提升MT 變速器換檔性能的方法

張志東 林 健 陳楊軍

蕪湖萬里揚(yáng)變速器有限公司 安徽 蕪湖 241006

1 汽車同步器結(jié)構(gòu)和工作原理

目前汽車上廣泛采用同步器為慣性式同步器,其包括滑塊式同步器、鎖銷式同步器、多錐式同步器、鎖環(huán)式同步器以及自增力同步器。本文中所說介紹的同步器為鎖環(huán)式慣性同步器,其主要結(jié)構(gòu)由摩擦部件、鎖止部件和彈性部件組成。

摩擦部件包含檔位齒輪摩擦錐面、同步環(huán)內(nèi)外摩擦錐面；鎖止部件包含同步器齒套、同步器齒轂、同步器滑塊、同步環(huán)；彈性部件：滑塊彈簧或卡簧。

慣性鎖環(huán)式同步器工作原理,見圖1：

圖1 換擋動(dòng)作模擬圖

換擋時(shí),齒套在換擋力作用下帶動(dòng)滑塊向相應(yīng)檔位同步環(huán)運(yùn)動(dòng),當(dāng)滑塊與同步環(huán)接觸瞬間,滑塊推動(dòng)同步環(huán)向相應(yīng)檔位齒輪摩擦錐面靠近直至接觸,因兩者存在轉(zhuǎn)速差,鎖止部件相對(duì)原位置發(fā)生一定位置偏轉(zhuǎn),促使齒套鎖止角面與同步環(huán)鎖止角面接觸,阻止齒套繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；此時(shí)摩擦部件相接觸,在換擋力作用下產(chǎn)生摩擦力矩,使被接合的兩部分逐漸同步。待被接合兩部件轉(zhuǎn)速相同時(shí),摩擦力減小直至消失,此時(shí)撥環(huán)力矩大于摩擦力矩,齒套將同步環(huán)撥轉(zhuǎn)一定角度,促使兩鎖止面分離,齒套越過同步環(huán)與相應(yīng)檔位接合齒接觸,進(jìn)而進(jìn)入相應(yīng)檔位。

2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)同步器結(jié)構(gòu)及存在問題

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)變速器同步器齒套、齒環(huán)、接合齒均為對(duì)稱結(jié)構(gòu),具體見圖1所示：

圖2 自由行程模擬圖

換擋過程中,齒套在撥叉帶動(dòng)下向齒環(huán)靠近；同步過程中,齒套鎖止面與齒環(huán)鎖止面接觸,此時(shí)齒環(huán)阻止齒套進(jìn)一步運(yùn)動(dòng),摩擦錐面在摩擦力矩作用下使被同步部件轉(zhuǎn)速趨于相同。當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí),錐面摩擦力消失,齒套撥環(huán)力矩大于摩擦力矩,齒套將同步環(huán)撥正一定角度。齒套繼續(xù)運(yùn)動(dòng),在齒套運(yùn)動(dòng)距離d(圖2)范圍內(nèi)被同步部件僅在慣性矩作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),無外界作用。此階段同步部件及被同步部件產(chǎn)生新轉(zhuǎn)速差,此轉(zhuǎn)速差直接造成齒套進(jìn)入結(jié)合齒

時(shí)產(chǎn)生二次沖擊力(DB 力),此力過大時(shí),會(huì)明顯作用于手柄,表現(xiàn)出進(jìn)檔力突變,換擋舒適性差。

3 同步器新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)理

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,同步器齒套、結(jié)合齒設(shè)計(jì)時(shí)采用全部對(duì)稱齒或者全部偏齒結(jié)構(gòu)。新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在單檔位上同時(shí)采用高低齒+偏齒結(jié)構(gòu),見圖3,對(duì)各齒功能進(jìn)行區(qū)分：

圖3 齒套高低齒工作原理圖

(a)齒套設(shè)置高低齒：低齒負(fù)責(zé)換擋過程的同步階段,確保在未達(dá)到同步前阻止齒套繼續(xù)滑移；同步過程中高齒位置對(duì)應(yīng)齒環(huán)做缺齒處理,高齒不參與同步過程,在低齒同步過程中高齒齒套前端已越過同步點(diǎn),有效縮短了同步器齒套與同步錐鎖止面棱線間距,縮短齒套第二階段空行程,減小轉(zhuǎn)速差過大引起的換擋沖擊,見圖3；

齒套花鍵齒上區(qū)分高低齒,高低齒偏距L,L一般取0.4-1.0mm,鎖止角α1＜α3≤α2,d2＜d1,采用高低齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),d2范圍可以降低至0.4-1.0mm。

圖4 齒套高低齒+偏齒結(jié)構(gòu)

(b)高齒設(shè)置偏齒：齒套高齒鎖止角做成偏齒結(jié)構(gòu),鎖止面采用大小角非對(duì)稱設(shè)計(jì)。

偏齒結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)在保證一定嚙合長度的情況下,最大限度的減小鎖止角；增加撥環(huán)力,減小軸向分力；同時(shí)因偏齒存在,齒套撥正結(jié)合齒轉(zhuǎn)角減小,撥正入檔更順暢,能有效提高換擋舒適性。

撥環(huán)力F撥環(huán)計(jì)算：

目前，常用的浮選方案主要有兩種：浮選機(jī)分選和浮選柱分選工藝。考慮到公司選煤廠空間狹窄，旋流微泡浮選柱設(shè)備占地面積小，無運(yùn)動(dòng)部件，磨損小，維護(hù)工作量小，維護(hù)費(fèi)用低，操作簡單，調(diào)整容易，并且精煤灰分調(diào)整幅度大，可根據(jù)煤質(zhì)和市場生產(chǎn)灰分不同的精煤等因素，決定采用FCMC-4500型旋流微泡浮選柱工藝。

其中：

F：換擋時(shí)齒套受到的換擋力；

u-鎖止面靜摩擦系數(shù)；

θ-鎖止角(deg)

例：公司內(nèi)某款變速器換擋力F=60N,拉線及系統(tǒng)傳遞效率：η=80%,系統(tǒng)換擋杠桿比i=6.8；鎖止面靜摩擦系數(shù)u=0.1,鎖止角優(yōu)化前角度θ1=115°,優(yōu)化后角度θ2=86°,通過計(jì)算撥環(huán)力變化如下：

通過實(shí)例可知,通過調(diào)整鎖止角,撥環(huán)力相對(duì)原結(jié)構(gòu)提升1.75倍,撥環(huán)效果顯著提升。

通過公式可知,同步器其它參數(shù)不變情況下,鎖止角度減小,撥環(huán)力變大,同時(shí)因高齒為偏齒結(jié)構(gòu),當(dāng)齒套鎖止面與結(jié)合齒鎖止面接觸撥正結(jié)合齒所撥轉(zhuǎn)的角度減小,進(jìn)檔更快。

4 齒套高低齒及偏齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制點(diǎn)

常規(guī)同步器換擋時(shí),待齒套越過同步點(diǎn)后,因距離d的存在,同步部件與被同步部件產(chǎn)生新轉(zhuǎn)速差。齒套在進(jìn)入接合齒時(shí)需對(duì)結(jié)合齒進(jìn)行撥正,其正常路徑為接合齒鎖止面沿著圖示齒套鎖止面線1(實(shí)線)或線2(實(shí)線)滑動(dòng),直至進(jìn)入檔位。

但高低齒+偏齒結(jié)構(gòu)同步器換檔時(shí),待齒套越過同步點(diǎn)后,接合齒鎖止面沿高齒鎖止面線1'(虛線)或2'(虛線)滑動(dòng)。當(dāng)接合齒鎖止面沿2'線滑動(dòng)時(shí),接合齒無法越過低齒尖點(diǎn)(圖示),造成同步器自鎖,表現(xiàn)出換擋卡死。

通過計(jì)算及作圖法可知：

圖示邊線1、2：低齒鎖止面分度圓截面邊線；

圖示邊線1'、2'：高齒鎖止面分度圓截面邊線；

圖示H：高低齒偏移距離；

圖示S：高齒鎖止角偏移距離。

圖示θ：邊線2'對(duì)應(yīng)鎖止角；

確保低齒尖點(diǎn)包含在2'線內(nèi)。

圖例：以公司某款變速器設(shè)計(jì)方案為例：

高低齒偏距H=0.7,高齒鎖止角偏距S=0.4,對(duì)應(yīng)鎖止角度θ=50°,齒套與結(jié)合齒接觸運(yùn)動(dòng)模擬圖如下：

圖6 齒套高齒接觸結(jié)合齒 圖7 齒套高齒越過結(jié)合齒

通過圖示可以看出當(dāng)齒套高齒接觸接合齒時(shí),齒套低齒未接觸到齒套低齒,待齒套撥正結(jié)合齒繼續(xù)進(jìn)檔時(shí),齒套高齒將結(jié)合齒按照?qǐng)D示方向偏轉(zhuǎn),此時(shí)如圖示7所示,接合齒尖端并未越過齒套低齒尖端,兩者出現(xiàn)干涉,阻止齒套進(jìn)行進(jìn)檔,即自鎖。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證效果

以公司某款變速器同步器結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后參數(shù)見同步器優(yōu)化前后參數(shù)表1；

表1 優(yōu)化同步器優(yōu)化前后參數(shù)表

原同步器換擋二次沖擊力(DB 力)大于同步力50%及以上占比42.8%(一般設(shè)計(jì)要求≤20%),采用新結(jié)構(gòu)同步器后,換擋二次沖擊力大于(DB力)同步力50%及以上出占比降為0%,換擋舒適性明顯提高,客戶認(rèn)可度高。

圖8 原同步器結(jié)構(gòu)換擋曲線圖

圖9 優(yōu)化同步器結(jié)構(gòu)換擋曲線圖

5 結(jié)束語

通過同步器設(shè)置高低齒+偏齒結(jié)構(gòu),有效縮小齒套空行程帶來的換擋轉(zhuǎn)速差,同時(shí)設(shè)置偏齒減小進(jìn)檔角度,從而消除換擋二次沖擊,有效提升變速器換擋舒適性。