乘用車變速器動(dòng)態(tài)換擋性能提升的改進(jìn)策略

王偉

(上海汽車變速器有限公司，上海 201807)

0 引言

隨著國內(nèi)乘用車的普及，手動(dòng)變速器換擋性能作為感知屬性在其開發(fā)中越來越受到關(guān)注，因此提升手動(dòng)變速器的換擋性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。文獻(xiàn)[1]中列出了手動(dòng)變速器換擋性能主觀和客觀評(píng)價(jià)方法，為換擋性能改善提供了分析方法，但并沒有提出換擋性能提升具體改進(jìn)方案。文獻(xiàn)[2]中列出了改善手動(dòng)變速器靜態(tài)換擋性能方法，文獻(xiàn)[3-5]中列出換擋沖量的計(jì)算公式，但未提出針對(duì)性改進(jìn)措施。文獻(xiàn)[6]中提出二次沖擊的一種改進(jìn)方案，但對(duì)二次沖擊缺少理論性分析和其他改進(jìn)措施。本文作者針對(duì)某乘用車手動(dòng)變速器常有的動(dòng)態(tài)換擋性能問題，如換擋“力重”、換擋手感“偏硬”、“二次沖擊”、“尾端卡滯”等，提出了改進(jìn)優(yōu)化策略，并通過主客觀測試評(píng)估，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性及有效性。

1 換擋“力重”改進(jìn)策略

某手動(dòng)變速器是某司開發(fā)的一款扭矩橫置6速280 N·m手動(dòng)變速器，但在整車測試中，客戶反饋此變速器在2擋退1擋時(shí)存在換擋“力重”、難于掛1擋現(xiàn)象。該司針對(duì)客戶提出的問題進(jìn)行了GSA測試，并客觀復(fù)現(xiàn)了客戶抱怨的換擋性能問題。圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)為1 500 r/min動(dòng)態(tài)2擋退1擋時(shí)GSA測試圖。

通過主客觀對(duì)比測試可知，主觀評(píng)價(jià)的換擋“力重”問題若轉(zhuǎn)化為GSA客觀評(píng)價(jià)，即同步?jīng)_量和換擋力過大，根據(jù)文獻(xiàn)[3-5],可推導(dǎo)出同步?jīng)_量I和換擋力F的計(jì)算公式。

(1)

式中:k為錐面?zhèn)€數(shù);μ為同步環(huán)錐面動(dòng)摩擦因數(shù);Rc為摩擦錐面平均半徑(m);φ為摩擦錐面角(°);ω為變速器輸入端轉(zhuǎn)速(rad/s);iiy為變速器輸入軸至y擋同步器主動(dòng)部分的傳動(dòng)比;ix為在擋速比;iy為目標(biāo)擋位速比；Ji為輸入軸端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2);Td為輸入軸處拖曳力矩(N·m)。

圖1 2擋退1擋GSA客觀測試評(píng)價(jià)

為了減小同步?jīng)_量I，可用增加同步環(huán)錐面數(shù)k、增大摩擦因數(shù)μ、增大摩擦半徑R、減小錐面角φ等方法實(shí)現(xiàn)。由于此變速器1擋同步環(huán)采用雙錐面沖壓鋼環(huán)+貼碳，因此減小2擋退1擋換擋沖量的方案是：1擋同步環(huán)由雙錐面沖壓鋼環(huán)+貼碳改為三錐面沖壓鋼環(huán)+貼碳。圖2為改進(jìn)方案的2擋退1擋GSA測試評(píng)價(jià)。

改進(jìn)方案換擋沖量減小48.4%，解決了動(dòng)態(tài)換擋“力重”等問題。通過大量測試分析，當(dāng)乘用車動(dòng)態(tài)同步?jīng)_量小于12 N·s、換擋力為65 N以下，駕駛員在換擋時(shí)一般不會(huì)感受到換擋“力重”。

2 換擋手感“偏硬”改進(jìn)策略

眾所周知，同步器系統(tǒng)在換擋同步過程中，由于存在同步位移為零、同步時(shí)間較短等現(xiàn)象，導(dǎo)致同步力、同步?jīng)_量“驟升”，即同步剛度較大等問題，因此在主觀評(píng)測時(shí)測試員會(huì)認(rèn)為存在換擋手感“偏硬”、“頂手”等問題。為了解決此問題，一般需要在換擋系統(tǒng)(排擋桿、拉索、操縱系統(tǒng)、同步器系統(tǒng))中增加軟連接形式。

表1為軟、硬拉索結(jié)構(gòu)和GSA測試對(duì)比，可知：由于硬拉索在換擋方向幾乎無法移動(dòng)，而軟拉索裝置可在換擋方向移動(dòng)，因此在換擋過程中，同步剛度可從7～8 N/mm降低為3～5 N/mm，且換擋手感“偏硬”和“頂手”問題得到有效改善。

表1 軟、硬拉索對(duì)比

3 “二次沖擊”改進(jìn)策略

對(duì)于傳統(tǒng)鎖環(huán)式同步器系統(tǒng)來說，“二次沖擊”一般為齒套撥正結(jié)合齒或被結(jié)合齒撥正產(chǎn)生的碰撞力。“二次沖擊”產(chǎn)生的原因有兩方面：一方面，齒套-結(jié)合齒碰撞前產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速差。在同步結(jié)束時(shí)，齒套、同步環(huán)、結(jié)合齒轉(zhuǎn)速一致，無轉(zhuǎn)速差，而在后續(xù)撥環(huán)階段、自由滑行階段時(shí)，由于拖曳力矩的作用，齒套-結(jié)合齒產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)速差，此轉(zhuǎn)速差越大，“二次沖擊”越明顯，“二次沖擊”力越大。另一方面，齒套-結(jié)合齒碰撞的方式。齒套-結(jié)合齒碰撞存在以下2種情況，如圖3所示：狀態(tài)A碰撞時(shí)，拖曳力矩Td有助于齒套撥正結(jié)合齒，此狀態(tài)產(chǎn)生二次沖擊力較小;狀態(tài)B碰撞時(shí)，拖曳力矩Td阻礙齒套撥正結(jié)合齒，此狀態(tài)產(chǎn)生二次沖擊力較大。

根據(jù)二次沖擊產(chǎn)生的原因，減小二次沖擊的方案有：(1)減小撥環(huán)行程;(2)減小自由滑行行程;(3)增大狀態(tài)A碰撞概率，減小狀態(tài)B碰撞概率。

Td—拖曳力矩ω1—輸入端或齒套的轉(zhuǎn)速
圖3 齒套-結(jié)合齒碰撞狀態(tài)

3.1 偏梅角方案

偏梅角方案如圖4所示，即僅將結(jié)合齒的對(duì)稱梅角改為偏梅角方案，其原理是增大圖3中狀態(tài)A的碰撞概率，減小狀態(tài)B的碰撞概率，從而減小平均二次沖擊力和二次沖擊力比。

為了減小某手動(dòng)變速器4擋升5擋的二次沖擊，表2是偏梅角具體方案和GSA測試對(duì)比，可知：A面碰撞概率從48%減小到33%左右，而4擋升5擋的二次沖擊力從32.9 N減小到5.7 N，二次沖擊力比從52.6%減小到10.7%，滿足客戶二次沖擊力比小于30%要求。

圖4 偏梅角方案示意

表2 偏梅角具體方案和GSA測試對(duì)比

3.2 減小同步環(huán)齒厚方案

減小同步環(huán)齒厚方案如圖5所示，即通過減小撥環(huán)行程、減小齒套-結(jié)合齒碰撞前轉(zhuǎn)速差的方法從而減小平均二次沖擊力和二次沖擊力比。

為了減小某手動(dòng)變速器2擋升3擋的二次沖擊，將變速器的三、四擋同步環(huán)的齒厚由原先的3.64～3.75 mm減小到2.35～2.46 mm，撥環(huán)行程由1.25 mm減小到0.72 mm，而2擋升3擋的二次沖擊力從18.2 N減小到6.7 N，二次沖擊力比從39.3%減小到14.9%，滿足客戶二次沖擊力比小于30%要求，如圖6所示。

圖5 減小同步環(huán)齒厚方案示意

圖6 同步器齒厚更改方案GSA測試對(duì)比

3.3 長短齒方案

長短齒方案如圖7所示，即將傳統(tǒng)齒套的一種齒形改為兩種齒形，長齒和短齒，且長齒比短齒長x=0.6～1.2 mm。當(dāng)同步器系統(tǒng)同步和撥環(huán)時(shí)，短齒參與工作，而長齒與同步環(huán)不接觸，在撥環(huán)結(jié)束時(shí)，由于長齒的存在，自由滑行行程相應(yīng)減小x,可減小齒套-結(jié)合齒碰撞前轉(zhuǎn)速差，從而減小平均二次沖擊力和二次沖擊力比。

為了減小某手動(dòng)變速器1擋升2擋的二次沖擊，將變速器的一、二擋同步器齒套由原先21 mm正常齒改為長齒22.8 mm，短齒不變，且單邊增長0.9 mm。此更改使得自由滑行行程由2.2 mm減小到1.3 mm，而1擋升2擋的二次沖擊力從30.8 N減小到7.2 N，二次沖擊力比從60.8%減小到20.7%，滿足客戶二次沖擊力比小于30%要求，如圖8所示。

圖7 長短齒方案示意

圖8 長短齒方案GSA測試對(duì)比

4 “尾端阻滯”改進(jìn)策略

當(dāng)?shù)∷賿?擋時(shí)，齒套撥正結(jié)合齒后半階段或換擋行程的3/4階段時(shí)，可能存在一種圖9所示的狀態(tài)，即齒套尾錐與同步環(huán)干涉，此時(shí)同步環(huán)產(chǎn)生一軸向力預(yù)壓結(jié)合齒錐面，并產(chǎn)生一摩擦力矩。當(dāng)結(jié)合齒被撥正時(shí)，摩擦力矩導(dǎo)致齒套進(jìn)擋力凸增，產(chǎn)生較大的阻滯，甚至無法進(jìn)擋。

根據(jù)失效原因分析，改進(jìn)方案是采用導(dǎo)向齒結(jié)構(gòu)，使得齒套撥正結(jié)合齒時(shí)，齒套尾椎-同步環(huán)不發(fā)生接觸，如圖10所示，這樣可避免同步環(huán)“抱死”結(jié)合齒問題，可解決怠速掛1擋阻澀和掛不進(jìn)問題。

為了減小某手動(dòng)變速器怠速進(jìn)1擋的尾椎卡滯問題，圖11是采用導(dǎo)向齒方案和非導(dǎo)向齒GSA測試對(duì)比，可知：怠速進(jìn)1擋阻澀頻次從14次減小到零，1擋掛不進(jìn)頻次從3次減小到0，滿足客戶需求(為了量化阻澀和掛不進(jìn)擋位問題，定義尾端卡滯力大于20 N即為阻澀，并提取出阻澀頻次和掛不進(jìn)頻次)。

圖9 齒套尾椎卡滯原理

圖10 導(dǎo)向齒結(jié)構(gòu)

圖11 GSA測試對(duì)比

5 結(jié)論

針對(duì)動(dòng)態(tài)換擋性能4種主觀測評(píng)問題——“力重”、手感“偏硬”、“二次沖擊”、“尾端阻滯”原因分析改進(jìn)措施。

換擋“力重”采用GSA評(píng)價(jià)表現(xiàn)形式就是換擋沖量大，換擋力大。其解決方案是增加同步環(huán)錐面?zhèn)€數(shù)和減小錐面角度等。

手感“偏硬”采用GSA評(píng)價(jià)表現(xiàn)形式是同步剛度過大。其解決方案是采用軟拉索，減小整個(gè)換擋系統(tǒng)的同步剛度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，同步剛度控制在3～5 N/mm較宜。

“二次沖擊”主要由齒套與結(jié)合齒碰撞前存在一定轉(zhuǎn)速差和碰撞方式造成的。其解決方案包括：(1)采用“偏梅角”方案；(2)減小同步環(huán)齒厚方案；(3)采用“長短齒”方案。3種方案均可有效減小二次沖擊。

“尾端阻滯”產(chǎn)生的原因是齒套撥正結(jié)合齒過程中，齒套尾錐與同步環(huán)干涉造成。其解決方案為采用導(dǎo)向齒，避免換擋過程中齒套尾錐與同步環(huán)接觸，可完全消除“尾端阻滯”。