关于手动变速箱倒挡换挡性能的研究

王伟，张延平

（陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 宝鸡 722409）

引言

操纵换挡性能是评价一款手动变速箱的重要指标，良好的操纵换挡性能可以增加驾驶乐趣。目前大多手动变速箱，前进挡采用同步器结构换挡，倒挡采用滑动齿套啮合方式换挡，用户反馈挂倒挡卡滞，有时伴随明显的冲击声，严重时甚至挂不进倒挡，严重影响用户驾驶体验，引发客户强烈抱怨。因此，对产生挂挡卡滞、难挂的原因进行探析，并提出行之有效的改进措施显得尤为重要。

1 倒挡卡滞原因分析

1.1 倒挡换挡过程

该款手动变速箱前进挡采用同步器结构换挡，倒挡采用滑动齿套方式换挡。通过拨动滑动齿套实现二轴倒挡齿轮和二轴动力传输；通过增加倒挡介轮来实现扭矩的反向传递。具体见图1。

图1 倒挡结构原理

发动机将动力传入一轴齿轮1，中间轴常啮合齿轮2通过中间轴四方键3与中间轴4连接，一轴齿轮1和中间轴常啮合齿轮2啮合动力传输给中间轴4；中间轴齿与倒挡介轮5啮合，倒挡介轮5与二轴倒挡齿轮6，从而带动二轴倒挡齿轮6在二轴8上空转；倒挡滑套7与二轴8通过花键连接，拨动倒挡滑套与二轴倒挡齿轮结合齿结合实现动力传递。

1.2 卡滞原因

从上文倒挡换挡过程中可以看出，通过拨动静止的倒挡滑套与旋转的二轴倒挡齿轮结合齿部分进行啮合，一般都会发生冲击、卡滞。主要与输入轴的速度，滑套结合齿的锥面角度等因素有关。

通常，一般踩下离合器踏板等待约3s左右，待输入轴转速充分的下降，可有效地避免倒挡滑套啮合时的冲击、卡滞现象，同时挂挡力也比较轻便。但随着社会的发展，人们对换挡舒适性也愈发重视，仅靠改变驾驶习惯是不够的，须从产品结构上来不断的设计优化。

1.3 倒挡挂挡力数学模型建立

由动量定理可知：

基本代数变换可得：

式中：Ft为倒挡结合齿节圆处周向力；t为挂入倒挡时间；v1和v2分别为挂入倒挡前后倒挡齿圈处节圆处线速度；Δω为挂入倒挡过程中的角速度变化量；m、I为离合器从动部分，一轴总成、中间轴总成及二轴上需要同步部分的质量和转动惯量；R为结合齿的节圆半径。

拨动倒挡滑套与二轴倒挡齿轮结合过程中，二轴倒挡齿轮对倒挡滑套结合齿锥面受力分析如图2所示。

图2 结合齿锥面处受力分析图

图中：f为二轴倒挡齿轮结合齿对倒挡滑套锥面的摩擦力；N为二轴倒挡齿轮结合齿对倒挡滑套锥面的正压力；FR为进挡力（该处仅为拨动倒挡滑套啮合所需的力，不包含拨叉和操纵处等处的摩擦力及自锁力）；2α为结合齿锥角，后文可用β代替。

式中：μ为结合齿锥面间的摩擦系数，查阅机械设计手册，取μ=0.1。

对（2）式、（3）式、（4）式和（5）式联立可得：

f（a）的函数如图3所示，可以看出在近似（0，π/2）区间内单调递增。

图3 f（a）的函数图像

2 改进方向及措施

通过（6）式上文的分析可以看出进挡力FR与I、、α和R四项因素有关，面对倒挡卡滞、冲击、换挡沉重等问题可以从这四方面解决。

2.1 降低输入系统的转动惯量

通过降低离合器从动部分，一轴总成、中间轴总成及二轴上齿轮的转动惯量可以降低进挡力FR。但在实际当中，变速箱和离合器从动盘部分受传递扭矩、材料等影响，一旦产品定型，调整转动惯量很难，只能尽可能优化。

2.2 降低输入系统的角速度

通过公式可以看出，降低Δω/t可以有效降低进挡力FR。从Δω/t来看，一方面是降低发动机怠速转速，挂倒挡时，汽车静止，输入系统及变速箱内输入轴、中间轴总成及二轴上空套齿轮都在发动机怠速情况下旋转，只有初始速度足够小，才可在最大程度上避免挂挡时因转速差而产生冲击。另一方面时延长时间t。可以通过改善司机驾驶习惯，踩下离合约等3s左右，使输入系统转速充分下降在进行挂挡。最后，可以在变速箱上布置减速机构，使输入系统速度急速下降。如某款AMT变速箱通过加装输入转速传感器，监控输入转速，接入气源，通过电磁阀开闭来控制气源通断，给中间轴产生制动力矩使得输入转速急速下降。

简而言之，降低输入系统的角速度，可从降低初始角速度、延长挂挡时间和布置减速装置产生制动力矩，提高单位时间内的减速效果。

2.3 减小结合齿锥角

设计锥角的本意是为了易于进挡，但同时也应考虑锥角大小对进挡力的影响。通过图3我们可以看出f（a）图像在（0，π/2）区间内单调递增，角度越大，上升的趋势越明显，因此在设计结合齿锥角时要尽可能小。

2.4 增大结合齿的节圆半径

通过增大结合齿的节圆半径可以明显的降低挂挡力及进挡冲击，我司某款客车用变速箱通过增大倒挡结合齿节圆半径有效改善了挂挡手感。

3 总结

针对手动变速箱挂倒挡过程中存在卡滞及伴随明显冲击的现象，本文首先从倒挡换挡过程入手，对产生卡滞的原因进行定性分析。紧接着对整个换挡过程进行受力分析，建立数学模型，分析出进挡力FR与I、Δω/t、α和R四项因素有关。最后，从这四个方面提出了改进的方向及思路，为以后解决该类问题有一定的指导意义。