基于尺寸鏈和運動學分析的手動變速器換擋機構結構改進研究

陳穎宇 李 強 何耀華 韋 煒

（武漢理工大學汽車工程學院1） 武漢 430000） （上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心2） 柳州 545000）

近年來，汽車手動變速器仍以效率高、油耗低、生產維修成本低，技術成熟度高，駕駛娛樂性好等優勢持續占領著較大市場份額［1］.隨著人們對舒適性的追求越來越高，換擋操縱性能已經成為各大汽車變速器生產廠商竭力改善的一個重要方面.然而，據眾多用戶反應，機械式手動變速器在換擋性能方面仍表現欠佳，常見的問題主要是擋位不清晰、換擋卡滯、無法換擋及換擋力偏大等問題［2－3］.本文以某微型汽車5檔變速器為對象，開展變速器操縱機構的研究對于換擋性能影響的分析研究，顯得尤為重要.

1 操縱機構的結構原理

為了最大限度地滿足汽車總體布置上的需要，目前手動機械式變速器的操縱機構大多采用了拉索式結構，即外部操縱機構的運動通過拉索傳給內部操縱機，見圖1.

圖1 變速器操縱機構結構簡圖

外部操縱機構由換擋桿鉚合件、底座焊合件、連動板組件、滑套、扭簧等構成，見圖2.

圖2 外部操縱機構結構簡圖

內部操縱機構包括操縱器蓋、選擋搖臂、選擋撥頭、換擋搖臂、換擋撥頭、撥叉軸、撥塊、自鎖、互鎖和安全裝置等，見圖3.駕駛員撥動變速桿左右運動時，變速桿的下端帶動選擋拉索中的軟軸在套管中實現推、拉運動.選擋搖臂1在拉索軟軸的作用下壓縮操縱器蓋3中的回位彈簧，使卡在換擋撥頭4槽中的選擋撥頭14做橫向運動，換擋撥頭在3個撥塊槽中進行橫向選擋，這一過程即為選擋；空擋時撥頭被回位彈簧限定在3，4擋撥塊槽5中.當換擋撥頭到達所選定擋位的撥塊槽中部時，駕駛員向前、后方向推動變速桿，換擋拉索軟軸帶動換擋撥頭推動撥塊移動，使得撥叉帶著同步器接合套與待結合齒嚙合，實現換擋.由此可見，駕駛員的換擋過程應該是：先選擋（推動變速桿左、右運動）再進擋（推動變速桿前、后運動），變速桿的運動軌跡是一個“王”字形.

圖3 變速器內部操縱機構結構原理圖

2 換擋性能欠佳的原因分析

通常，變速器的換擋性能要從靜態換擋性能和動態換擋性能兩方面考量.若變速操縱機構存在設計缺陷，即便是選用性能最優的同步器，汽車在使用過程中不可避免會表現為換擋性能不佳.因此設計人員應當對反映靜態換擋性能優劣的變速操縱機構予以足夠的重視.

本研究的5檔手動變速器經常發生換擋卡滯致無法換擋，當發生卡滯時保持選換擋搖臂不動，把拉索與搖臂脫離聯接，拆開操縱器蓋發現換擋撥頭與撥塊處于運動卡滯狀態.經多次試驗，撥頭和撥塊發生運動干涉時出于以下2種情形：選擋操作時，撥頭端面與某個撥塊端面相碰，阻礙撥頭的運動，即導致選擋卡滯；換擋操作時，撥頭還處在兩個不同擋位的撥塊之間，由于互鎖機構的作用，便發生換擋卡滯，見圖4.

圖4 換擋撥塊與換擋撥頭運動干涉圖

3 撥頭與撥塊槽尺寸的改進設計

為了保證撥頭在撥塊槽內迅速無阻滯地運動，撥頭與撥塊槽間不應發生運動干涉.原操縱機構中換擋撥頭是厚度為6mm、直徑mm 的球面.與之配合的撥塊槽寬度為mm，平均分配到兩側的間隙為0.1mm.由于撥頭的加工難度明顯高于撥塊槽的加工難度，且一個撥頭需要同時與3個撥塊間隙配合，所以應以撥頭為基準，適當調整撥塊槽的尺寸，合理分配撥頭與撥塊槽間隙.

3.1 變速操縱機構尺寸鏈的分析與計算

在機械裝配或零件加工中，相連的尺寸形成的封閉尺寸組，稱為尺寸鏈.尺寸鏈由環組成，即尺寸鏈中涉及到的所有尺寸或位置公差.根據獲得的途徑不同，環分為組成環和封閉環.組成環是設計或加工中直接得到的尺寸或公差，封閉環即精度要求，通過組成環間接保證.

正確地建立尺寸鏈，是進行尺寸、公差設計和校核的基礎，也是保證裝配精度的基礎.建立尺寸鏈的依據是裝配精度，即以裝配精度作為封閉環，能夠直接影響到裝配精度的所有零件尺寸、形位公差均為組成環［4－5］.

在裝配精度要求一定的情況下，為了降低加工難度，希望組成環的公差大一些，則尺寸鏈中組成環的數目越少越好，這就是尺寸鏈最短原則.封閉環公差一定，組成環的數目越少，組成環的平均公差就較大，加工較為容易，成本亦較低；同理，組成環公差一定，尺寸鏈中組成環的數目越少，得到的封閉環的公差也就越少，裝配精度就越高.

構建變速器內部操縱機構的尺寸鏈時，除了應遵循尺寸鏈最短原則外，還需保證“三心對齊”原則.本變速器的“三心對齊”，即撥叉指端圓弧與同步器齒套圓同心；在空擋位置，自鎖球球心與撥叉軸空擋自鎖槽中心在豎直方向同軸（由自鎖槽和自鎖球的形狀公差保證），以確定撥塊、撥叉的初始位置；在空擋位置，必須保證撥叉軸上的撥塊槽中心和換擋搖臂軸中心對齊，并保證外部操縱機構與內部操縱機構的行程相匹配.

圖5是撥塊與撥頭相對位置剖視圖，假設空擋位置換擋撥頭軸線豎直向下，撥頭處于撥塊中心.撥塊與選擋搖臂中心的偏移量作為封閉環，沿著換擋搖臂中心→變速器殼體端面→自鎖孔→自鎖槽→撥塊定位銷→撥塊作用面→撥塊槽中心線建立尺寸鏈.“三心對齊”原則中自鎖球與自鎖槽中心對齊，此時自鎖球與自鎖孔的同軸度誤差、自鎖球與自鎖槽同軸度誤差可以忽略不計.

以1，2擋為例，建立尺寸鏈，計算并驗證當前裝配精度下撥頭與撥塊運動的初始位置是否影響撥頭與撥塊的平順運動，并由最短尺寸鏈原則確定出以撥塊槽中心線與換擋搖臂中心線的偏差為封閉環，見圖6.

圖5 撥塊與撥頭相對位置剖視圖

圖6 1，2擋撥塊與換擋搖臂位置尺寸鏈

封閉環A0基本尺寸為

式中：TAi為組成環的公差帶.

中心偏差ΔA0為

封閉環的極限上偏差ESA0和極限下偏差EXA0為

1，2擋撥塊槽中心線相對于換擋搖臂軸線偏向自鎖槽方向的最大偏移量為0.192 7mm，反向的最大偏移量為0.142 7mm.同理計算出3，4擋和5倒擋撥塊槽中心線與選擋搖臂軸線的位置偏差，以換擋搖臂軸線為中心，設撥塊向自鎖槽方向運動為“＋”，則3個撥塊槽中心線的偏移量和偏移方向見圖7.

5個前進擋和倒擋裝配后可能達到的極限偏差均大于撥頭與撥塊的單側間隙0.1mm.導致在極限裝配位置下，撥頭已不能在撥塊槽中進行自由地橫向選擋.所以該間隙的基本尺寸設計不符合裝配偏差的要求.

圖7 撥塊槽中心線的偏移量和偏移方向

根據尺寸鏈分析，換擋撥頭處預留間隙的基本尺寸不應小于3個撥塊間初始位置可能的最大偏移量，為了完全排除由撥塊、撥頭、搖臂軸初始裝配位置引起的換擋卡滯問題，考慮2個方向的最大偏移量，撥頭與撥塊槽間隙的基本尺寸至少應為0.192 7＋0.142 7＝0.34mm，取0.4mm.由于撥塊槽形狀對稱，以撥塊槽中心軸線為基準向兩邊各留0.2mm的間隙即可.

在撥頭與撥塊槽相對運動過程中，兩者間隙的調整不僅可以從尺寸鏈的角度解決，還可以參考變速桿空行程、選擋時撥頭在拉索牽動作用下的運動、以及駕駛員習慣性斜向選擋等因素［6］.

3.2 撥塊槽倒角的確定

調整了撥頭與撥塊槽的間隙之后，還要考慮實際操作帶來的影響.換擋過程中，如果撥頭未能選擋到位便進行換擋，即不足選擋；選擋過程中，如果變速桿的運動與理想選擋方向成一定角度，即斜向換擋.此時撥頭在進行選擋運動的同時，會在換擋方向上產生位移，撥頭的運動將被撥塊阻礙而無法換擋，見圖8［7］.

圖8 撥頭與撥塊運動干涉圖

為了解決實際操作中可能出現的卡滯情況，應對發生運動干涉的位置添加倒角.以上述撥頭與撥塊槽間隙調整后的尺寸為基礎，在撥塊槽上增設倒角.

根據換擋過程中撥頭的運動學規律設計倒角.具體如下：在1擋方向撥塊上增設倒角θ，在3，4擋撥塊上增設倒角λ和δ，倒擋方向撥塊上增設倒角ω，倒角分布見圖9.δ角為選2擋發生選擋不足留出空間；λ角為選5擋發生選擋不足留出空間，并為退5擋的撥頭運動起導向作用，有利于撥頭回空擋位置；同理，θ和ω角分別為進3檔和4檔時撥頭的偏離預留空間.對選1擋和倒擋的情況，如果在3，4擋撥塊上加工上述大倒角，將使得3，4擋撥塊與撥頭的接觸面積過小，影響3，4擋的換擋品質；且掛1擋和倒擋多在低速進行，選擋準確性相對較高.因此不做類似的大倒角，借助小倒角避免實際操作中可能出現的問題.

圖9 各擋撥塊槽倒角布置示意圖

為便于問題描述和分析，把空擋時撥頭與撥塊槽的間隙稱為撥頭間隙，相鄰撥塊間距稱為通道間隙.本研究的變速器選擋行程由通道間隙0.8mm和撥塊厚度L撥塊6mm組成，共6.8mm，見圖10.

圖10 撥頭與撥塊間隙示意圖

由圖10可知，撥頭在選擋方向運動0.8mm便開始進入所選擋位的撥塊槽；運動3mm時，撥頭厚度中線所在面（以下簡稱撥頭最長直徑面）離開3，4擋撥塊槽；運動3.8mm時，撥頭最長直徑面進入所選擋位撥塊槽；運動6mm時，撥頭可完全越過3，4擋撥塊；運動6.8mm時，撥頭完全進入所選擋位撥塊槽內.若撥頭的選擋行程大于或者等于6mm時，撥頭即可在完全越過3，4擋撥塊的情況下順利換擋；如果選擋行程不足6mm便開始換擋，撥頭運動就會被撥塊阻擋而無法換擋.在撥頭完全選擋到位前，3mm和3.8mm選擋行程是兩個臨界點.分別以這2個點作為撥頭的選擋結束、換擋開始點，借助運動學仿真軟件Adams，模擬小角度斜向選擋同時選擋不足的運動過程，尋找撥頭、撥塊產生運動干涉的位置［8］.

在Adams仿真模型中，以撥頭中心O為參考點，x向為選定方向，y向為換擋方向.分析撥頭的仿真運動軌跡時，依次提取如下兩個關鍵點：A點為撥頭上弧線中點（即撥頭最長直徑面上的點），其初始位置坐標為（0，6）.B點為運動干涉的結束點（撥頭最短直徑球面上的點），其初始位置坐標為（3，5.196），見圖11.

圖11 撥頭運動關鍵點分布

完成了運動學仿真后提取出A點和B點的軌跡見圖12、圖13.

圖12 撥頭上A、B點運動軌跡（mm）

A 點運動到點（－2.286，6.2）時，撥頭與撥塊開始接觸.B 點運動到點（－3，8.7）的位置時，撥頭剛越過三四擋撥塊，干涉運動結束.此時，撥頭與撥塊槽端面相距為8.7－6.2＝2.5mm.依據這兩點做出撥塊倒角，見圖13.

圖13 3mm處換擋需要的三擋撥塊倒角

由上述仿真結果分析計算得，

以同樣的方式仿真驗證撥頭在選擋方向運動3.8mm開始換擋的情形，并將所得16°倒角帶入其它擋位進行驗證.驗證結果表明，其他擋位所需的倒角均略小于16°，從而確定出該擋位撥塊上應倒的角度，同理可確定出其他各擋位的倒角.

綜上所述，為了保證斜向選擋同時選擋不足的情況下仍能順利換擋，需在撥頭上添加4個大小相等的倒角，λ＝δ＝θ＝ω＝16°，其余尖角及大倒角處做45°的小倒角起去毛刺的作用，保證選換擋平順.

4 方案驗證

用英國里卡多公司的一套換擋性能測試系統設備 GSQA（gear shift quality assessment system）實時測量換擋力與時間的關系.該設備包括測試主機、數據采集卡、扭轉傳感器、位置傳感器、固定支架等.

換擋桿上安裝位置傳感器和轉矩傳感器，采集換擋桿的位移和力，傳感器測量到的數據經電纜傳輸到采集卡中進行數據預處理，再由主機測試軟件對預處理后的數據進行計算處理，得到本次測試所需的換擋桿在前后左右平面內的運動路徑.改進后斜向換擋的路徑更清晰平滑、一致性好，所以換擋平順性較原方案好.此外，經公司測試團隊對卡滯性能的主觀評價表示，原先的明顯選換檔卡滯感消失，相對原車有很大改善，尤其是選擋方向上的順暢性效果明顯.

5 結束語

基于改進成本的限制，在不改變變速器結構的前提下，通過尺寸鏈計算，找到選擋卡滯的原因是撥頭、撥塊的裝配位置偏差.從而確定了撥頭與撥塊槽間應留有的最小間隙.隨著該間隙的調整，撥塊槽上的倒角也給出了新的設計值.經零件試制裝車和專業試車人員對方案的主、客觀測試評價結果證實，該方案的確在一定程度上改善了換擋平順性.為同類手動變速器的研究設計和改進工作提供參考.

［1］徐海山.汽車用手動變速器發展趨勢［J］.現代零部件，2014（4）：55－58.

［2］崔傳寶.機械式變速器換擋性能評價方法的初步研究［D］.長春：吉林大學，2011.

［3］張曉宏.基于虛擬樣機技術的手動變速器換擋機構性能研究［D］.贛州：江西理工大學，2012.

［4］王寶璽，賈慶祥.汽車制造工藝學［M］.3版.北京：機械工業出版社，2007.

［5］孫玉芹，袁夫彩.機械精度設計基礎［M］.北京：科學出版社，2007.

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［7］李昌炎，鄭華冰.關于一種縱置變速器的靜態選換檔性能的優化［J］.裝備制造技術，2014（3）：55－58.

［8］王 歡.手動變速器操縱機構的仿真研究［D］.武漢：武漢理工大學，2014.