某手动变速器选换挡力优化分析

王志强，焦红莲，王涛，于尧

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

某手动变速器选换挡力优化分析

王志强，焦红莲，王涛，于尧

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

选换挡性能是汽车驾驶性能的重要组成部分，选换挡力是选换挡性能的重要指标。针对某乘用车变速器选挡力不对称，换挡力大的问题进行优化分析。通过调整回位弹簧刚度解决选挡力不对称的问题。对影响换挡力的因素进行深入分析，通过改变定位销内弹簧的刚度、同步器弹簧的刚度、同步器滑块斜面角度、各个摩擦面间的摩擦系数及改变与钢球配合的凹槽的曲率半径可实现换挡力优化。

变速器；选换挡性能；定位销；弹簧刚度；换挡力

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

手动变速器有价格合理、燃料消耗低、传动效率高、功率大、油耗小、结构简单等明显优点，在21世纪乃至以后仍然具有广阔的市场空间。汽车的手动变速器选换挡性能不好，会降低驾驶员的驾驶乐趣，并且会使驾驶员感到疲劳。在不恰当的时候换挡，也会使汽车的油耗量增加。所以，提高手动变速箱换挡性能至关重要。

在装有手动变速箱的车在城市区域行驶时，会不停地进行选挡及换挡动作，选挡力的左右对称性是驾驶者对汽车的最直观感受；换挡力的大小也是非常重要的指标，换挡力过大会增加驾驶员的劳动强度，还会使换挡操纵机构的各个零部件之间相互撞击，加速磨损。同时，对于一些力气较小的女驾驶员，过大的换挡力会导致驾驶过程中不能及时挂上挡位，这种情况对于整车驾驶是非常危险的。反之换挡力过小，驾驶员将无法感知换挡动作是否完成，驾驶乐趣会减少很多。本文针对某手动变速器选挡力不对称，换挡力偏大的问题进行具体的优化分析，为选换挡力优化提供方向。

1 选挡力优化分析

针对某变速器弹簧回位结构进行分析，选挡力的大小和回位弹簧的刚度以及选挡行程的大小有关。左右两根回位弹簧且弹簧刚度分别为k1和k2，则：

由式（1-1）可知，若想改变变速器的选挡力，可以从两方面考虑：

（1）改变回位弹簧的刚度，由公式可看出，当 Sy不变时，k1和k2都增大，则选挡力增大；反之，选挡力减小。

（2）改变变速器的选挡行程，则：当k1和k2不变时，Sy增大，则选挡力增大；反之，选挡力减小。

由以上可知：可以通过改变回位弹簧的刚度以及选挡行程来控制变速器的选挡力，使其大小在15N±5N的范围内。

本文在其他结构不变的条件下，主要调整回位弹簧刚度，来控制选挡力，1/2挡及5/R回位弹簧的主要参数及安装参数由表1可知：

表1 回位弹簧的主要参数及安装参数

选换挡杆重力为实测值：10N

图1 优化前选挡力示意图

由图1可知：

则：1/2挡选挡力F=18.45N

5/R挡选挡力F=29.27N

1/2挡弹簧刚度由0.5修改至0.7之后：

图2 优化后选挡力示意图

由图2计算可知：

1/2挡选挡力F=29.83N

5/R挡选挡力F=20.89N

由图1、2及以上计算过程可见，1/2挡弹簧刚度由0.5修改至 0.7之后，两边选挡力趋于一致，可解决选挡力相差过大的问题，改进效果明显。

在稍调杠杆比后，通过GSA系统测出部分挡位的在调整前后的选挡力的大小的数据，如图3所示：

图3 静态选挡力测试结果对比

由图3静态选挡力测试结果对比可知：

（1）1/2和5/R的选挡力都有所减小，符合设计要求。

（2）减小选挡力的同时没有影响到弹簧的自动回位特性。

2 换挡力优化分析

若想知道换挡力的具体数值大小，首先应对变速器内部拨叉轴进行受力分析，如下：

拨叉轴受力分析（将拨叉轴视为质点，未计入重力）如图4所示。图中，V 为拨叉轴的移动方向；F为外部连杆机构的作用力（选换挡产生的摩擦力所占比例较小，在此未计入）；P为定位销的定位力；fp为拨叉轴和定位销间的摩擦力；N1为壳体对拨叉轴的支持力；fN1为拨叉轴和壳体间的摩擦力；N2为轴承箱对拨叉轴的支持力；fN2为拨叉轴和轴承箱间的摩擦力；T为同步器产生的阻力。T、fp、fN1、fN2是静态换挡阶段换挡力的重要组成部分，其关系式如下：

式中，up、u为摩擦系数。

图4 拨叉轴受力分析图

同步器滑块受力如图5所示。图中T cosα为同步器产生的阻力T的分量，α为同步器滑块斜面角度；f为同步器齿套和同步器滑块相对移动时的摩擦力（垂直方向分量所占比例较小，在此忽略）；Fk为同步器弹簧的弹力。且有：

图5 同步器滑块示意图

由上述可知：在一挡至五挡的换挡过程中有：

由式（2-7）可知，换挡力的大小，主要跟定位销的定位力P，同步器弹簧的弹力Fk、同步器滑块斜面角度α以及各个摩擦面间的摩擦系数有关。如果想改变换挡力的大小，可以通过改变定位销的定位力P、同步器弹簧的弹力Fk、同步器滑块斜面角度α以及各个摩擦面间的摩擦力。若想减小换挡力，可以减少定位销定位力P、同步器弹簧的弹力Fk和各个摩擦面间的摩擦系数，或者通过增加同步器滑块斜面角度α；若想增加换挡力，则完全相反。

其中，定位销的定位力的大小主要跟定位销内弹簧的刚度成正比，同步器弹簧的弹力和同步器弹簧的刚度有关。而各个摩擦面间的摩擦系数则取决于各个摩擦面的材料，同步器滑块斜面角度在设计时已经确定，但在长时间的使用下，会有一定的磨损，对换挡力有一定的影响。因此，我们可以通过改变以下变量来改变各个挡位的换挡力：

（1）改变定位销内弹簧的刚度

（2）同步器弹簧的刚度

（3）同步器滑块斜面角度

（4）各个摩擦面间的摩擦系数

（5）改变与钢球配合的凹槽的曲率半径

在倒挡时，在上面换挡力不变的状态下，还需要克服倒挡惰轮产生的一些分力，所以若改变倒挡换挡力，可以改变上面的各个变量，同时，也可以改变倒挡惰轮产生的分力，使用质量较小，但强度和刚度等能满足要求的其他材料的惰轮。

3 结论

通过上述分析，优化变速器选挡力对称性可以通过调整回位弹簧刚度实现；调整变速器换挡力可以通过改变定位销内弹簧的刚度、同步器弹簧的刚度、同步器滑块斜面角度、各个摩擦面间的摩擦系数及改变与钢球配合的凹槽的曲率半径来实现。

[1] 康展权,汽车工程手册设计篇[K],北京：人民交通出版社,2001.5.

[2] 毛世伟.手动挡汽车换挡困难原因及改进方法[J],汽车工程师.2011（2）.

[3] 周同磊.汽车变速器同步器[J].现代零部件,2009,4(3)：92- 94.

[4] 冯立.桑塔纳轿车变速器换挡机构分析改进[D].上海汽车变速器有限公司.

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 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-182-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.063

王志强，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。