手動變速器2～3斜線換擋淺析

許紅丹

（常州鐵道高等職業技術學校，江蘇 常州 213011）

1 問題分析

如圖1所示，A→D為斜線換擋，在進行2擋到3擋急速斜線換擋的時候，變速箱內部選擋回復機構響應時間不夠，操縱桿出現卡滯現象從而降低換擋速度，影響整個變速箱的換擋品質。

A→B→C→D為折線換擋，2擋先退到空擋，接著在空擋狀態下回到3、4擋位置，最后進三擋，變速箱內部選擋回復機構有足夠的響應時間，換擋過程順暢但整體速度較慢。

圖1 斜線換擋、折線換擋示意圖

2 方案解決

操縱桿通過一套拉索機構與變速箱內部的選換擋機構連接，操縱桿工作時其實是控制變速箱選換擋機構的運動，其中選換擋凸輪的運動在很大程度上決定了變速箱的選換擋品質。操縱桿與選換擋凸輪在結構上都有一個“王”字形的運動軌道，要保證換擋過程流暢，必須使操縱桿和凸輪的運動保持同步，如圖2所示。

圖2 操縱桿與選換擋凸輪運動軌跡

A→B→C→D：折線換擋操縱桿軌跡 a→b→c→d：折線換擋選換擋限位銷相對凸輪運動軌跡

A→D：斜線換擋操縱桿軌跡 a→d：斜線換擋選換擋限位銷相對凸輪運動軌跡

綜合所有用戶操作習慣相對于本文而言存在以下三種情況：

（1）折線換擋：操縱桿運動軌跡為A→B→C→D，操作桿帶動凸輪運動，選換擋限位銷相對凸輪的運動軌跡為a→b→c→d，操縱桿與凸輪的運動保持同步，換擋過程無異常發生，如圖2。

（2）低速斜線換擋：操縱桿運動軌跡為A→D，選換擋限位銷相對凸輪的運動軌跡為a→d，此時操縱桿與凸輪的運動也能保持同步，換擋過程無異常發生，如圖2。

（3）急速斜線換擋：換擋速度過快，凸輪的響應時間不夠，其運動滯后于操縱桿，操縱桿從A點運動到B點時，選換擋限位銷相對凸輪的運動軌跡為a→b，選換擋限位銷在b點與凸輪“王”字槽邊緣發生碰撞，于是出現了換擋卡滯現象，如圖3所示。

圖3 急速斜線換擋

總結以上3種情況得出以下結果：無論是折線換擋還是低速斜線換擋，選換擋定位套筒提供給凸輪的力都有足夠的作用時間，使凸輪產生與操縱桿近似同步的運動；急速斜線換擋時，選換擋定位套筒提供給凸輪的力雖然與以上的兩種情況大小一樣，但是作用時間大大小于以上兩種情況，導致凸輪還沒運動在指定位置時，選換擋限位銷已經運動到位，圖3中的b點（而非B點），產生干涉。

綜合以上分析，產生干涉的主要原因有兩點：回復力偏小；作用時間太短。對于變速箱而言，能調整的只有回復力的大小，作用時間取決于用戶手速的快慢。而回復力的大小直接決定了凸輪的響應時間，也就是回復力越大，凸輪在其作用下得到的加速度越大，運動更快，回復時間越短，產生干涉的幾率越低。

下面我們來分析回復力的具體數據，在本項目操作機構中，選換擋定位套筒為凸輪提供回位力FR，如圖4所示。

圖4 凸輪回復力示意圖

其中：F—套筒彈簧力，F=k(x0+x)，對于本項目使用的套筒，彈簧剛度k=10N/mm,鋼球位于1/2擋時F=118N；

N—套筒鋼球作用在凸輪斜面上的法向壓力，N=Fcosα=118×cos12.5°=115.2N；

f1—套筒鋼球與凸輪斜面之間的滾動摩擦力，f1=μN,μ 為滾動摩擦系數，μ=0.01，f1=0.01x115.2=1.152N；

f2—選換擋軸受到的軸承摩擦力，f2=Fμ=118×0.01=1.18N；

f3—選換擋軸受到的油封摩擦力，f3=πdF0，d為選換擋軸直徑16mm，F0為軸圓周單位長度的摩擦力，這里取較大值0.5N/cm，則f3=3.14×1.6×0.5=2.512N；

G—選換擋軸總成重力，G=mg=1.35×9.8=13.23 N。

凸輪受到的回復力FR為：FR=Nsinα-f1cosα-f2f3-G=115.2×sin12.5°-1.152×cos12.5°-1.18-2.512-13.23=6.89N

以上計算顯示，式中f1、f2、和f3的大小已經取為最大值，回復力依然可以克服系統重力使凸輪回位，所以還是作用時間太短引起的卡滯，與本文之前的理論推測一致。基于前文分析，要克服急速斜線換擋時產生的卡滯現象就需要將凸輪回復力FR調大。

通過加大圖4中α的角度，套筒壓縮量加大，對凸輪的壓力F加大，同時該壓力F經過斜面作用對凸輪產生的在豎直方向上的分力也將變大。

現今，將α增大至16°，則F增大至122N，代入以上公式，得FR’=14.24N

理論計算所得，將α調至16°，定位套筒在1/2擋位置對凸輪產生的回復力將提高一倍多，大大提高凸輪的回位速度，很大程度上解決了急速斜線換擋卡滯的現象。

3 效果驗證

通過零件試制，α為16°的凸輪在整車試驗和后續裝車上表現良好，急速斜線換擋再也無卡滯現象產生。