某手動變速器動態二次沖擊的分析及優化

王 偉

（上海汽車變速器有限公司，上海 201807）

引言

隨著國內乘用車的普及，用戶對車輛操縱性能的感知質量要求不斷提升。手動變速器換擋性能作為駕駛員最直接的感知質量，在國內變速器開發過程中，越來越受到關注。優秀的換擋性能不僅是變速器廠商開發變速器能力的一個重要指標，也是主機廠評估變速器的優秀與否重要參數。許多跨國整車企業及變速器廠經歷了長期的經驗及積累，已具備完整的換擋性能開發和評價能力，而對于中國自主開發的變速器，如何提升換擋性能具有重要的現實意義[1,2]，文獻[1]列出了采用GSA測試手動變速器換擋性能主觀和客觀評價指標，為提升換擋性能提供數據支持，但文獻并沒有提出改善換擋性能方法，文獻[2]列出了改善手動變速器靜態換擋性能方法，但未提出改善二次沖擊的方案。文獻[3,4]分析了換擋沖量的理論計算，但未對二次沖擊原因進行探討，文獻[5]采用偏梅角的方案改善了手動變速器二次沖擊，雖然偏梅角方案對減小二次沖擊具有較大的改善，但偏梅角會減小同步器倒錐接觸長度，在軸向空間緊湊的同步器系統中不易實現。本文在保證倒錐接觸長度不減小的基礎上，通過減小同步器齒厚和模數可減小變速器的二次沖擊，并再次通過主客觀測試評估，驗證了改進方案的合理性及有效性。

1 變速器二次沖擊問題解析

某手動變速器是我司開發的一款扭矩橫置6速手動變速器，但在設計開發階段，客戶抱怨變速器動態換擋性能方面存在2升3存在 “二次沖擊”等問題，而靜態換擋手感和動態換擋沖量良好。同時，我司針對客戶提出的問題進行了客觀GSA測試，并結合某對標變速器GSA測試報告，客觀復現了客戶抱怨的換擋性能問題。

表1

圖1為此手動變速器與對標變速器換擋沖量對比圖，從圖1可知，此手動變速器各檔位換擋沖量與對標變速器換擋沖量接近，因此無需優化。

圖1 換擋沖量對比分析

圖2為此手動變速器與對標變速器變速器的2-3-2動態換擋性能對比，從圖2可知，此手動變速器2-3存在明顯的二次沖擊，且平均二次沖擊力、二次沖擊力比及大于50%二次沖擊力頻次均大于對標變速器，與主觀評估一致，性能表現較差，需要優化。

圖2 2-3-2動態換擋性能測試

總之，通過上述客觀數據分析，此手動變速器動態換擋性能需要優化的是：減小二次沖擊力比及大于50%二次沖擊力頻次。

表2

2 減小二次沖擊的理論分析

二次沖擊產生的原因：當同步器系統同步結束后，由于拖曳力矩Mv作用，齒套與結合齒產生一新角速度差Δw，造成齒套與結合齒嚙合過程中鎖止面之間發生碰撞，產生二次沖擊現象。同時，在齒套與結合齒鎖止面碰撞時，作用在齒套二次沖擊力f會產生一撥環力F1來為實現齒套、結合齒角速度一致，進而實現嚙合。

圖3為此變速器動態2升3檔同步器系統嚙合過程示意圖，從圖4可知，當同步器系統位于同步階段時，齒套角速度w1、同步環角速度w2、結合齒角速度w3一致。在撥環階段時，齒套需行進一段撥環行程 s1，由于拖曳力矩 Mv和撥環力矩Mb作用，導致齒套角速度w1減小，并小于結合齒角速度w3，即產生一角速度差Δw1。在自由滑行階段（齒套、結合齒梅角鼻梁徑軸向距離為零時為自由滑行結束位置），齒套需行進一段自由滑行行程 s2，此時由于拖曳力矩 Mv作用，導致齒套角速度 w1再次減小，即再次產生一角速度差Δw2。在二次沖擊前階段，由于拖曳力矩Mv作用，齒套仍可能行進一段行程S3（S3min=0，S3max=齒套梅角深度L1+結合齒梅角深度 L2），導致齒套角速度 w1進一步減小，即再次產生角速度差Δw3。公式1、2、3分別是撥環、自由滑行、二次沖擊前階段齒套減小的角速度計算公式。

式中，v1、v2、v3分別是撥環階段、自由滑行階段、二次沖擊前階段，齒套進檔平均速度，因此二次沖擊前齒套、結合齒總角速度差Δw是：

在圖3中，當齒套、結合齒鎖止面碰撞時，會出現A、B兩種碰撞方式，其中A碰撞（見圖3示意），由于拖曳力矩Mv與撥環方向相反，導致作用于齒套二次沖擊平均力f較大，而B碰撞（見圖4示意），由于拖曳力矩Mv與撥環方向相同，導致作用于齒套二次沖擊平均力f較小，見公式5、6。

因此多次測試下作用于齒套二次沖擊平均力f

式（5）、（6）、（7）中，β為結合齒一半鎖止角角度，R2為鎖止面平均半徑，ξ1為多次測試下發生A碰撞的概率，ξ2為多次測試下發生B碰撞的概率。

根據公式（3）-（8），二次沖擊與拖曳力矩、撥環行程、自由滑行行程，齒套、結合齒鎖止角深度、結合齒鎖止角角度、A碰撞的概率等有關。其中減小撥環、自由滑行行程、減小 A碰撞的結合齒鎖止角深度及角度是簡單、方便方法,即優化方案是：在不改變同步環同步容量的基礎，將3檔同步器系統模數和齒厚由大模數、大齒厚改為小模數、小齒厚，即由原先的2調整為1.75，同步環齒厚由3.642-3.747調整為 2.299-2.404，此改善可減小撥環行程及結合齒梅角角度及深度等，表3、表4分別為優化前后同步器系統參數對比及性能參數對比。

圖3 2-3動態換擋過程圖

表3 優化前后同步器系統參數對比表

表4 2-3檔優化方案前后性能參數對比表

根據表3、4所示，撥環行程S1減小了43.2%，S3max減小了22.1%，進而降低了平均二次沖擊力及力比。

3 試驗測試驗證

為了驗證上述方案的有效性，在同一臺整車基礎上，對優化前后變速器進行了主觀評估和客觀GSA測試。通過主觀評估發現： 2升3檔二次沖擊及大于50%二次沖擊頻次顯著下降。

表5為優化前后二次沖擊對比分析表，圖4為優化前后動態換擋性能GSA測試。

表5 優化前后二次沖擊對比分析表

由表5、圖4可知，優化后的2-3檔二次沖力力比降低了70.6%，大于50%二次沖擊頻率降低了76.3%，與對標變速器接近，因此優化后變速器與對標變速器二次沖擊接近，說明優化方案可行。

圖4 優化后動態換擋GSA測試

4 結論

1）通過GSA測試客觀復現了客戶抱怨的動態換擋性能問題，為換擋性能優化提供分析基礎。

2）在二次沖擊理論分析，較全面地分析了二次沖擊影響因子，并推導出二次沖擊平均力計算公式。

3）列出了提升動態換擋性能優化方案--即同步器系統由大模數大齒厚改為小模數小齒厚，通過GSA測試對優化前后換擋性能指標進行對比分析，試驗表明，優化方案對換擋性能改善取得顯著效果，解決了客戶抱怨，滿足了設計要求。