手動變速器動態換擋卡滯改進策略研究

張銀超

摘 要：手動擋汽車換擋性能開發時，經常會產生換擋卡滯的抱怨，且解決難度比較大。換擋卡滯主要包括同步卡滯、換擋二次沖擊。通過理論分析計算發現，適當降低軟軸剛度，可以增加同步過程的系統變形量，改善同步卡滯;同時提高齒套自由滑行階段的速度，減小自由滑行時產生的轉速差，降低二次沖擊產生的卡滯。通過GSA測試對比分析，降低軟軸剛度后，可以明顯改善同步卡滯及二次沖擊卡滯，改善換擋手感，提高客戶滿意度。

關鍵詞：手動變速器 換擋性能 軟軸剛度 同步卡滯 二次沖擊

1 引言

MT換檔性能十分重要，在整車匹配開發的過程中發現，同一款變速箱，匹配不同的整車廠，換擋性能有明顯的差異。對比分析發現，兩款車的換擋機構、軟軸不同，換擋差異的原因可能是有軟軸造成的。

2 換擋過程分析

對于典型的慣性式同步器，可以簡單的把換擋過程分為以下五個階段，過程如下：

階段1預同步階段：齒套帶動滑塊，滑塊頂同步環，在滑塊力的作用下，同步環和結合齒錐面摩擦，使同步環轉動，同步環的梅角面和齒套的梅角面開始接觸;

階段II同步階段：滑塊越出齒套滑塊槽，同步環持續摩擦錐面，直到結合齒轉速和齒套轉速一致，同步完成;

階段III自由滑行階段：由于，由于撥正力矩、拖曳力矩等因素的存在，結合齒和齒套產生新的轉速差;

階段IV二次沖擊區：結合齒與齒套由于自由滑行區產生的轉速差的存在，齒套進入結合齒嚙合的過程中，會與結合齒梅角相撞，產生沖擊，影響換擋手感;

階段V完全入擋區：齒套的背錐與結合齒的背錐嚙合，完全入擋，松開離合器后，開始傳遞動力;

3 同步卡滯

同步階段會持續一段時間，在該段時間內，撥叉齒套等不會發生軸向移動，如果軟軸及換擋機構不能提供一定的變形量，會產生同步卡滯。整車客戶抱怨的同步卡滯、卡、硬等，很大程度上，是由該原因造成的。

3.1 同步卡滯產生原因分析

在同步過程中受力分析如下式所示。

同步過程中，必然有T_z

分析該項目典型該換擋曲線，可以看到明顯的同步卡滯。在該曲線中，同步階段可以分為三個階段。

階段1：同步力隨著換擋行程的增加而增加，但剛度較大，感覺換擋稍硬。

階段2：同步力增加而換擋行程不發生改變，認為剛度是無窮大，此過程換擋很硬，即為同步卡滯。所謂同步卡滯，就是換擋過程中，在某個時間段內，同步力增加，而換擋手球沒有位移，這種感覺就相當于手在推剛性體，換擋極不舒服，容易產生抱怨。

階段3：同步完成后，齒套撥正同步環，穿過同步環，力隨著位移的增加而增加，完成同步環撥正。

3.2 優化案例

某新款變速器，在開發過程中，客戶抱怨1/2/3擋換擋有明顯同步卡滯。通過GSA設備測試分析，得到動態換擋性能曲線，如圖2上兩圖所示。

由于存在換擋同步卡滯，首先排查同步沖量，經過測量分析，同步沖量分別為：1->2 4.3Ns，2->3 3.2Ns，2->1 8.4Ns，3->2 4.9Ns。與同級別變速箱相當，說明該同步器有足夠的同步容量。

排查換擋軟軸，圖1上圖為某型號車型所使用的換擋拉索。在軟軸A端，拉索球銷與軟軸系統中，均為硬質塑料，換擋剛度較大，換擋同步剛度達到12N/mm，并且有一段豎直上升段。

更換軟軸系統靠A端，更換后的零件如圖1下圖所示。

更換拉索A端后，動態換擋曲線如圖2下兩圖所示，換擋同步剛度3.6N/mm，換擋柔順度提高。

在公司內部，隨機找20人經常駕駛手動變速箱的人員進行主觀評價，換擋同步卡滯抱怨率由95%降低至0%。

4 二次沖擊卡滯

二次沖擊產生的根本原因是：同步完成后，進入嚙合之前，由于多種因素結合齒與同步器產生新的轉速差。而轉速差產生的原因主要有：同步完成后，撥正力矩大于同步力矩，齒套撥動同步環轉動，同步環帶動結合齒轉動，與齒套轉速不一致;同步完成后，齒套進入嚙合之前，在該時間段內，齒套與結合齒所受拖曳力矩不一致，會產生新的轉速差;齒套進入結合齒嚙合之前，齒套與結合齒的相對位置時隨機的，齒套梅角有一定的概率撞擊在結合齒的梅角面上，產生二次沖擊。

減小二次沖擊的重要方式之一，就是縮短自由滑行時間。因為同步環必須有足夠的后背量及結構的限制，自由滑行行程無法縮短，自由通過提高速度，縮短自由滑行時間。

4.1 軟軸剛度對二次沖擊的影響分析

在同步過程中，由于摩擦力矩大于撥正力矩，齒套不會向擋位方向移動，因此同步過程中，整個換擋傳動鏈都是在發生彈性變形。同步完成的瞬間，齒套從靜止開始運動，傳動鏈系統的彈性變形產生的彈性勢能轉化為齒套的動能，其轉換的公式如下：

（式3）

其中：k系統剛度;

x系統變形量;

m齒套質量;

v齒套運動速度。

通過適當降低系統剛度，增加系統變形量，可以明顯提高自由滑行的速度，降低自由滑行時間，在同樣拖曳力矩的情況下，明顯降低轉速差該變量，降低二次沖擊。

4.2 優化案例

采用如圖1下圖所示的新軟拉索，動態換擋同步時，拉索系統在變形，同步完成后，撥正力矩大于同步力矩，同步解鎖，此時由于系統為彈性變形，齒套、撥叉等部件會以極快的速度進入結合齒嚙合，此時會大幅度的縮減自由滑行時間，減小了齒套與結合齒之間的轉速差，減小了二次沖擊。

進入結合齒時，齒套梅角與結合齒梅角撞擊時，由于系統采用軟拉索，會吸收沖擊能量，手球上能夠感受到的二次沖擊也會明顯變小。

如圖2，通過測試對比發現，平均二次沖擊力比明顯降低，且二次沖擊力比的發生概率也明顯降低。低剛度軟軸能夠明顯降低換擋二次沖擊，提升換擋手感。

5 結論

通過理論分析及試驗，證明適當降低軟軸剛度，可以明顯改善換擋同步卡滯及二次沖擊。在后續項目開發過程中，可以在項目開發前期，與客戶溝通，讓客戶更多的注意軟軸剛度對換擋性能有明顯影響。

參考文獻：

[1] Harald Naunheimer著，宋進桂，龔宗洋等譯. 汽車變速器理論基礎、選擇、設計與應用[M].北京：機械工業出版社.2014.1.

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