一種提升手動變速器換擋“吸入感”的方法

巢鑫

摘要：本文通過對手動變速器換擋過程的詳細分析，分析得出了手動變速器換擋吸入感發生的最佳時機、以及換擋吸入感的來源。并通過理論分析，提出了通過改變換擋撥頭的“M”槽角度的方法來提高手動變速器換擋吸入感。

關鍵詞：換擋質量；同步器；M槽

1 緒言

隨著國民生活素質的提高，轎車在各個家庭越來越普及，顧客對整車選換擋性能的要求已經不僅限于操作的簡單和省力，而更加追求駕駛過程中操縱的精準和過程的享受。因此，本文提出了汽車換擋質量的概念。

所謂換擋質量是指在保證手動變速器傳動系統壽命的前提下，能夠快速而又精準且平穩舒適換擋的過程，其評價指標可分為舒適性、精確性、耐久性。舒適性主要是從駕駛者的主觀感覺來考慮，要求換擋過程輕便平順，不能使駕駛者產生疲勞的感覺。例如：換擋沖擊、換擋噪聲、換擋卡滯等。

2 手動變速器換擋過程

手動變速器的選換擋機構的零部件主要包括：撥叉軸、撥塊、撥叉、互鎖機構、自鎖機構、操縱蓋總成等。

該變速器換檔的主要過程是：通過換擋軸的軸向移動壓縮彈簧，使換擋頭移動到不同檔位的撥塊叉口，實現目標擋位的選擇；換擋的主要過程是：當目標擋位選擇到位時，通過選擋軸的旋轉運動，帶動換擋撥頭轉動，克服換擋阻力，使換擋軸撥動撥塊，由于撥塊、撥叉軸和撥叉之間為剛性連接，使撥叉帶動同步器齒套沿軸向移動，直到同步器工作，實現換擋目地。

3 換擋吸入感的發生時機

從以上換擋過程的分析可知，換擋是一系列零部件的順序動作，換擋“吸入感”并不是貫穿整個換擋過程。下面對某一單錐滑塊式同步器的換擋過程進行分解，確定換擋“吸入感”發生的最佳時機。

整個換擋過程可以分為以下幾個階段：

3.1 預同步階段

這個階段從同步器開始動作到摩擦副面開始接觸為止。開始時齒套與滑塊一起運動，當位移達到滑塊端隙時，滑塊與同步環開始接觸。同時，換擋定位套筒從最低點開始沿換擋頭“M”槽向上爬行。

3.2 同步階段

在這個階段，由于摩擦錐面存在相對運動，從而產生同步力矩Ms。另一方面。鎖止面上的作用力對同步環形成撥環力矩Mt。在同步力矩Ms的作用下，經過同步時間，被嚙合齒輪與同步環達到同步，同步過程結束。同時，選換擋定位套筒繼續沿換擋頭“M”槽向上爬行，并越過“M”槽最高點。

3.3 同步中斷階段

當被同步齒輪與同步環到達同步，不存在轉速差，由于齒套和同步鎖環之間仍有接觸，撥環力矩Mt使同步環連同被同步齒輪一起相對于齒套運動，由此造成齒套與被同步齒輪之間產生新的不同步轉動。當齒套和同步環相對轉過一個角度后，齒套和同步環的鎖止分離，進入自由滑移階段。與此同時，選換擋定位套筒沿換擋頭“M”槽開始下滑。

3.4 自由滑移階段

齒套和同步環鎖止分離，與接合齒接合之前，齒套通過該階段無任何阻礙，故稱自由滑移階段。同時，選換擋定位套筒沿換擋頭“M”槽迅速下滑，在定位套筒彈簧力的作用下，使操作手柄上有明顯的自動吸入的感覺，即換擋的“吸入感”。此階段即是發生換擋“吸入感”的最佳時機。

3.5 完全結合階段

齒套與接合齒完全接合，檔位鎖止產生。此時即真正完成了換擋。

4 分析計算過程

根據以上分析可得，選換擋定位套筒和換擋頭對換擋吸入感的產生起著重要的作用。需要對兩者進行詳細分析。

4.1 選換擋定位套筒的主要功能

1）空擋時，選換擋定位套筒處于換擋槽“M”槽的底部，起到精確定位的作用；

2）換擋時，起到增強換擋手感的作用。

4.2 換擋撥頭的作用

換擋撥頭與選換擋定位套筒相互作用的部分在“M”槽，形狀如下圖所示。在換擋過程中，可以看作是選換擋定位套筒的鋼球沿著“M”槽爬行，并且爬行可以分為兩個階段：

1）從“M”槽底部沿斜面向上爬行；

2）沿“M”槽斜面下滑。

結合換擋過程的幾個階段可以發現：

1）如果當齒套進入自由滑移階段，選換擋定位套筒的鋼球處于沿“M”槽斜面下滑時，換擋吸入感將會有明顯提升。

2）如果換擋撥頭夾角變小，換擋吸入感將會明顯增加。故將換擋撥頭“M”槽夾角改變前后的狀態進行分析計算。

4.3 分析過程

換擋吸入感的感覺產生于進檔速度的快慢，當人手施加的力一樣時，鋼球移動的快慢決定吸入感的良好程度。故需要將換擋撥頭在換擋過程中鋼球行進速度的變化計算出來，對換擋吸入感進行量化比較。通過對選換擋定位套筒彈簧進行位移分析，即可得到選換擋定位套筒鋼球的位移情況，也就得到了換擋撥頭轉動速度。

4.4 計算過程

本文以第二階段即沿“M”槽斜面下滑階段為例，進行計算說明。如下圖所示所示，隨著鋼球的位移，彈簧也將隨之發生變形。所以，只要知道了彈簧變形的快慢，就可以知道吸入感產生的強烈程度。

4.5 計算結果

通過上表中的關系式，將彈簧變化量x的計算式編入EXCEL表中計算，可以得出整個換擋過程中，換擋頭旋轉角度和彈簧變化量x的曲線，將兩種狀態的換擋頭的“M”槽曲線進行比較。

對于換擋頭不同的“M”槽夾角，可以得出不同的彈簧變化量曲線，尤其在下滑階段，狀態2的彈簧變化量比狀態1的變化量大。換擋“吸入感”是以換擋的某一過程中換擋力的變化對應行程變化的比值，即直線的斜率來評價。斜率越大，說明換擋力的變化劇烈，換擋吸入感就會越明顯。下圖中轉過同樣的角度，狀態1的X變化量為2mm，狀態2的變化量為3.5mm，根據F=kx，可算出狀態2的力變化量更大，吸入感更強。

5 結論

在換擋過程中，通過對彈簧變形量的計算，將原來由乘員主觀感覺進行判斷的換擋吸入感進行量化，提出了改變換擋撥頭“M”槽的形狀以提高手動機械式換擋吸入感的方法。結果表明：換擋頭“M”槽的夾角由狀態1更改為狀態2后，大大增加了手柄球的換擋“吸入感”。即此方法得到了驗證。

參考文獻：

[1]陳家瑞 汽車構造（第五版 下冊）

[2]哈爾濱工業大學理論力學教研室 理論力學（第六版）