某手動變速器斜向換擋優化設計

吳榮華，謝小兵，陳習江，李小建，黃海華

（浙江萬里揚股份有限公司，浙江 金華 321004）

引言

提高汽車換擋性能一直是汽車設計追求的目標，尤其對于手動擋變速器，需要駕駛員頻繁換擋。駕駛主客觀評價上，主要有換擋力[1]、二次沖擊[2]、換擋吸入感[3]、擋位間隙[4]、擋位清晰度和換擋平順性[5-6]等。長期駕車人員對換擋要求更高，已經不能接受從某一擋位摘至空擋，待選擋至下一個換擋位后再進行換擋的規范換擋模式，如圖1直角折線所示選換擋路徑，而是提出新的換擋要求：斜向換擋[4]。

如圖1中，2-3-2擋、4-5-4擋的升降過程，選換擋以一種更加迅捷舒適的方式進行，選擋路線與換擋路線合成為一條傾斜的直線，這種斜向換擋涉及斜對的2-3-2和4-5-4擋的切換。

圖1 換擋手球處規范選換擋和斜向換擋路線

斜向換擋性能是衡量換擋系統的一個重要指標，而基于幾年前或是更早設計生產的手動擋汽車，特別是客車、貨車等大中型商用汽車，通常未考慮或只考慮到通過調整換擋撥頭和換擋導塊來改善變速箱斜向換擋性能[4-5]，并未結合互鎖塊來綜合研究斜向換擋，往往仍然造成斜向換擋卡滯等問題，無法滿足客戶對手動變速箱換擋性能的要求。因此，對斜向換擋展開綜合分析及設計優化是非常有必要的。

1 換擋軌跡與干涉分析

1.1 相關零件及裝配關系

斜向換擋功能的實現取決于換擋操作系統的內部結構設計，主要由變速器換擋機構內部的換擋撥頭、換擋導塊以及互鎖塊等零件決定。

下面結合某款6擋手動變速箱換擋結構實例，詳細闡述該變速器斜向換擋的設計方法。互鎖塊、換擋撥頭和各換擋導塊的裝配關系如圖2所示：換擋撥頭可沿其自身軸線平移，實現選擋；同時可繞其自身軸線轉動，即撥動換擋導塊移動，實現換擋[7]。

圖2 某6擋手動變速箱換擋機構

換擋撥頭可穿過互鎖塊中間槽口伸入至各擋位導塊叉頭之間，互鎖塊通過兩側及下部狹長平面限定在殼體槽中，可隨換擋撥頭沿其自身軸線平移滑動，另外互鎖塊下部兩處較高凸起同樣可以伸入至各擋位導塊叉頭之間，避免換擋撥頭同時掛上兩個擋位，實現互鎖功能[8]。

1.2 換擋軌跡擬合

分析斜向換擋，應先仿真擬合換擋軌跡，這是分析斜向換擋的關鍵一步。換擋軌跡指換擋過程中換擋撥頭中心的路徑軌跡。在仿真擬合換擋軌跡過程中，換擋撥頭要時刻與欲換擋位的換擋導塊接觸，形成極限軌跡范圍。圖3展示了在不考慮互鎖塊情況下2→4擋的換擋軌跡繪制方法，擬合步驟中的◎部位即為換擋撥頭與換擋導塊接觸部位。同樣可以繪制出4→6擋、5→3擋和3→1擋的換擋軌跡，并額外增加繪制1→R擋的換擋軌跡，可以整合得到不考慮互鎖塊情況下的整個換擋軌跡圖，如圖4所示。

圖3 不帶互鎖塊情況下2→4擋換擋軌跡繪制

圖4 不帶互鎖塊情況下整體換擋軌跡

1.3 斜向換擋干涉分析

圖3 中步驟③→④展示了不帶互鎖塊情況下，換擋撥頭的倒斜角與4擋換擋導塊倒斜角從剛接觸到分離的過程，而如果擬合帶互鎖塊情況下的換擋軌跡時，則需額外注意互鎖塊對換擋軌跡的干涉影響，如圖5所示，2→4擋換擋時，由于互鎖塊干涉斜線右上側區域阻擋，換擋撥頭倒斜角與4擋導塊倒斜角接觸后，無法沿倒斜角方向移動。

圖5 帶互鎖塊情況下2→4擋換擋軌跡干涉情況

圖6 所示為帶互鎖塊情況下的換擋軌跡，軌跡中的黑色區域即表示互鎖塊對整個換擋軌跡的干涉區域。另外，圖6還示意出了帶互鎖塊情況下2擋升3擋的斜向換擋干涉量，即由2擋換擋軌跡中的較大傾斜軌跡延伸相交而成的水平距離，其他擋位的斜向換擋干涉情況做相同理解，不再贅述。

圖6 帶互鎖塊情況下換擋軌跡

2 優化設計

2.1 優化設計方案

要想使產品具有良好的斜向換擋功能，既要充分消除互鎖塊對整個換擋軌跡的干涉，又要消除換擋軌跡中的各個斜向換擋干涉量。本文充分考慮各換擋導塊與互鎖塊的相對運動軌跡，在互鎖塊斜對稱的兩處增加較大的倒角缺口，如圖7所示。

圖7 互鎖塊優化前后實物對比圖

另外，進一步針對消除換擋軌跡中的斜向換擋干涉量，本文提出了兩種優化方案。方案一在于進一步加大斜向換擋相關換擋導塊的四處倒角，即1擋/3擋/4擋/6擋導塊叉頭處的四處倒角，如圖8所示；而方案二在于加大換擋撥頭斜對稱的兩處倒角，如圖10所示。

圖8 優化方案一：加大換擋導塊倒斜角

圖10 優化方案二：加大換擋撥頭倒斜角

由圖8和圖10可看出互鎖塊斜對稱倒斜角大于相對運動軌跡臨界干涉線，即說明互鎖塊倒角缺口可為斜向換擋時換擋導塊相對互鎖塊移動提供足夠的避讓空間。圖9和圖11中換擋軌跡顯示，兩種方案均已完全消除斜向換擋干涉量，方案二更優。

圖9 優化方案一換擋軌跡

圖11 優化方案二換擋軌跡

特別說明，兩種方案的所有倒角傾斜角度相同且保持與優化前一致，原因在于倒角傾斜角度如果調整得過大，可導致換擋力增加太大或出現亂擋，而如果倒角傾斜角度調整得過小，則很難消除斜向換擋干涉量，具體角度的確定可根據換擋軌跡及文獻[6]參照確定，本文不過多敘述。

2.2 優化設計校核

上述兩種優化設計方案均通過加大倒角來消除斜向換擋干涉，因此有必要對可能出現的亂擋情況進行校核。主要在于校核兩點：其一，應避免兩個換擋導塊同時卡在互鎖塊槽中，否則容易導致選換擋卡滯；其二，應避免換擋撥頭同時卡在相鄰的兩個導塊夾縫中，否則容易導致選擋卡滯。整個校核必須考慮加工誤差、熱處理變形、組裝誤差等諸多因素共同作用時的極限情況。

如圖12所示，方案一中互鎖塊去除同側倒角之后的距離略大于兩相鄰導塊之間去除倒角的距離，兩導塊可同時進入互鎖塊槽中，存在亂擋風險；而方案二兩個導塊無法同時進入互鎖塊槽中，且余量較為合理，可充分抵消各尺寸加工誤差等相關因素帶來的影響，如圖13所示。且由圖12和圖13可明顯看出兩方案換擋撥頭均明顯大于相鄰導塊夾縫，不會引起由此帶來的選擋卡滯。

圖12 優化方案一選換擋功能校核

圖13 優化方案二選換擋功能校核

由此，優化方案二既能去除斜向換擋干涉，又能避免選換擋卡滯，為最終選定優化方案。

3 對比驗證

本文還針對優化前后的換擋機構分別進行了該款6擋變速箱的整車換擋測試分析（Gear Shift Analysis測試，以下簡稱GSA），如圖14所示，將位移和力等傳感設施固連在換擋球頭上，進行整車行駛狀態下的選換擋動作，以獲得各換擋性能測試曲線或參數。

圖14 整車換擋測試分析

圖15給出了優化前后的2-3-2擋斜向換擋的GSA測試結果對比圖，如圖所示：原狀態換擋機構在3擋降2擋斜向換擋的過程中存在卡滯現象，而優化狀態則完全無卡滯現象發生，且換擋路線更清晰，軌跡曲線更平順，良好地實現了斜向換擋功能，有效提高了換擋舒適性。

圖15 優化前后2-3-2擋GSA測試結果對比圖

4 結束語

本文以一款6擋手動變速器換擋機構為例，通過斜向換擋軌跡擬合和干涉分析，討論了引起斜向換擋卡滯的結構設計原因，綜合考慮換擋撥頭、互鎖塊以及換擋導塊等零件之間的相對選換擋運動情況，創新性提出斜向換擋的優化設計方案和校核方法，并進一步得到了整車測試驗證，獲得了專利授權。對其他手動變速箱而言，遵循本文介紹的設計校核方法，額外考慮各關鍵運動部件的表面粗糙度等因素，同樣可得到較為理想的斜向換擋功能。