某手動變速器選換擋力優化分析

王志強，焦紅蓮，王濤，于堯

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

某手動變速器選換擋力優化分析

王志強，焦紅蓮，王濤，于堯

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

選換擋性能是汽車駕駛性能的重要組成部分，選換擋力是選換擋性能的重要指標。針對某乘用車變速器選擋力不對稱，換擋力大的問題進行優化分析。通過調整回位彈簧剛度解決選擋力不對稱的問題。對影響換擋力的因素進行深入分析，通過改變定位銷內彈簧的剛度、同步器彈簧的剛度、同步器滑塊斜面角度、各個摩擦面間的摩擦系數及改變與鋼球配合的凹槽的曲率半徑可實現換擋力優化。

變速器；選換擋性能；定位銷；彈簧剛度；換擋力

Abstract:Selecting shift performance is an important part of vehicle driving performance, Selecting shift force is an important index to select shift performance.According to the asymmetry of shifting force and shifting force in a passenger car transmission, the optimization analysis is carried out.By adjusting the spring stiffness of the return spring, the problem of asymmetry of the retaining force is solved.The factors that influence shift force are deeply analyzed, By changing the stiffness of the spring in the positioning pin、stiffness of synchronizer spring、synchronizer slider bevel angel、the coefficient of friction between each friction surface and the radius of curvature of the groove that matches the steel ball shift force optimization can be realized.

Keywords: Transmission; shift performance; dowel pin; spring stiffness; shifting force

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-182-03

引言

手動變速器有價格合理、燃料消耗低、傳動效率高、功率大、油耗小、結構簡單等明顯優點，在21世紀乃至以后仍然具有廣闊的市場空間。汽車的手動變速器選換擋性能不好，會降低駕駛員的駕駛樂趣，并且會使駕駛員感到疲勞。在不恰當的時候換擋，也會使汽車的油耗量增加。所以，提高手動變速箱換擋性能至關重要。

在裝有手動變速箱的車在城市區域行駛時，會不停地進行選擋及換擋動作，選擋力的左右對稱性是駕駛者對汽車的最直觀感受；換擋力的大小也是非常重要的指標，換擋力過大會增加駕駛員的勞動強度，還會使換擋操縱機構的各個零部件之間相互撞擊，加速磨損。同時，對于一些力氣較小的女駕駛員，過大的換擋力會導致駕駛過程中不能及時掛上擋位，這種情況對于整車駕駛是非常危險的。反之換擋力過小，駕駛員將無法感知換擋動作是否完成，駕駛樂趣會減少很多。本文針對某手動變速器選擋力不對稱，換擋力偏大的問題進行具體的優化分析，為選換擋力優化提供方向。

1 選擋力優化分析

針對某變速器彈簧回位結構進行分析，選擋力的大小和回位彈簧的剛度以及選擋行程的大小有關。左右兩根回位彈簧且彈簧剛度分別為k1和k2，則：

由式（1-1）可知，若想改變變速器的選擋力，可以從兩方面考慮：

（1）改變回位彈簧的剛度，由公式可看出，當 Sy不變時，k1和k2都增大，則選擋力增大；反之，選擋力減小。

（2）改變變速器的選擋行程，則：當k1和k2不變時，Sy增大，則選擋力增大；反之，選擋力減小。

由以上可知：可以通過改變回位彈簧的剛度以及選擋行程來控制變速器的選擋力，使其大小在15N±5N的范圍內。

本文在其他結構不變的條件下，主要調整回位彈簧剛度，來控制選擋力，1/2擋及5/R回位彈簧的主要參數及安裝參數由表1可知：

表1 回位彈簧的主要參數及安裝參數

選換擋桿重力為實測值：10N

圖1 優化前選擋力示意圖

由圖1可知：

則：1/2擋選擋力F=18.45N

5/R擋選擋力F=29.27N

1/2擋彈簧剛度由0.5修改至0.7之后：

圖2 優化后選擋力示意圖

由圖2計算可知：

1/2擋選擋力F=29.83N

5/R擋選擋力F=20.89N

由圖1、2及以上計算過程可見，1/2擋彈簧剛度由0.5修改至 0.7之后，兩邊選擋力趨于一致，可解決選擋力相差過大的問題，改進效果明顯。

在稍調杠桿比后，通過GSA系統測出部分擋位的在調整前后的選擋力的大小的數據，如圖3所示：

圖3 靜態選擋力測試結果對比

由圖3靜態選擋力測試結果對比可知：

（1）1/2和5/R的選擋力都有所減小，符合設計要求。

（2）減小選擋力的同時沒有影響到彈簧的自動回位特性。

2 換擋力優化分析

若想知道換擋力的具體數值大小，首先應對變速器內部撥叉軸進行受力分析，如下：

撥叉軸受力分析（將撥叉軸視為質點，未計入重力）如圖4所示。圖中，V 為撥叉軸的移動方向；F為外部連桿機構的作用力（選換擋產生的摩擦力所占比例較小，在此未計入）；P為定位銷的定位力；fp為撥叉軸和定位銷間的摩擦力；N1為殼體對撥叉軸的支持力；fN1為撥叉軸和殼體間的摩擦力；N2為軸承箱對撥叉軸的支持力；fN2為撥叉軸和軸承箱間的摩擦力；T為同步器產生的阻力。T、fp、fN1、fN2是靜態換擋階段換擋力的重要組成部分，其關系式如下：

式中，up、u為摩擦系數。

圖4 撥叉軸受力分析圖

同步器滑塊受力如圖5所示。圖中T cosα為同步器產生的阻力T的分量，α為同步器滑塊斜面角度；f為同步器齒套和同步器滑塊相對移動時的摩擦力（垂直方向分量所占比例較小，在此忽略）；Fk為同步器彈簧的彈力。且有：

圖5 同步器滑塊示意圖

由上述可知：在一擋至五擋的換擋過程中有：

由式（2-7）可知，換擋力的大小，主要跟定位銷的定位力P，同步器彈簧的彈力Fk、同步器滑塊斜面角度α以及各個摩擦面間的摩擦系數有關。如果想改變換擋力的大小，可以通過改變定位銷的定位力P、同步器彈簧的彈力Fk、同步器滑塊斜面角度α以及各個摩擦面間的摩擦力。若想減小換擋力，可以減少定位銷定位力P、同步器彈簧的彈力Fk和各個摩擦面間的摩擦系數，或者通過增加同步器滑塊斜面角度α；若想增加換擋力，則完全相反。

其中，定位銷的定位力的大小主要跟定位銷內彈簧的剛度成正比，同步器彈簧的彈力和同步器彈簧的剛度有關。而各個摩擦面間的摩擦系數則取決于各個摩擦面的材料，同步器滑塊斜面角度在設計時已經確定，但在長時間的使用下，會有一定的磨損，對換擋力有一定的影響。因此，我們可以通過改變以下變量來改變各個擋位的換擋力：

（1）改變定位銷內彈簧的剛度

（2）同步器彈簧的剛度

（3）同步器滑塊斜面角度

（4）各個摩擦面間的摩擦系數

（5）改變與鋼球配合的凹槽的曲率半徑

在倒擋時，在上面換擋力不變的狀態下，還需要克服倒擋惰輪產生的一些分力，所以若改變倒擋換擋力，可以改變上面的各個變量，同時，也可以改變倒擋惰輪產生的分力，使用質量較小，但強度和剛度等能滿足要求的其他材料的惰輪。

3 結論

通過上述分析，優化變速器選擋力對稱性可以通過調整回位彈簧剛度實現；調整變速器換擋力可以通過改變定位銷內彈簧的剛度、同步器彈簧的剛度、同步器滑塊斜面角度、各個摩擦面間的摩擦系數及改變與鋼球配合的凹槽的曲率半徑來實現。

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[4] 馮立.桑塔納轎車變速器換擋機構分析改進[D].上海汽車變速器有限公司.

The performance improvement of one passenger car transmission

Wang Zhiqiang, Jiao Honglian, Wang Tao, Yu Yao
( Technology Center, Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

U467 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-182-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.063

王志強，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。