手動(dòng)變速器的匹配設(shè)計(jì)方法

◎文/韋文勝（安徽星瑞齒輪傳動(dòng)有限公司）

變速器是汽車傳動(dòng)系的一部分，變速器與整車匹配包括：動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性匹配設(shè)計(jì)，分離系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)，選換檔操縱匹配設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)接口及懸置匹配設(shè)計(jì)，變速器輸出接口匹配設(shè)計(jì)，變速器輸出信號(hào)匹配設(shè)計(jì)等。

一、變速器與整車匹配

變速器與整車匹配的一項(xiàng)重要指標(biāo)是車輛動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配是否合理對(duì)車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性有直接影響。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化就是根據(jù)車輛的行駛條件及要求，將發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、傳動(dòng)系的速比和車輪半徑等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理匹配及優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行的工作區(qū)與理想工作區(qū)相接近，以獲得最佳的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性。

1.整箱邊界條件的設(shè)定

變速器在xA,yA,zA三個(gè)方向上的尺寸要根據(jù)整車底盤空間布置來(lái)約束,保證變速器的最大外形與車身空隙大于經(jīng)驗(yàn)值25mm。

2.傳動(dòng)系的匹配設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

汽車動(dòng)力匹配的核心問(wèn)題是傳動(dòng)系的速比如何確定。需要確定高檔總速比igh、低檔總速比igl、中間檔速比。

式中，vp—最大功率車速，np—發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速，r—車輪滾動(dòng)半徑。

確定最低檔傳動(dòng)比iT1時(shí)，要考慮汽車最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)輪與路面附著力、汽車最低穩(wěn)定車速及主傳動(dòng)比等。一般最低檔傳動(dòng)比越大越好，特別是越野汽車，但最低檔傳動(dòng)比大也會(huì)增加傳動(dòng)系零部件的負(fù)荷，增大汽車的總質(zhì)量。

式中，iT1——變速器的一檔速比，idl——分動(dòng)器的低檔速比，i0——主傳動(dòng)器的速比。

當(dāng)變速器的主減速器速比i0、車輪滾動(dòng)半徑r最大總負(fù)荷G等均已選定的情況下，變速器的檔數(shù)則是越多越好。具體取多少個(gè)檔位要因不同車種及不同的使用條件而定，特別是要考慮車輛比功率的大小，下式給出一種根據(jù)比功率大小計(jì)算變速器前進(jìn)檔數(shù)n的方法：

式中，q——公比，q=0.025λP+1.15，λP——比功率，kW/t。

確定一檔傳動(dòng)比iT1和檔數(shù)n后，可確定檔位數(shù)及中間各檔速比的分配，所確定速比的原則應(yīng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中保持良好的工作狀態(tài)，保證加速時(shí)間最短、加速?gòu)?qiáng)度最大。理論上，汽車各檔傳動(dòng)比大體按等比級(jí)數(shù)和等差級(jí)數(shù)分配。

等比級(jí)數(shù)法，相鄰兩個(gè)檔位速比之比是一個(gè)常數(shù)，公比q=ik/ik+1。

按等比級(jí)數(shù)法確定的變速比，其加速過(guò)程如圖1所示。

圖1 等比級(jí)數(shù)法確定的變速比的加速過(guò)程圖

由圖1可知，在忽略合理?yè)Q檔時(shí)機(jī)的情況下，其理想加速過(guò)程是折線abcdefg。然而，實(shí)際的加速過(guò)程則為粗折線所示。這是因?yàn)閾Q檔時(shí)，車輛雖集其平動(dòng)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量之動(dòng)能而滑行，但由于道路阻力、空氣阻力及發(fā)動(dòng)機(jī)以外的各傳動(dòng)部件的摩擦阻力影響，車速將降低一個(gè)△vk。

所謂等差級(jí)數(shù)法，就是相鄰檔位加速終了的車速差恒等于一個(gè)常數(shù)，即

由此可解得中間檔位的速比為：

按等差級(jí)數(shù)法確定的變速比idk值比按等比級(jí)數(shù)法確定的要小，越到高檔小得越多，其加速過(guò)程如圖2所示。在車輛加速過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在各檔的轉(zhuǎn)速區(qū)間從低檔到高檔變小，加速平均功率由小到大。因而，各檔平均加速度變化較小，有利于高檔加速及提高平均車速和燃油經(jīng)濟(jì)性，特別是可延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。如果高速檔平均功率過(guò)大，不利于低檔位加速。低檔位在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快換檔時(shí)，會(huì)有可能熄火。

由上分析，中間檔速比按等差級(jí)數(shù)法確定的方案，適合惡劣環(huán)境駕駛，且比功率又較低的汽車。

圖2 等差級(jí)數(shù)法加速過(guò)程圖

二、變速離合分離系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

1.離合器殼孔位與發(fā)動(dòng)機(jī)孔位匹配

變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)的連接是通過(guò)變速器前端的離合器殼上的安裝孔進(jìn)行連接的，根據(jù)主機(jī)廠提供的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器前箱體或離合器殼連接孔的結(jié)構(gòu)、大小以及孔位置尺寸。

2.輸入軸花鍵與離合器從動(dòng)盤匹配

依據(jù)離合器從動(dòng)盤轂花鍵參數(shù)、花鍵有效長(zhǎng)度、花鍵起始位置等條件設(shè)計(jì)輸入軸花鍵參數(shù)及軸前端的結(jié)構(gòu)。保證離合器從動(dòng)盤花鍵位置在輸入軸花鍵中部進(jìn)行尺寸匹配校核。

3.分離軸承初始位置匹配

非常接觸式分離軸承與分離杠桿之間的間隙為2mm±1mm較為合適，反映在離合器踏板上的自由行程為30～40mm，自由行程太小會(huì)使分離杠桿與分離軸承處于常接合狀態(tài)。分離行程一般5.5～8.5mm較為合適。同時(shí)還需校驗(yàn)分離撥叉的后備行程，一般保證4mm以上。

4.離合器殼內(nèi)腔干涉校核

離合器殼的口部?jī)?nèi)腔直徑、結(jié)構(gòu)、深度根據(jù)飛輪最大直徑、飛輪高度、離合器蓋最大直徑、離合器蓋高度、啟動(dòng)機(jī)大小直徑、啟動(dòng)機(jī)高度要求來(lái)匹配設(shè)計(jì)。

三、選換檔操縱匹配設(shè)計(jì)

變速器外換檔操縱機(jī)構(gòu)分桿式操縱和軟軸拉絲操縱，操縱機(jī)構(gòu)與變速的連接通過(guò)選換檔軸上銷進(jìn)行連接，匹配設(shè)計(jì)時(shí)軟裝拉絲與銷最好成垂直狀態(tài)。

四、懸置點(diǎn)匹配設(shè)計(jì)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)振動(dòng)源，車體也會(huì)受到路面等外在的各種干擾振動(dòng)，合理設(shè)計(jì)懸置系統(tǒng)可以明顯改善動(dòng)力總成及車體振動(dòng)，改善汽車乘坐舒適性，也可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)及其他部件的壽命。

懸置點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)動(dòng)力總成的長(zhǎng)度、質(zhì)量、用途和安裝方式等決定，懸置系統(tǒng)可以有三、四、五點(diǎn)懸置。一般在汽車上采用三點(diǎn)及四點(diǎn)懸置系統(tǒng)，因?yàn)樵谡駝?dòng)比較大時(shí)，如果懸置點(diǎn)增多，當(dāng)車體變形時(shí)，有的懸置點(diǎn)會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，使發(fā)動(dòng)機(jī)或懸置支架受力過(guò)大而造成損壞。

發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)汽車懸置布置見(jiàn)圖3。A點(diǎn)懸置（左懸置）與變速器連接布置，起到動(dòng)力總成限位及支撐作用；B點(diǎn)懸置（右懸置）與發(fā)動(dòng)機(jī)連接布置，可隔離發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒激振、慣性力激振及路面激振等；C點(diǎn)懸置（后懸置）與變速器連接布置，具有縱向限位、承受扭矩、行駛狀況限位等；D點(diǎn)懸置（前懸置）與變速器連接布置，具有縱向限位、承受扭矩、行駛狀況限位等。三點(diǎn)懸置為布置ABC點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是不論汽車如何顛簸、跳動(dòng)，總能保證各支撐點(diǎn)在一平面上，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)體的受力情況。四點(diǎn)懸置為布置ABCD點(diǎn),能克服大扭矩反作用力，但不利于隔離低頻振動(dòng)。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)汽車懸置布置圖

五、動(dòng)力輸出匹配設(shè)計(jì)

變速器動(dòng)力輸出的連接類型有法蘭盤連接和花鍵連接。

法蘭盤連接常用于縱置變速器，連接的零件是凸緣，如圖4所示。凸緣連接的匹配設(shè)計(jì)考慮，內(nèi)花鍵與輸出軸的匹配，一般采用小過(guò)盈配合，凸緣壓緊面需高于輸出軸上臺(tái)階，保證凸緣壓緊可靠。為了便于和傳動(dòng)軸的連接，凸緣螺栓裝配時(shí)需保證位置度。

圖4 法蘭盤連接

花鍵連接是將輸出軸花鍵和傳動(dòng)軸直接連到一起，傳動(dòng)軸外徑通過(guò)后殼體油封密封，如圖5所示。

圖5 花鍵連接

六、電器設(shè)備匹配設(shè)計(jì)

變速器安裝電器元件包括里程表傳感器、倒車燈開(kāi)關(guān)、空檔開(kāi)關(guān)、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速傳感器。里程表傳感器分接觸式和非接觸式兩種，匹配設(shè)計(jì)時(shí)考慮插接件結(jié)構(gòu)和尺寸；倒車燈開(kāi)關(guān)、空檔開(kāi)關(guān)匹配設(shè)計(jì)時(shí)考慮開(kāi)關(guān)通斷位置點(diǎn)、倒車燈線長(zhǎng)、倒車燈插接件結(jié)構(gòu)和尺寸；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速傳感器匹配設(shè)計(jì)時(shí)考慮傳感器在變速器上的安裝位置。