變速箱換擋平衡塊工作原理研究及分析

徐順，司志明，李青章，何果

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

變速箱換擋平衡塊工作原理研究及分析

徐順，司志明，李青章，何果

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文介紹了目前平衡塊的現狀及主要布置形式，并詳細分析了平衡塊的工作原理，結合換擋過程，建立沖擊載荷時刻的瞬時速度數學模型。

變速箱；換擋性能；平衡塊

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-60-02

引言

目前我國的汽車，特別是商用車，匹配的變速箱大部分還是手動檔變速箱，隨著人們生活水平的提高，其換擋舒適性越來越被關注，國內整車企業也在不斷的追求更好的換擋性能。其中在變速箱換擋搖臂上增加平衡塊能夠顯著提高整體的換擋性能，該方法實施簡單，成本較低，在國內外的變速箱產品上已經被廣泛的采用。本文是利用假設的數學模型對平衡塊的工作原理進行研究及分析。

1、現狀及布置形式

變速箱平衡塊一般位于在變速器換擋搖臂上，其可以單獨設計，用螺栓固定在換擋搖臂的特定位置，也可以是與換擋搖臂整體設計，做成一個部件。目前平衡塊的布置形式主要分為兩種：一種是平衡塊隨換擋搖臂水平布置，變速箱的換擋搖臂在水平面上運動，運動過程中平衡塊的重力不做功；一種是平衡塊隨換擋搖臂非水平布置，變速箱的換擋搖臂在非水平面上運動，運動過程中平衡塊的重力做功。目前大部分的乘用車變速箱及對換擋性能要求較高的產品采用了上述第一種布置形式，商用車變速箱及對換擋性能要求一般的產品，包括變速箱本身設計布置的限制無法采用水平布置形式的，均按第二種布置形式。

無論是哪種形式，其基本的工作原理都是在換擋的初期，利用換擋搖臂擺動時的初始速度儲存一定的能量，在同步階段及后期釋放儲存的能量，從而達到降低換檔力，減少二次沖擊、提高吸入感，進而提高了換擋舒適性。

2、工作原理分析

為構建數學模型，可以將平衡塊看成一個圓柱體，如圖1 所示。

此時平衡塊相對于Z軸的轉動慣量

式中：m---平衡塊的質量；

R---平衡塊截面圓的半徑；

顯然，Z軸與平衡塊的實際旋轉中心（換檔軸）平行，假設Z軸與換檔軸之間的距離為d，根據平行軸定理：剛體對于任一軸的轉動慣量，等于剛體對于通過質心，并與該軸平行的軸的轉動慣量，加上剛體的質量與兩軸間距離的平方。于是有：

若有多個平衡塊，則其總的轉動慣量為各個平衡塊轉動慣量之和。

同時根據剛體繞定軸轉動的方程：

從方程中可見，剛體繞定軸轉動時，其主動力F對軸的轉矩使剛體轉動狀態發生變化。力矩大，轉動角加速度大；若力矩相同，剛體轉動慣量大，則角加速度小，反之，角加速度大。可見，剛體轉動慣量的大小表現了剛體轉動狀態改變的難易程度。即：轉動慣量是剛體轉動關鍵的度量。

從式（1）可以看出，剛體轉動慣量的大小跟質量大小以及質量的分布有關。結合式（1）及式（3），在變速器換檔臂上加裝平衡塊，增加了換擋搖臂的轉動慣量，就可以保證在換檔行程中，換檔搖臂具有比較平穩的轉動狀態，即改善了換檔手感。

在實際的換擋過程中，換擋搖臂受力是不平穩的。在開始換擋階段，換擋阻力較小，在進入同步階段的時候，換擋阻力會突然的加大，同步完成后換擋阻力又會減小。為提高換擋手感，必須將其中阻力突然變大的過程放緩或消除，使其難以反饋到駕駛員換擋手柄上，從而提高換擋性能。

為更直觀的說明，現假設變速箱換擋搖臂是質量為m的剛體，其換擋過程為行程L的直線運動，其行程L1階段為初始阻力（F）階段，時間為T1，速度為V1，行程L2階段為同步階段，時間為T2，存在沖擊載荷（FC），行程L3階段為同步結束后，入檔階段，時間為T3，阻力較小。如圖2所示：

在T2時刻的任意階段，其瞬時速度為：

為保證換擋性能，就必須要求式（4）的V與V1差別不大，也就是說運動越平穩，反饋到駕駛員的換擋手柄上的力就越平穩，換擋越舒適。而從式（4）中可以看出，m數值越大， V的值就越接近V1，換擋性能就越好。

在實際設計換擋平衡塊時，通過式（4）可以看出，在同時考慮成本及實際布置要求的情況下，平衡塊的質量設計的越大，換擋的平順性就越好，駕駛就更加舒適。但同時也要考慮平衡塊質量過大也會引起其他的問題，如車輛在急加速或急減速時可能導致自動跳檔的情況以及換擋軸受力不均勻導致的異常磨損等問題。

3、結束語

本文利用假設的數學模型，簡單闡述了目前變速箱平衡塊的工作原理，并建立沖擊載荷時刻的瞬時速度數學模型，期望對具體平衡塊的設計計算提供一些幫助。

[1] 劉惟信，汽車設計[M]. 北京：清華大學出版社，2001.

[2] 鄭文緯，吳克堅主編，機械原理（第七版）[M]. 北京：高等教育出版社，1996.

[3] 王鐸，趙經文主編，理論力學（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社，1997.7.

The research and analysis on the principle of transmission shift balance block

Xu Shun, Si Zhiming, Li Qingzhang, He Guo

This paper introduces the present situation and the main layout of the balance block. Than we present a detailed analysis of the working principle of balance block. Based on the shift process, this paper establishes the mathematical model of instantaneous velocity impact load time.

Transmission；Shift performance；Balance block

U463.2

A

1671-7988(2015)02-60-02

徐順，碩士研究生，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要從事商用車底盤設計，變速系統設計開發及匹配工作。