淺析變速器換擋系統(tǒng)機(jī)構(gòu)及原理

森源汽車股份有限公司 呂振偉 李尚 任旭輝

研究了手動(dòng)機(jī)械式變速器換擋系統(tǒng)，從換擋系統(tǒng)外操縱機(jī)構(gòu)、內(nèi)操縱機(jī)構(gòu)和同步器3方面分析了換擋過程，并分析了影響換擋性能的因素。

前言

汽車變速器主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和換擋系統(tǒng)組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由多組不同齒數(shù)的齒輪副及齒輪軸等組成；換擋系統(tǒng)由外操縱機(jī)構(gòu)、內(nèi)操縱機(jī)構(gòu)和同步器組成，其作用就是在汽車行駛過程中保證駕駛員準(zhǔn)確平穩(wěn)地完成摘擋或是掛擋的動(dòng)作。

換擋系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)

根據(jù)變速器在汽車上的安裝位置，將換擋操縱機(jī)構(gòu)分為直接操縱機(jī)構(gòu)和遠(yuǎn)距離操縱機(jī)構(gòu)。直接操縱機(jī)構(gòu)由換擋手柄、換擋桿、換擋底座、撥塊、撥叉、撥叉軸及安全裝置等組成，而遠(yuǎn)距離操縱機(jī)構(gòu)則是在換擋桿與變速器殼體上的選換擋搖臂之間加裝了一系列傳力裝置，如由拉桿、搖臂、支架、銷軸等組成的剛性桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，或由鋼索和皮套導(dǎo)管組成的推拉鎖式換擋機(jī)構(gòu)[1]。

1.換擋系統(tǒng)外操縱機(jī)構(gòu)

外操縱機(jī)構(gòu)指的是包括換擋手柄在內(nèi)連接于換擋手柄和變速器殼體上的選換擋搖臂之間的一系列傳力機(jī)構(gòu)，如換擋桿、換擋底座、扭轉(zhuǎn)彈簧、桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或推拉鎖式換擋機(jī)構(gòu)、選換擋搖臂等。早期汽車采用的都是由拉桿、支架、銷軸和搖臂等組成的剛性桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械傳動(dòng)效率高，但因是剛性連接，車輛的振動(dòng)會(huì)通過這一系列的剛性元件傳遞到換擋手柄，影響駕駛員操作。同時(shí)，剛性桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在實(shí)車安裝時(shí)對(duì)安裝空間要求很高。因此，安裝方便的推拉鎖式換擋機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了，其柔性傳遞能緩沖和降低車輛產(chǎn)生的振動(dòng)，提高換擋舒適性[2]。但是，選換擋操作過程就是拉鎖與導(dǎo)管不斷摩擦的過程，需注意拉鎖與導(dǎo)管的耐磨性和耐久性。目前，汽車上多采用推拉鎖式換擋機(jī)構(gòu)，只有少數(shù)車輛仍使用剛性的桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖1 變速器自鎖和互鎖裝置

圖2 自鎖凹槽的截面輪廓

選擋時(shí)，作用于換擋手柄上的操作力橫向推動(dòng)換擋桿，換擋桿下端帶動(dòng)拉鎖運(yùn)動(dòng)，拉鎖另一端套在選擋搖臂上，從而帶動(dòng)選擋搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)。在選擋過程中，換擋底座扭轉(zhuǎn)彈簧產(chǎn)生的預(yù)壓力和拉鎖與選擋搖臂連接處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦對(duì)選擋力有直接影響。換擋時(shí)，作用于換擋手柄上的操作力縱向推動(dòng)換擋桿，換擋桿下端帶動(dòng)另一根拉鎖運(yùn)動(dòng)，拉鎖另一端套在換擋搖臂上，從而帶動(dòng)換擋搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)，拉鎖與換擋搖臂連接處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦對(duì)換擋力有直接影響。

2.換擋系統(tǒng)內(nèi)操縱機(jī)構(gòu)

顧名思義，內(nèi)操縱機(jī)構(gòu)就是位于變速器側(cè)蓋內(nèi)的一系列傳動(dòng)元件，包括選擋換擋軸、壓力彈簧、撥叉軸、撥叉、撥板以及安全裝置等。其中，安全裝置包括自鎖裝置、互鎖裝置和倒擋鎖機(jī)構(gòu)，如圖1所示，其作用分別是擋位定位、防止同時(shí)掛入兩個(gè)擋位和防止誤掛倒擋。換擋開始時(shí)選換擋軸軸向移動(dòng)，帶動(dòng)換擋指進(jìn)入相應(yīng)凹槽，再通過轉(zhuǎn)動(dòng)選換擋軸使其帶動(dòng)換擋指撥動(dòng)換擋撥叉，換擋撥叉沿?fù)懿孑S軸向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)接合套與接合齒圈嚙合，完成換擋。

自鎖裝置對(duì)換擋性能的影響有直接聯(lián)系。在撥叉軸上有3個(gè)凹槽對(duì)應(yīng)不同擋位位置，當(dāng)處于空擋位置時(shí)自鎖鋼珠在自鎖彈簧的壓力下嵌入中間位置的凹槽，換擋時(shí)撥叉軸軸向移動(dòng)擠壓鋼珠進(jìn)入相應(yīng)擋位凹槽[3]。

如圖2所示為自鎖凹槽的截面輪廓，凹槽2為空擋位置，凹槽1為目標(biāo)擋位位置。換擋時(shí)撥叉軸軸向移動(dòng)，自鎖鋼珠從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，撥叉軸所受阻力逐漸增大，而越過B點(diǎn)后阻力迅速減小；C點(diǎn)為擋位凹槽前坡面的最高點(diǎn)，發(fā)生二次沖擊時(shí)，自鎖鋼珠已進(jìn)入擋位凹槽，自鎖鋼珠在前坡面CD段作用在撥叉軸上的軸向力與撥叉軸的移動(dòng)方向一致，就可以抵消部分二次沖擊。因此，自鎖凹槽的截面輪廓與同步器接合套的行程應(yīng)是相匹配的，即自鎖鋼珠進(jìn)入擋位凹槽點(diǎn)位置應(yīng)處于二次沖擊產(chǎn)生的行程范圍內(nèi)。

同步器工作機(jī)理分析

1.同步器的結(jié)構(gòu)及作用

換擋過程中，待嚙合的兩齒輪轉(zhuǎn)速若未達(dá)到一致而強(qiáng)行掛擋，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和刺耳的噪聲，嚴(yán)重者甚至?xí)斐升X輪輪齒斷裂。早期汽車變速器并未配備同步器的時(shí)候，駕駛員需掌握一定的換擋操作技巧以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)平順準(zhǔn)確地完成換擋動(dòng)作，但長(zhǎng)期復(fù)雜的操作易導(dǎo)致駕駛員精神和身體上的疲勞。因此，同步器在市場(chǎng)的需求下應(yīng)運(yùn)而生，其作用就是既能保證換擋過程平順無沖擊，提高操作舒適性，又能簡(jiǎn)化換擋操作，降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。

圖3 單錐面鎖環(huán)式同步器

圖4 各零件花鍵齒位置

早期的接合套換擋機(jī)構(gòu)包括接合套、花鍵轂和對(duì)應(yīng)齒輪上的接合齒圈，而同步器是在其基礎(chǔ)上增加了能使接合套與對(duì)應(yīng)齒輪上的接合齒圈的轉(zhuǎn)速在短時(shí)間內(nèi)趨于一致并在轉(zhuǎn)速未達(dá)到一致前阻止兩者接合的機(jī)構(gòu)。

同步器的同步作用是基于摩擦原理[4]，除了因工作不可靠而被淘汰的常壓式同步器，目前廣泛應(yīng)用于汽車上的是慣性式同步器，慣性式同步器又包括鎖環(huán)式慣性同步器和鎖銷式慣性同步器。鎖環(huán)式慣性同步器結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，但因其摩擦錐面半徑小，同步容量小，常用于傳遞轉(zhuǎn)矩不大的轎車、輕型客車和輕型貨車上。在結(jié)構(gòu)上，相較于鎖環(huán)式慣性同步器，鎖銷式慣性同步器摩擦錐面的半徑更大，同步容量就大，可用于傳遞轉(zhuǎn)矩較大的中型以上貨車。時(shí)至今日，同步器早已成為變速器不可或缺的重要組成部分，同步器性能的優(yōu)劣也直接影響著變速器換擋性能的優(yōu)劣。

如圖3所示，花鍵轂4的內(nèi)花鍵與軸連接，外花鍵配合接合套3的軸向滑動(dòng)。花鍵轂4與接合齒圈1、9之間各有一個(gè)錐環(huán)2、8（即同步環(huán)），同步環(huán)2、8的錐面錐度與接合齒圈1、9的錐面錐度相同，且同步環(huán)和接合齒圈的錐面上制有細(xì)牙螺紋槽，其作用是在同步環(huán)與接合齒圈接觸時(shí)破壞潤(rùn)滑油膜，快速排出油液，增加摩擦從而使同步環(huán)和接合齒圈快速同步。花鍵轂徑向均勻分布了3個(gè)軸向槽，3個(gè)滑塊7可分別在相應(yīng)槽內(nèi)做微小的軸向移動(dòng)，嵌入同步環(huán)的3個(gè)缺口內(nèi)。同步環(huán)上有3個(gè)凸起部分，其寬度尺寸再加一個(gè)接合套齒厚即為所對(duì)應(yīng)花鍵轂通槽的寬度。當(dāng)同步環(huán)凸起部分位于花鍵轂通槽中間位置時(shí)，接合套可順利通過同步環(huán)與接合齒圈嚙合；當(dāng)同步環(huán)凸起部分緊貼花鍵轂通槽的任一側(cè)時(shí)，同步環(huán)齒則將阻止接合套的軸向移動(dòng)。同步環(huán)的花鍵齒與花鍵轂的外花鍵齒、接合齒圈的花鍵齒無論是尺寸大小還是斷面齒廓均相同，且要求能與接合套齒相嚙合。

2.同步器工作過程分析

換擋時(shí)，在換擋力的作用下?lián)Q擋撥叉帶動(dòng)接合套，接合套帶動(dòng)滑塊一起移動(dòng)，與同步環(huán)接觸后，將同步環(huán)壓向齒圈，由于同步環(huán)與齒圈之間存在轉(zhuǎn)速差，使得兩接觸錐面產(chǎn)生很大的摩擦力，進(jìn)而帶動(dòng)同步環(huán)相對(duì)接合套超前轉(zhuǎn)動(dòng)了半個(gè)齒厚，阻止接合套繼續(xù)滑動(dòng)。同步環(huán)與齒圈迅速同步后，同步環(huán)齒面軸向力的切向分力所產(chǎn)生的撥環(huán)力矩使得同步環(huán)后退半個(gè)齒厚，進(jìn)而接合套越過同步環(huán)和齒圈繼續(xù)滑動(dòng)，與目標(biāo)擋位的接合齒圈嚙合，換擋完成，如圖4所示。

筆者將換擋過程具體分為8個(gè)階段，如圖5所示。

a. 第一次自由滑動(dòng)階段：此階段從接合套開始滑動(dòng)開始到滑塊與同步環(huán)端面接觸結(jié)束。在換擋力的作用下，換擋撥叉帶動(dòng)接合套，接合套帶動(dòng)滑塊一起滑動(dòng)。在此過程中接合套受到阻力很小，接合套位移變化較快。

b. 同步起始階段：此階段從滑塊接觸同步環(huán)端面到同步環(huán)凸起嵌入花鍵轂通槽結(jié)束。此時(shí)滑塊鋼珠受接合套力作用使滑塊軸向滑動(dòng)嵌入同步環(huán)上所對(duì)應(yīng)的缺口，同步環(huán)錐面受擠壓產(chǎn)生一個(gè)較小的力矩，該力矩促使鎖環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度，使得同步環(huán)凸起貼向花鍵轂通槽一側(cè)，則接合套的鎖止齒面與同步環(huán)齒面相正好相抵觸而不再繼續(xù)嚙合。

c. 同步階段：此階段滑塊壓動(dòng)同步環(huán)與齒圈接觸，同步環(huán)錐面與齒圈錐面接觸產(chǎn)生摩擦，兩錐面產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)同步環(huán)相對(duì)接合套超前轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，同步環(huán)凸起部分緊貼花鍵轂通槽的一側(cè)，同步環(huán)齒阻止接合套繼續(xù)滑動(dòng)。同步環(huán)錐面與齒圈錐面的細(xì)牙螺紋槽快速擠出潤(rùn)滑油液，兩錐面間由流體動(dòng)壓摩擦經(jīng)過混合摩擦變?yōu)楦赡Σ粒瑑烧叩霓D(zhuǎn)速差迅速減小，轉(zhuǎn)速差將為零時(shí)同步過程結(jié)束。

d. 同步環(huán)撥環(huán)階段：此階段從同步環(huán)被撥環(huán)力矩?fù)苻D(zhuǎn)開始，直至同步環(huán)被撥轉(zhuǎn)的角度足以使接合套嚙入同步環(huán)結(jié)束。接合套齒端作用在同步環(huán)齒面的壓力可分解為軸向力和切向力兩部分，軸向力促使同步環(huán)壓緊齒圈，使得兩者快速同步，而在同步過程結(jié)束后，切向力產(chǎn)生的力矩促使同步環(huán)后退一個(gè)角度，解鎖接合套。

e. 第二次自由滑動(dòng)階段：此階段從接合套繼續(xù)向前滑動(dòng)開始到接合套鎖止齒與接合齒圈鎖止齒接觸前結(jié)束。該階段，鋼珠繼續(xù)受接合套壓力沿彈簧軸向方向運(yùn)動(dòng)，直至鋼珠完全被壓入滑塊內(nèi)，此時(shí)鋼珠對(duì)接合套的軸向分力立刻改變。由于接合套在該階段所受軸向力較小，相當(dāng)于自由滑動(dòng)。

f. 二次沖擊階段：此階段從接合套鎖止齒與接合齒圈鎖止齒接觸開始，直至接合齒圈被撥轉(zhuǎn)一角度后接合套能嚙入接合齒圈結(jié)束。在接合套鎖止齒與接合齒圈接觸時(shí)會(huì)發(fā)生撞擊，從而產(chǎn)生二次沖擊。而在接合套鎖止齒與接合齒圈接觸時(shí)，由于每次接觸面面積大小不同，產(chǎn)生的二次沖擊力大小也就不同。當(dāng)接合套鎖止齒齒端正好與接合齒圈齒端相觸時(shí)，產(chǎn)生的沖擊最大；當(dāng)接合套鎖止齒齒端正好嚙入接合齒圈兩齒間間隙時(shí)，產(chǎn)生的沖擊為零。因此，二次沖擊力的大小在兩值之間，具有隨機(jī)性。二次沖擊對(duì)換擋品質(zhì)的影響非常大，一般用二次沖擊力比（即二次沖擊力與最大同步力的比值）對(duì)其進(jìn)行描述，一般要求越小越好。

g. 接合齒圈撥環(huán)階段：接合套作用在接合齒圈齒面的作用力也可分解為軸向力和切向力兩部分，其中切向力所產(chǎn)生的撥環(huán)力矩促使接合齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。

h. 最后自由滑動(dòng)階段：此階段從接合套剛嚙入接合齒圈開始，到接合套完全嚙入接合齒圈結(jié)束。該階段接合套嚙合齒已進(jìn)入接合齒圈，并以較小的阻力繼續(xù)向前移動(dòng)到達(dá)最終的嚙合位置。此時(shí)，該擋位同步器所有部件以相同角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，換擋完成。

結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)系統(tǒng)地分析了手動(dòng)機(jī)械式變速器換擋操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理，著重從換擋系統(tǒng)外操作機(jī)構(gòu)、換擋系統(tǒng)內(nèi)操作機(jī)構(gòu)和同步器三方面對(duì)換擋操作過程進(jìn)行分析，進(jìn)而研究換擋過程中可能對(duì)變速器換擋性能產(chǎn)生影響的因素。其中，重點(diǎn)分析了同步器的8個(gè)工作過程，各個(gè)過程的特點(diǎn)及對(duì)換擋性能產(chǎn)生的影響，從中可提取四個(gè)指標(biāo)對(duì)變速器換擋品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

a.最大換擋力。最大換擋力即駕駛員完成換擋動(dòng)作所需要施加在換擋手柄的最大操作力，一般發(fā)生在換擋過程中的同步階段，也叫最大同步力。駕駛員在進(jìn)行換擋操作時(shí)，最直接的感受就是完成換擋動(dòng)作所需施加的操作力的大小。因此，最大換擋力是最直觀的變速器換擋性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)；

圖5 換擋過程

b.同步時(shí)間。同步時(shí)間指的是在換擋過程中使待嚙合的同步環(huán)和接合齒圈兩部分轉(zhuǎn)速趨于一致所需要的時(shí)間。同步時(shí)間是反映同步器同步性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，與換擋力、同步環(huán)錐面摩擦系數(shù)、同步環(huán)錐面錐角等多方面參數(shù)有關(guān)，而且在變速器換擋性能試驗(yàn)中對(duì)同步時(shí)間有明確的要求，直接關(guān)系到變速器換擋品質(zhì)的優(yōu)劣；

c.同步?jīng)_量。同步?jīng)_量的定義是在同步時(shí)間內(nèi)換擋力與時(shí)間的積分。在換擋過程中，當(dāng)駕駛員施加的換擋操作力較大時(shí)，換擋時(shí)間短；當(dāng)駕駛員施加的換擋操作力較小時(shí)，換擋時(shí)間長(zhǎng)。而同步?jīng)_量作為同步器的固有特性，不隨駕駛員的操作或是其他外界因素的影響而變化，體現(xiàn)了換擋過程駕駛員完成換擋動(dòng)作所消耗的能量。一般來講，同步?jīng)_量值越小說明同步器同步性能越好；

d.二次沖擊力比。在換擋過程中，同步階段完成后接合套越過同步環(huán)與接合齒圈接觸，產(chǎn)生二次沖擊。二次沖擊現(xiàn)象的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了換擋舒適性，而且過大的二次沖擊也將影響換擋過程的平順性。在QC/T 568-2010《汽車機(jī)械式變速器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法》變速器換擋性能試驗(yàn)中明確規(guī)定：變速器設(shè)計(jì)在滿足同步時(shí)間和同步力要求的情況下，二次沖擊力的峰值不高于同步力的70%。