劉荔斌，張銀超，許長龍

（上海汽車變速器有限公司，上海 201800）

隨著中國汽車市場的不斷發(fā)展，消費(fèi)者在購買汽車時除了關(guān)注價格、安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性之外，越來越重視駕駛的舒適性，而手動機(jī)械式變速器的動態(tài)換擋性能是駕駛舒適性的重要指標(biāo)。汽車動態(tài)換擋性能的基本要求是柔和、清晰，而動態(tài)換擋過程中的二次沖擊力是決定動態(tài)換擋是否柔和及清晰的重要指標(biāo)，直接影響整車的換擋品質(zhì)。汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]（QC/T568.1—2010）明確了變速器動態(tài)換擋過程中二次沖擊力峰值不高于同步力的70%。二次沖擊力偏大會導(dǎo)致動態(tài)換擋過程中極不順暢，不能滿足消費(fèi)者的需求，因此，目前各個整車廠都對二次沖擊有相應(yīng)的要求。研究表明，當(dāng)二次沖擊力峰值小于最大同步力的50%時，駕駛員在換擋過程中是無法明顯感知的，認(rèn)為可接受[2]。

本文主要針對某款搭載6擋手動變速器乘用車在動態(tài)換擋過程中存在的二次沖擊偏大的問題，提出變速器結(jié)構(gòu)等優(yōu)化策略，并利用GSA（Gear Shift Analysis）換擋分析系統(tǒng)測試驗(yàn)證，最終改善整車動態(tài)換擋二次沖擊。

1 換擋二次沖擊產(chǎn)生機(jī)理

同步器同步過程分為五個階段[3-4]，如圖1所示。

圖1 同步器同步過程

（1）預(yù)同步階段：齒套處于中間擋位位置，在換擋力F作用下齒套軸向移動，滑塊在彈簧力作用下脫離定位。

（2）同步階段：齒套繼續(xù)軸向移動，齒套梅角面與同步環(huán)梅角面接觸，接觸面產(chǎn)生的摩擦力矩TR大于撥正力矩TZ，從而保證接觸面鎖止，齒套保持靜止。

（3）自由滑行階段：轉(zhuǎn)速同步完成，摩擦力矩TR降為0，在撥正力矩TZ作用下，解除鎖止?fàn)顟B(tài)，換擋力迅速下降，齒套越過同步環(huán)。

（4）二次沖擊階段：齒套越過同步環(huán)后，齒套梅角與接合齒梅角接觸，產(chǎn)生二次沖擊。

（5）嚙合階段：齒套梅角與接合齒梅角產(chǎn)生的二次沖擊促使齒套撥正，齒套與接合齒嚙合，換擋完成。

在二次沖擊階段，齒套梅角和接合齒梅角接觸時，每次接觸的面積大小不同，因此產(chǎn)生的二次沖擊力大小也不同。當(dāng)齒套梅角頂端與接合齒梅角頂端接觸時，此時產(chǎn)生的二次沖擊最大，當(dāng)齒套梅角正好嚙入接合齒兩齒間時，產(chǎn)生的二次沖擊為0。因此，動態(tài)換擋過程中產(chǎn)生的二次沖擊具有隨機(jī)性。

2 二次沖擊改善策略

二次沖擊作為換擋舒適性的重要指標(biāo)，在動態(tài)換擋過程中，如果二次沖擊過大，駕駛員能明顯感受到“兩段感”，換擋舒適性和噪聲指標(biāo)受到較大影響，同時還會縮短同步器和接合齒的壽命，而二次沖擊具有隨機(jī)性且難以避免，因此需要相應(yīng)策略來改善二次沖擊。

2.1 非對稱齒結(jié)構(gòu)

在自由滑行階段，齒套和接合齒之間會產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)速差，轉(zhuǎn)速差是由拖曳力矩和撥正力矩共同作用而產(chǎn)生的，齒套越過同步環(huán)的自由行程為S，自由行程S越大，轉(zhuǎn)速差就越大，而轉(zhuǎn)速差是二次沖擊的根本原因。在降擋過程中，拖曳力矩方向與撥正力矩方向相反，拖曳力矩阻礙齒套和接合齒產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)速差，因此降擋的二次沖擊會很小。而在升擋過程中，拖曳力矩方向與撥正力矩方向相同，兩者共同作用下會在自由滑行這段時間內(nèi)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)速差，進(jìn)而產(chǎn)生較大的二次沖擊，因此將同步器中的齒套和接合齒設(shè)計(jì)成不對稱結(jié)構(gòu)，使升擋側(cè)的自由行程縮短，能有效改善二次沖擊。

圖2為某6擋手動變速器原狀態(tài)1、2擋同步器和2擋接合齒的部分尺寸關(guān)系簡化圖，圖中同步器處于同步階段，后背量h2=1.4 mm，由此可以計(jì)算得到該同步器的自由行程為：

圖2 原狀態(tài)同步器部分尺寸關(guān)系簡化圖

為了減小自由行程，將2擋接合齒設(shè)計(jì)為非對稱齒結(jié)構(gòu)，圖3為1、2擋同步器和2擋非對稱接合齒的部分尺寸關(guān)系簡化圖，圖中同步器也處于同步階段，后背量h2=1.4 mm，由此可以計(jì)算得到非對稱接合齒下同步器的自由行程為：

圖3 新狀態(tài)同步器部分尺寸關(guān)系簡化圖

經(jīng)過計(jì)算得到原狀態(tài)同步器同步結(jié)束后的自由行程為2.26 mm，將2擋接合齒設(shè)計(jì)為非對稱結(jié)構(gòu)后，同步器同步結(jié)束后的自由行程為1.88 mm，自由行程減小了0.38 mm，是對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下的17%，對動態(tài)換擋二次沖擊有一定的改善作用。

2.2 優(yōu)化換擋系統(tǒng)剛度

換擋系統(tǒng)剛度也是影響動態(tài)換擋二次沖擊的重要因素。在同步階段，變速器本體內(nèi)撥叉和齒套相對位置不變，當(dāng)換擋系統(tǒng)剛度過大時，排擋手球處的系統(tǒng)變形量很小，一旦同步解鎖完成，撥叉帶動齒套越過自由行程段的速度取決于排擋手球處的換擋速度；當(dāng)換擋系統(tǒng)剛度較小時，排擋手球處的系統(tǒng)變形量較大，一旦同步解鎖完成，撥叉帶動齒套越過自由行程段的速度由系統(tǒng)彈性變形恢復(fù)速度和排擋手球處的換擋速度疊加組成。因此，在排擋手球處相同的換擋速度下，換擋系統(tǒng)剛度越小，使齒套解鎖后越過自由行程段的所用時間越短，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速差也越小，從而改善換擋二次沖擊。

圖4為某6擋手動變速器原狀態(tài)換擋拉索接頭，該拉索接頭為整塊實(shí)心橡膠包裹住柱銷孔，實(shí)心橡膠圈套在金屬換擋接頭內(nèi)。在換擋同步階段，換擋系統(tǒng)的部分變形依靠實(shí)心橡膠的剛度，如果實(shí)心橡膠的剛度較大，則在同步階段，系統(tǒng)的變形就較小，同步解鎖后，手球處可能會感受到明顯的二次沖擊，因此需要對實(shí)心橡膠做優(yōu)化處理。圖5為優(yōu)化后的換擋拉索接頭，該拉索接頭的實(shí)心橡膠在換擋前后方向進(jìn)行了月牙形的鏤空設(shè)計(jì)。在換擋同步階段，換擋系統(tǒng)的部分變形除了橡膠自身的剛度變形外，月牙形的鏤空設(shè)計(jì)還能貢獻(xiàn)較大的變形，從而增大了換擋系統(tǒng)總體的變形量，有利于改善動態(tài)換擋二次沖擊。

圖4 原狀態(tài)換擋拉索接頭

圖5 鏤空設(shè)計(jì)的換擋拉索接頭

3 試驗(yàn)測試分析驗(yàn)證

3.1 二次沖擊測試結(jié)果分析

圖6～8分別為某6擋手動變速器在原狀態(tài)、2擋接合齒為非對稱結(jié)構(gòu)和換擋軟拉索接頭下，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，測試得到的動態(tài)1擋升2擋的換擋力與位移關(guān)系圖。在后處理軟件中，根據(jù)動態(tài)換擋力與位移關(guān)系曲線得到原狀態(tài)、2擋接合齒為非對稱結(jié)構(gòu)和換擋軟拉索接頭下的平均同步力、平均二次沖擊力和二次沖擊力比，見表1。

表1 三種狀態(tài)下的平均同步力和平均二次沖擊力

圖6 原狀態(tài)下1擋升2擋動態(tài)換擋力與位移的關(guān)系

圖7 非對稱結(jié)構(gòu)下1擋升2擋動態(tài)換擋力與位移的關(guān)系

圖8 軟拉索接頭下1擋升2擋動態(tài)換擋力與位移的關(guān)系

由圖6～8及表1數(shù)據(jù)可知，三種狀態(tài)下測試得到的平均同步力是非常接近的，均在65 N左右，因此測試得到的平均二次沖擊力具有可比性。原狀態(tài)下測試得到的平均二次沖擊力最大，為44.7 N，其二次沖擊力比為66.2%，已超過50%，此時駕駛員在換擋過程中1擋升2擋能明顯感受到二次沖擊的存在，換擋舒適性較差。將2擋接合齒改為非對稱結(jié)構(gòu)后，測試得到的二次沖擊力減小為26.5 N，其二次沖擊力比為41.6%，小于50%，駕駛員在換擋過程中1擋升2擋幾乎感受不到二次沖擊的存在，換擋舒適性得到明顯提升。將原來的換擋拉索接頭進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)后，測試得到的平均二次沖擊力最小，為20.4 N，其二次沖擊力比進(jìn)一步減小為33.5%，駕駛員在換擋過程中1擋升2擋完全感受不到二次沖擊的存在，換擋舒適性得到進(jìn)一步提升。說明非對稱齒結(jié)構(gòu)和優(yōu)化換擋系統(tǒng)剛度能有效改善動態(tài)換擋二次沖擊，提升換擋舒適性。

3.2 二次沖擊力比率分析

整車換擋測試時，每一次動態(tài)換擋都能得到相應(yīng)的最大同步力和最大二次沖擊力，從而得到二次沖擊力比，表2列出的是三種狀態(tài)下整車測試過程中1擋升2擋的換擋次數(shù)。

表2 三種狀態(tài)下整車測試過程中1擋升2擋的換擋次數(shù)

將二次沖擊力比按照0～100%劃分為6個區(qū)間，根據(jù)每種狀態(tài)下的換擋頻次，將每次換擋測試得到的二次沖擊力比進(jìn)行區(qū)間分布，如圖9所示。

圖9 三種狀態(tài)下二次沖擊力比分布

由圖9可知，原狀態(tài)測試得到的二次沖擊力比在76%～100%區(qū)間內(nèi)的占比最大，達(dá)到47.4%，而非對稱齒結(jié)構(gòu)和軟拉索接頭下測試得到的二次沖擊力比在該區(qū)間內(nèi)的占比均為0。由此說明，在原狀態(tài)下，駕駛員在動態(tài)1擋升2擋過程中產(chǎn)生的二次沖擊力較大，且駕駛員有很大概率能感受到二次沖擊，換擋舒適性較差。對于非對稱齒結(jié)構(gòu)，測試得到的二次沖擊力比在51%～75%區(qū)間內(nèi)的占比最大，對比原狀態(tài)說明駕駛員在動態(tài)1擋升2擋過程中產(chǎn)生的二次沖擊力有一定減小，能感受到二次沖擊的概率也減小。對于軟拉索接頭，測試得到的二次沖擊力比在26%～50%區(qū)間內(nèi)的占比最大，對比原狀態(tài)和非對稱齒結(jié)構(gòu)，說明駕駛員在動態(tài)1擋升2擋過程中產(chǎn)生的二次沖擊力很小，駕駛員能感受到二次沖擊的概率也很小。

4 結(jié)論

（1）分析了二次沖擊產(chǎn)生的機(jī)理和根本原因，理論分析計(jì)算了某6擋手動變速器，將同步器中的2擋結(jié)合齒設(shè)計(jì)成非對稱結(jié)構(gòu)，自由滑行階段的空行程減小了17%，對動態(tài)換擋二次沖擊有一定的改善作用。同時還理論分析了將換擋拉索接頭進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)，能減小換擋系統(tǒng)剛度，增大換擋過程中的系統(tǒng)變形量，從而改善二次沖擊，為動態(tài)換擋二次沖擊改善策略提供理論依據(jù)。

（2）依托整車換擋試驗(yàn)及測試數(shù)據(jù)處理得到的二次沖擊比進(jìn)行區(qū)間分布分析，試驗(yàn)及分析結(jié)果表明，非對稱齒結(jié)構(gòu)和優(yōu)化換擋系統(tǒng)剛度都能明顯改善二次沖擊，為動態(tài)換擋二次沖擊改善策略提供了試驗(yàn)和數(shù)據(jù)支撐。

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