關于手動變速箱倒擋換擋性能的研究

王偉，張延平

（陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 寶雞 722409）

引言

操縱換擋性能是評價一款手動變速箱的重要指標，良好的操縱換擋性能可以增加駕駛樂趣。目前大多手動變速箱，前進擋采用同步器結構換擋，倒擋采用滑動齒套嚙合方式換擋，用戶反饋掛倒擋卡滯，有時伴隨明顯的沖擊聲，嚴重時甚至掛不進倒擋，嚴重影響用戶駕駛體驗，引發客戶強烈抱怨。因此，對產生掛擋卡滯、難掛的原因進行探析，并提出行之有效的改進措施顯得尤為重要。

1 倒擋卡滯原因分析

1.1 倒擋換擋過程

該款手動變速箱前進擋采用同步器結構換擋，倒擋采用滑動齒套方式換擋。通過撥動滑動齒套實現二軸倒擋齒輪和二軸動力傳輸；通過增加倒擋介輪來實現扭矩的反向傳遞。具體見圖1。

圖1 倒擋結構原理

發動機將動力傳入一軸齒輪1，中間軸常嚙合齒輪2通過中間軸四方鍵3與中間軸4連接，一軸齒輪1和中間軸常嚙合齒輪2嚙合動力傳輸給中間軸4；中間軸齒與倒擋介輪5嚙合，倒擋介輪5與二軸倒擋齒輪6，從而帶動二軸倒擋齒輪6在二軸8上空轉；倒擋滑套7與二軸8通過花鍵連接，撥動倒擋滑套與二軸倒擋齒輪結合齒結合實現動力傳遞。

1.2 卡滯原因

從上文倒擋換擋過程中可以看出，通過撥動靜止的倒擋滑套與旋轉的二軸倒擋齒輪結合齒部分進行嚙合，一般都會發生沖擊、卡滯。主要與輸入軸的速度，滑套結合齒的錐面角度等因素有關。

通常，一般踩下離合器踏板等待約3s左右，待輸入軸轉速充分的下降，可有效地避免倒擋滑套嚙合時的沖擊、卡滯現象，同時掛擋力也比較輕便。但隨著社會的發展，人們對換擋舒適性也愈發重視，僅靠改變駕駛習慣是不夠的，須從產品結構上來不斷的設計優化。

1.3 倒擋掛擋力數學模型建立

由動量定理可知：

基本代數變換可得：

式中：Ft為倒擋結合齒節圓處周向力；t為掛入倒擋時間；v1和v2分別為掛入倒擋前后倒擋齒圈處節圓處線速度；Δω為掛入倒擋過程中的角速度變化量；m、I為離合器從動部分，一軸總成、中間軸總成及二軸上需要同步部分的質量和轉動慣量；R為結合齒的節圓半徑。

撥動倒擋滑套與二軸倒擋齒輪結合過程中，二軸倒擋齒輪對倒擋滑套結合齒錐面受力分析如圖2所示。

圖2 結合齒錐面處受力分析圖

圖中：f為二軸倒擋齒輪結合齒對倒擋滑套錐面的摩擦力；N為二軸倒擋齒輪結合齒對倒擋滑套錐面的正壓力；FR為進擋力（該處僅為撥動倒擋滑套嚙合所需的力，不包含撥叉和操縱處等處的摩擦力及自鎖力）；2α為結合齒錐角，后文可用β代替。

式中：μ為結合齒錐面間的摩擦系數，查閱機械設計手冊，取μ=0.1。

對（2）式、（3）式、（4）式和（5）式聯立可得：

f（a）的函數如圖3所示，可以看出在近似（0，π/2）區間內單調遞增。

圖3 f（a）的函數圖像

2 改進方向及措施

通過（6）式上文的分析可以看出進擋力FR與I、、α和R四項因素有關，面對倒擋卡滯、沖擊、換擋沉重等問題可以從這四方面解決。

2.1 降低輸入系統的轉動慣量

通過降低離合器從動部分，一軸總成、中間軸總成及二軸上齒輪的轉動慣量可以降低進擋力FR。但在實際當中，變速箱和離合器從動盤部分受傳遞扭矩、材料等影響，一旦產品定型，調整轉動慣量很難，只能盡可能優化。

2.2 降低輸入系統的角速度

通過公式可以看出，降低Δω/t可以有效降低進擋力FR。從Δω/t來看，一方面是降低發動機怠速轉速，掛倒擋時，汽車靜止，輸入系統及變速箱內輸入軸、中間軸總成及二軸上空套齒輪都在發動機怠速情況下旋轉，只有初始速度足夠小，才可在最大程度上避免掛擋時因轉速差而產生沖擊。另一方面時延長時間t。可以通過改善司機駕駛習慣，踩下離合約等3s左右，使輸入系統轉速充分下降在進行掛擋。最后，可以在變速箱上布置減速機構，使輸入系統速度急速下降。如某款AMT變速箱通過加裝輸入轉速傳感器，監控輸入轉速，接入氣源，通過電磁閥開閉來控制氣源通斷，給中間軸產生制動力矩使得輸入轉速急速下降。

簡而言之，降低輸入系統的角速度，可從降低初始角速度、延長掛擋時間和布置減速裝置產生制動力矩，提高單位時間內的減速效果。

2.3 減小結合齒錐角

設計錐角的本意是為了易于進擋，但同時也應考慮錐角大小對進擋力的影響。通過圖3我們可以看出f（a）圖像在（0，π/2）區間內單調遞增，角度越大，上升的趨勢越明顯，因此在設計結合齒錐角時要盡可能小。

2.4 增大結合齒的節圓半徑

通過增大結合齒的節圓半徑可以明顯的降低掛擋力及進擋沖擊，我司某款客車用變速箱通過增大倒擋結合齒節圓半徑有效改善了掛擋手感。

3 總結

針對手動變速箱掛倒擋過程中存在卡滯及伴隨明顯沖擊的現象，本文首先從倒擋換擋過程入手，對產生卡滯的原因進行定性分析。緊接著對整個換擋過程進行受力分析，建立數學模型，分析出進擋力FR與I、Δω/t、α和R四項因素有關。最后，從這四個方面提出了改進的方向及思路，為以后解決該類問題有一定的指導意義。