岳麗姣， 司志明， 陳 健

（安徽江淮汽車股份有限公司 商用車研究院，安徽 合肥 230601）

某輕型客車換擋力偏大原因分析與改進(jìn)

岳麗姣， 司志明， 陳 健

（安徽江淮汽車股份有限公司 商用車研究院，安徽 合肥 230601）

文章針對(duì)某輕型客車換擋力偏大問(wèn)題，通過(guò)對(duì)各種影響換擋力的因素進(jìn)行詳細(xì)的故障樹分析，對(duì)故障樹底事件排查，發(fā)現(xiàn)其根本原因?yàn)橥狡髋ぞ厝萘坎蛔慵白枣i彈簧力過(guò)大。經(jīng)過(guò)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，將變速器中單錐面同步器改為多錐面同步器，并進(jìn)行自鎖彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了換擋力偏大問(wèn)題，提升了整車換擋性能，并為后期解決類似問(wèn)題提供技術(shù)參考依據(jù)。

換檔力；變速器；同步器；單錐面；多錐面；自鎖彈簧

某輕型客車在試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該車在行駛過(guò)程中換擋操縱力較大，操縱極不舒適，嚴(yán)重影響整車的操縱輕便性。經(jīng)過(guò)多次試駕對(duì)比，最終確定該車型動(dòng)態(tài)換檔問(wèn)題主要表現(xiàn)為：3擋減2擋掛擋困難；2擋減1擋偶爾存在掛擋極困難，甚至無(wú)法掛上擋位的現(xiàn)象。

針對(duì)以上換擋困難的問(wèn)題，可以通過(guò)改進(jìn)變速器結(jié)構(gòu)，從而降低換擋力，最終改善整車換擋操縱性能。

1 原因分析

利用質(zhì)量管理工具中的故障樹，對(duì)可能導(dǎo)致變速操縱換擋力過(guò)大的的原因進(jìn)行了多層次的詳細(xì)分析［1－7］，其故障樹分析如圖1所示。

針對(duì)換檔操縱力過(guò)大問(wèn)題故障樹分析圖，根據(jù)表1所列的底事件情況調(diào)查，對(duì)底事件進(jìn)行分析，判斷在該車型中各底事件是否為導(dǎo)致?lián)Q檔力過(guò)大問(wèn)題的原因項(xiàng)，以制定整改措施。其中，Y表示整改項(xiàng)；N表示非整改項(xiàng)。

關(guān)于錐面半角θ與摩擦系數(shù)μs的關(guān)系，由公式Mf＝PμsR／sinθ可知，θ越小則摩擦力矩Mf越大。但當(dāng)θ小到一定程度時(shí)，將發(fā)生2個(gè)摩擦錐面抱死分不開(kāi)的現(xiàn)象。在2個(gè)錐面達(dá)到同步以后，換擋力P還在作用，如圖2所示。

圖1 換擋操縱力過(guò)大問(wèn)題故障樹分析圖

表1 底事件情況調(diào)查表

由圖2可知，換擋力P為：

其中，θ為錐面半角；P為換擋力；μs為摩擦系數(shù)；N為正壓力。

當(dāng)完成同步換擋，且換擋力P＝0時(shí)，同步環(huán)錐面應(yīng)脫離，此時(shí)摩擦力μsN的方向就反過(guò)來(lái)了。它有阻止同步環(huán)脫開(kāi)，或者使兩錐面之間互相抱死的趨勢(shì)。而只有保證tanθ＞μs時(shí)，才能保證兩錐面間不會(huì)抱死。

圖2 同步器錐面間的受力情況

試驗(yàn)表明，鋼與銅之間的摩擦系數(shù)μs在0.08～0.10之間，其他材料之間的的摩擦系數(shù)也不會(huì)超過(guò)0.11，故單錐同步器錐面半角θ一般可取6°30′或7°。

該變速箱錐面半角θ及錐面摩擦系數(shù)μs均符合常規(guī)要求，故先不對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)整改。

2 變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)上述分析，確定從表1中4、5、7、10方面的原因進(jìn)行分析及改進(jìn)［7］。

2.1 自鎖彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)

變速箱的自鎖及互鎖彈簧位于變速箱的操縱機(jī)構(gòu)中，本車型所用的變速箱操縱機(jī)構(gòu)位于側(cè)蓋上，變速箱側(cè)蓋實(shí)物及結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 變速箱側(cè)蓋

自鎖及互鎖彈簧的作用主要是防止變速箱在掛擋位后脫擋，其彈簧力的大小，依據(jù)變速器型號(hào)及所傳遞扭矩的不同而不同，一般在30～100N。

該車型變速箱優(yōu)化設(shè)計(jì)前，自鎖彈簧力為110N，偏大。在保證變速箱不脫擋的前提下，適當(dāng)減小自鎖彈簧力有助于實(shí)現(xiàn)輕便換擋。

據(jù)此，對(duì)變速箱的自鎖彈簧力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由110N減小為61.8N。

2.2 同步器鎖止彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)

變速器同步器鎖止彈簧主要起到空擋定位的作用，其同步器鎖止彈簧結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 同步器鎖止彈簧結(jié)構(gòu)圖

在保證彈簧實(shí)現(xiàn)空擋定位功能的前提下，適當(dāng)減小彈簧力也有助于降低變速箱的換擋力。因此，將同步器的鎖止彈簧由14N減小為7N。

2.3 同步器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.3.1 同步器工作原理

同步器的工作原理圖如圖5所示。

圖5 同步器工作原理圖

圖5中，Jc表示一軸和離合器從動(dòng)盤等零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Mc表示輸入端阻力矩；ωc表示輸入端角速度；Mf表示同步環(huán)摩擦力矩；Mv表示汽車行駛阻力矩；ωv表示輸出端角速度；Jv表示輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

同步器計(jì)算基本公式［2］如下：

其中，P為變速箱結(jié)合齒套上所需的換檔力。經(jīng)簡(jiǎn)單變換，得

對(duì)（2）式進(jìn)行分析，在離合器及變速箱齒軸件結(jié)構(gòu)不作改變的情況下，Jc為常量，同時(shí)即將結(jié)合的2個(gè)擋位之間的轉(zhuǎn)速差ω也為一個(gè)固定的數(shù)值。θ及μs受限于同步器材料及同步器工作原理，其改變的空間也很有限。

換擋時(shí)間t依據(jù)不同的駕駛員而有所不同，但一般取0.5～1.0s［8］，同樣為定值。

由以上分析可知，改變換擋力的主要方法為改變錐面摩擦半徑R錐。

2.3.2 同步器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

變速箱1、2擋及3、4擋同步器更改前均為單錐面鎖環(huán)同步器，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 單錐面同步器結(jié)構(gòu)圖

單錐式同步器結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸較小，使用可靠，制造工藝性好。而鎖環(huán)式多錐面同步器由于增加了摩擦錐面的數(shù)量，總的摩擦半徑之和可以大大增加，從而可以有效地降低換擋力［7］。

經(jīng)過(guò)分析，針對(duì)該輕型客車上出現(xiàn)的低擋位減擋時(shí)換擋困難的問(wèn)題，初步制定解決措施，1／2擋由單錐同步器改為雙錐同步器，3／4擋改為三錐同步器，其結(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示。

各擋同步器更改前后的錐面數(shù)量及半徑對(duì)比如下：

（1）1、2擋同步器更改前、后數(shù)據(jù)對(duì)比。更改前單錐半徑R1、R2、R錐分別為 32.464、0、32.464mm；更改后雙錐分別為40.64、37.55、78.19mm。

（2）3、4擋同步器更改前、后數(shù)據(jù)對(duì)比。更改前單錐半徑R1、R2、R3、R錐分別為44.455、0、0、44.455mm；更改后三錐分別為40.3、38.0、35.5、113.8mm。

由（2）式及上述分析可知，在同步器材料及錐角等變速器的設(shè)計(jì)參數(shù)不改變的情況下，齒套所需的換擋力P與同步環(huán)錐面半徑的和成反比，所以理論上在其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，同步器結(jié)構(gòu)改變前后，換擋時(shí)齒套所需的換擋力P前與P后的關(guān)系如下：

圖7 雙錐面同步器結(jié)構(gòu)圖

圖8 三錐面同步器結(jié)構(gòu)圖

由計(jì)算結(jié)果可知，更換同步器結(jié)構(gòu)前后，變速器2個(gè)擋位的結(jié)合齒套處所需的換擋力降低。表2和表3所列為變速器設(shè)計(jì)更改前后，變速器搖臂端及選擋操縱手柄處各擋位換擋力的對(duì)比。

本文討論的換擋力P只是變速箱結(jié)合齒套處由于同步器錐面半徑不同而所需的換擋力不同，當(dāng)反應(yīng)到變速箱搖臂端及換擋手柄上時(shí)，由于還有其他影響換擋力的因素，如變速箱換擋操縱機(jī)構(gòu)的自鎖和互鎖彈簧力、整車變速操縱機(jī)構(gòu)的效率等，換擋力的降低與錐面半徑的增大并不是成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系［9］。

表2 變速箱搖臂端換擋力數(shù)值對(duì)比 N

表3 選換擋操縱座端換擋力數(shù)值對(duì)比 N

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)更改變速箱內(nèi)的同步器結(jié)構(gòu)，有效地解決了輕型客車變速系統(tǒng)換擋力偏大的問(wèn)題。

（2）更換變速器結(jié)構(gòu)前、后，讓相同的駕駛員試駕，主觀感受換擋力有明顯下降，且換擋手感較以前明顯變好，整車換擋性能大幅提升。

（3）相比于單錐面同步器，雙錐面及三錐面同步器不僅能夠有效降低變速箱換擋力，同時(shí)能夠提供更為舒適的換擋手感，對(duì)整車的換擋性能提升有很大貢獻(xiàn)。

［1］陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.第4版.北京：人民交通出版社，2002：46－75.

［2］谷玉明.變速器同步器的計(jì)算方法討論［J］.機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2011，4（2）：25－26.

［3］周同磊.汽車變速器同步器［J］.現(xiàn)代零部件，2009，4（3）：92－94.

［4］吳修義.同步器同步環(huán)及同步器彈簧設(shè)計(jì)對(duì)同步性能的影響［J］.重型汽車，2004，2（3）：16.

［5］吳修義.同步器摩擦半徑設(shè)計(jì)對(duì)同步性能的影響［J］.輕型汽車技術(shù)，2001（11）：23－24.

［6］劉 選.鎖環(huán)式雙錐面同步器的故障分析［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2005，12（6）：103－104.

［7］趙軍華.汽車變速箱同步環(huán)精鍛技術(shù)的發(fā)展［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006（10）：154－156.

［8］郭占正.輕型汽車變速操縱系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008，8（4）：.103－105.

［9］張炳力，張友皇，趙 韓.基于Simulink與Stateflow的自動(dòng)變速器性能仿真［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（8）：1125－1130.

Analysis of causes of large gear shifting force on a light bus and the improvement

YUE Li－jiao， SI Zhi－ming， CHEN Jian
（Commercial Vehicle Research Institute，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

In order to solve the problem of the large gear shifting force on a light bus，all factors affecting the gear shifting force are studied by fault tree analysis.The results of the study of bottom event of fault tree show that the fundamental reason of the problem is that the capacity of synchronizer torque is not enough and the force of self－locking spring is too big.Through the theoretical analysis and experimental verification，this problem is solved by the change of the synchronizer from one conical surface to multi－conical surface and the optimization design of the self－locking spring，and the gear shifting performance is also promoted.The study provides a technical reference for solving similar problems.

gear shifting force；transmission；synchronizer；single conical surface；multi－conical surface；self－locking spring

U463.212

A

1003－5060（2012）11－1465－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.007

2012－04－16

岳麗姣（1986－），女，遼寧鐵嶺人，安徽江淮汽車股份有限公司助理工程師.

（責(zé)任編輯 呂 杰）