輪嚙合齒齒數(shù)。

Jdr——倒擋惰輪上綜合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括惰輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jdl、二軸上倒擋齒輪（Jor、Zod）轉(zhuǎn)化至惰輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其計(jì)算公式為：

式（5）中：

Jor——二軸上倒擋齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Zod——二軸上倒擋齒輪齒數(shù)。

根據(jù)公式（3）、（4）、（5）即可計(jì)算得出起步換擋時(shí)同步器輸入端零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.2 同步器的摩擦力矩Tf的計(jì)算

同步器摩擦力矩由同步器本身結(jié)構(gòu)、摩擦副材質(zhì)以及作用在同步器摩擦錐面上的軸向力等因素決定。其簡(jiǎn)化計(jì)算公式為：

式中：Ct——同步器容量（作用在同步器摩擦錐面上的單位軸向力所產(chǎn)生的同步力矩），與同步器摩擦錐面半錐角α、工作錐面間的摩擦因數(shù)μ、摩擦錐面平均半徑R等因素有關(guān)，其計(jì)算公式為；

F——作用在同步器摩擦錐面上的軸向力：其通過(guò)換擋時(shí)施加在變速操縱桿手柄球上的力根據(jù)變速器換擋操縱系統(tǒng)杠桿比、傳動(dòng)負(fù)載效率、變速器本身?yè)Q擋杠桿比等換算值減去變速器自鎖力、互鎖力、叉軸滑動(dòng)摩擦力、同步器結(jié)合套鎖止力等值計(jì)算而來(lái)。實(shí)際可按以下公式計(jì)算：

式中：

FO——駕駛員換擋時(shí)施加在變速操縱桿手柄球上的換擋力，根據(jù)車型設(shè)計(jì)要求選定；

ia——變速操縱器杠桿比；

η——變速操縱系統(tǒng)效率，主要是變速操縱器效率、軟軸負(fù)載效率，軟軸負(fù)載推效率裝車后取75%計(jì)算比較切合實(shí)際準(zhǔn)確；

F1——變速器起步擋靜態(tài)換擋力；

ib——變速器本身?yè)Q擋杠桿比，也就是換擋搖臂軟軸安裝點(diǎn)處力與滑軌上力比值關(guān)系。

根據(jù)公式（1）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8），由不同的已知條件就可以對(duì)所需校核的參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。比如可以在同步器容量、離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)已知的條件下對(duì)同步時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，或是在同步時(shí)間設(shè)定、同步器容量已知的情況下對(duì)離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行優(yōu)化選擇[2]。

2 起步換擋性能改進(jìn)探討

基于以上對(duì)起步換擋過(guò)程中理論模型、相關(guān)計(jì)算公式的建立、分析，以及所需相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的梳理，針對(duì)客車設(shè)計(jì)的特殊性，分別就提升起步換檔性能的各個(gè)途徑進(jìn)行探討：

2.1 離合器從動(dòng)盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制

離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小對(duì)起步換檔性能影響較大。在已知變速器同步器參數(shù)以及變速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、齒數(shù)等條件下，可根據(jù)實(shí)際使用要求，設(shè)定一起步換檔時(shí)間t，如取1 s，然后對(duì)離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量限制進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合實(shí)際，對(duì)離合器從動(dòng)盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足系統(tǒng)對(duì)離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量限制要求。

例如以下兩種從動(dòng)盤結(jié)構(gòu)對(duì)比分析：

圖2 兩種結(jié)構(gòu)離合器從動(dòng)盤對(duì)比

離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制對(duì)換檔性能提升明顯，實(shí)際匹配時(shí)需重點(diǎn)注意，合理選型。

2.2 合理選擇變速器速比

在同步器容量等相關(guān)條件不變的情況下，變速器起步檔速比越大，起步換檔時(shí)所需的同步時(shí)間就越短，反之，則越長(zhǎng)。當(dāng)然還應(yīng)考慮變速器速比系列不同時(shí)，同步輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、同步器容量等也會(huì)發(fā)生變化，故實(shí)際校核時(shí)需綜合計(jì)算考慮。

優(yōu)選變速器速比系列，合理匹配整車傳動(dòng)比也是提升起步換檔性能的有效途徑。

2.3 同步器容量提升

同步器容量的提升對(duì)起步換檔性能的提升是最為直接有效的。客車所使用變速器基本都是基于卡車產(chǎn)品平臺(tái)變動(dòng)而來(lái)，而卡車變速器產(chǎn)品一般相對(duì)側(cè)重于可靠性、低成本的原則開發(fā)設(shè)計(jì)，換檔性能、噪音水平相比較的稍差。受變速器本身結(jié)構(gòu)尺寸的限制、同步器容量提升時(shí)相關(guān)開發(fā)成本、改進(jìn)后同步器、齒輪等的采購(gòu)、制造成本提高等條件的限制，對(duì)基于卡車平臺(tái)開發(fā)而來(lái)的變速器進(jìn)行同步器容量提升需要對(duì)原變速器平臺(tái)進(jìn)行比較大的改動(dòng)，開發(fā)周期長(zhǎng)并且代價(jià)大，但同時(shí)改進(jìn)后性能提升也是十分明顯的。

2.4 增加變操系統(tǒng)杠桿比

增加變速操縱器杠桿比、加長(zhǎng)變速器換擋搖臂等措施是在增加操縱行程的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)化到同步器上的軸向力，可以縮短同步時(shí)間。變操系統(tǒng)優(yōu)化是在犧牲行程基礎(chǔ)上減小換擋力、縮短換擋時(shí)間，進(jìn)行此項(xiàng)改進(jìn)時(shí)亦需系統(tǒng)考慮。

2.5 降低發(fā)動(dòng)機(jī)怠速

其他條件不變的情況下，起步換擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速高低對(duì)同步時(shí)間的影響也是線性關(guān)系，降低發(fā)動(dòng)機(jī)怠速也可有效的減少起步換擋同步時(shí)間。但是發(fā)動(dòng)機(jī)怠速高低受懸置系統(tǒng)固有頻率限制、發(fā)動(dòng)機(jī)附配件怠速時(shí)動(dòng)力性能要求等影響，調(diào)整范圍十分有限，可作為市場(chǎng)問(wèn)題服務(wù)參考方案[3]。

2.6 變速器本身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)變速器本身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低同步器輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。比如對(duì)齒輪、齒輪軸等零部件進(jìn)行CAE分析，結(jié)合實(shí)際進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)提升。基于目前國(guó)內(nèi)變速器廠家現(xiàn)狀，此項(xiàng)較難實(shí)現(xiàn)，非主要考慮方案。

綜上分析，在進(jìn)行起步換擋性能提升時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮減小離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，合理匹配變速操縱系統(tǒng)傳動(dòng)比，優(yōu)選變速器速比系列及整車傳動(dòng)系速比匹配，另外調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、提升同步器容量、優(yōu)化變速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是有效解決問(wèn)題的備選方案。

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)對(duì)此工況進(jìn)行了分析并提出具體改進(jìn)措施。只有滿足客戶實(shí)際使用需求的產(chǎn)品才會(huì)更具競(jìng)爭(zhēng)力，因此，后期產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)側(cè)重基于客戶實(shí)際需求的原則進(jìn)行匹配，這樣開發(fā)的產(chǎn)品才會(huì)更具生命力。