關(guān)于手動(dòng)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(zé)任公司，陜西 寶雞 722409）

引言

操縱換擋性能是評價(jià)一款手動(dòng)變速箱的重要指標(biāo)，良好的操縱換擋性能可以增加駕駛樂趣。目前大多手動(dòng)變速箱，前進(jìn)擋采用同步器結(jié)構(gòu)換擋，倒擋采用滑動(dòng)齒套嚙合方式換擋，用戶反饋掛倒擋卡滯，有時(shí)伴隨明顯的沖擊聲，嚴(yán)重時(shí)甚至掛不進(jìn)倒擋，嚴(yán)重影響用戶駕駛體驗(yàn)，引發(fā)客戶強(qiáng)烈抱怨。因此，對產(chǎn)生掛擋卡滯、難掛的原因進(jìn)行探析，并提出行之有效的改進(jìn)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(dòng)變速箱前進(jìn)擋采用同步器結(jié)構(gòu)換擋，倒擋采用滑動(dòng)齒套方式換擋。通過撥動(dòng)滑動(dòng)齒套實(shí)現(xiàn)二軸倒擋齒輪和二軸動(dòng)力傳輸；通過增加倒擋介輪來實(shí)現(xiàn)扭矩的反向傳遞。具體見圖1。

圖1 倒擋結(jié)構(gòu)原理

發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)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(dòng)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(dòng)二軸倒擋齒輪6在二軸8上空轉(zhuǎn)；倒擋滑套7與二軸8通過花鍵連接，撥動(dòng)倒擋滑套與二軸倒擋齒輪結(jié)合齒結(jié)合實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)靜止的倒擋滑套與旋轉(zhuǎn)的二軸倒擋齒輪結(jié)合齒部分進(jìn)行嚙合，一般都會發(fā)生沖擊、卡滯。主要與輸入軸的速度，滑套結(jié)合齒的錐面角度等因素有關(guān)。

通常，一般踩下離合器踏板等待約3s左右，待輸入軸轉(zhuǎn)速充分的下降，可有效地避免倒擋滑套嚙合時(shí)的沖擊、卡滯現(xiàn)象，同時(shí)掛擋力也比較輕便。但隨著社會的發(fā)展，人們對換擋舒適性也愈發(fā)重視，僅靠改變駕駛習(xí)慣是不夠的，須從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上來不斷的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1.3 倒擋掛擋力數(shù)學(xué)模型建立

由動(dòng)量定理可知：

基本代數(shù)變換可得：

式中：Ft為倒擋結(jié)合齒節(jié)圓處周向力；t為掛入倒擋時(shí)間；v1和v2分別為掛入倒擋前后倒擋齒圈處節(jié)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(dòng)部分，一軸總成、中間軸總成及二軸上需要同步部分的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R為結(jié)合齒的節(jié)圓半徑。

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

圖2 結(jié)合齒錐面處受力分析圖

圖中：f為二軸倒擋齒輪結(jié)合齒對倒擋滑套錐面的摩擦力；N為二軸倒擋齒輪結(jié)合齒對倒擋滑套錐面的正壓力；FR為進(jìn)擋力（該處僅為撥動(dòng)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(jié)合齒錐角，后文可用β代替。

式中：μ為結(jié)合齒錐面間的摩擦系數(shù)，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，取μ=0.1。

對（2）式、（3）式、（4）式和（5）式聯(lián)立可得：

f（a）的函數(shù)如圖3所示，可以看出在近似（0，π/2）區(qū)間內(nèi)單調(diào)遞增。

圖3 f（a）的函數(shù)圖像

2 改進(jìn)方向及措施

通過（6）式上文的分析可以看出進(jìn)擋力FR與I、、α和R四項(xiàng)因素有關(guān)，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(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

通過降低離合器從動(dòng)部分，一軸總成、中間軸總成及二軸上齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以降低進(jìn)擋力FR。但在實(shí)際當(dāng)中，變速箱和離合器從動(dòng)盤部分受傳遞扭矩、材料等影響，一旦產(chǎn)品定型，調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很難，只能盡可能優(yōu)化。

2.2 降低輸入系統(tǒng)的角速度

通過公式可以看出，降低Δω/t可以有效降低進(jìn)擋力FR。從Δω/t來看，一方面是降低發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速，掛倒擋時(shí)，汽車靜止，輸入系統(tǒng)及變速箱內(nèi)輸入軸、中間軸總成及二軸上空套齒輪都在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速情況下旋轉(zhuǎn)，只有初始速度足夠小，才可在最大程度上避免掛擋時(shí)因轉(zhuǎn)速差而產(chǎn)生沖擊。另一方面時(shí)延長時(shí)間t。可以通過改善司機(jī)駕駛習(xí)慣，踩下離合約等3s左右，使輸入系統(tǒng)轉(zhuǎn)速充分下降在進(jìn)行掛擋。最后，可以在變速箱上布置減速機(jī)構(gòu)，使輸入系統(tǒng)速度急速下降。如某款A(yù)MT變速箱通過加裝輸入轉(zhuǎn)速傳感器，監(jiān)控輸入轉(zhuǎn)速，接入氣源，通過電磁閥開閉來控制氣源通斷，給中間軸產(chǎn)生制動(dòng)力矩使得輸入轉(zhuǎn)速急速下降。

簡而言之，降低輸入系統(tǒng)的角速度，可從降低初始角速度、延長掛擋時(shí)間和布置減速裝置產(chǎn)生制動(dòng)力矩，提高單位時(shí)間內(nèi)的減速效果。

2.3 減小結(jié)合齒錐角

設(shè)計(jì)錐角的本意是為了易于進(jìn)擋，但同時(shí)也應(yīng)考慮錐角大小對進(jìn)擋力的影響。通過圖3我們可以看出f（a）圖像在（0，π/2）區(qū)間內(nèi)單調(diào)遞增，角度越大，上升的趨勢越明顯，因此在設(shè)計(jì)結(jié)合齒錐角時(shí)要盡可能小。

2.4 增大結(jié)合齒的節(jié)圓半徑

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

3 總結(jié)

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