陳超超　唐滿榮　楊大學(xué)　杜鵬　王晶晶

摘 要 簡明闡述靜態(tài)換擋力是手動變速箱換擋性能的重要指標(biāo)。根據(jù)變速箱換擋結(jié)構(gòu)，對變速箱靜態(tài)換擋力的設(shè)計方法進(jìn)行詳細(xì)分析，擬和理論靜態(tài)換擋力曲線?；谠撛O(shè)計方法，設(shè)計一款變速箱，通過GSA換擋測試結(jié)果評價靜態(tài)換擋力性能，驗證設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞 手動整車 運動型 靜態(tài)換擋力 GSA測試

0前言

在自動擋汽車普及的大趨勢下，仍有一部分手動擋愛好者追求駕駛樂趣選擇手動車輛。由于在MT（Manual Transmission，手動換擋變速箱）汽車中，要實現(xiàn)換擋變速，駕駛員必須操縱變速箱進(jìn)行換擋，變速箱的換擋性能直接決定整車的換擋水平。在用戶購車時，靜態(tài)換擋力是換擋給用戶的第一印象。因此，在變速箱設(shè)計開發(fā)中，靜態(tài)換擋力是換擋性能的一項重要指標(biāo)。

國內(nèi)變速箱靜態(tài)換擋力設(shè)計普遍采用對標(biāo)方式：選擇標(biāo)桿產(chǎn)品，對相關(guān)零件進(jìn)行計量，采用相同設(shè)計參數(shù)，靜態(tài)換擋力設(shè)計理論欠缺。本文對變速箱靜態(tài)換擋力理論設(shè)計方法進(jìn)行詳解，并根據(jù)理論方法設(shè)計一款變速箱，通過客觀測試驗證設(shè)計方法。

1靜態(tài)換擋力

變速箱靜態(tài)換擋力是指變速箱的傳動軸在靜止?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)動換擋搖臂進(jìn)行換擋操作，施加在換擋搖臂拉索銷上的切線換擋力性能，包含：換擋行程、換擋力以及換擋吸入力。根據(jù)變速箱換擋結(jié)構(gòu)，變速箱靜態(tài)換擋力通常由同步器滑塊力、換擋撥叉鋼球力、換擋塔鋼球力矩組合而成，如圖1所示。

評價靜態(tài)換擋力有主觀駕評和客觀測試兩種方式。本文是采用GSA整車換擋測試系統(tǒng)進(jìn)行評價。Gear Shifting Analysis系統(tǒng)（簡稱GSA），是基于硬件采集部件（固定支架、三向力傳感器、三向位移傳感器和IMC數(shù)采系統(tǒng)）和分析軟件系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，用于評價整車換擋性能的專業(yè)測試系統(tǒng)，如圖2所示。

2同步器滑塊力計算

齒套在滑動過程中，同步器滑塊力受力示意圖如圖3所示，滑塊力F1由式（1）得出：

每個同步器有3個鋼球，鋼球在任意位置處的彈簧力為Fball，鋼球與齒套接觸點處的切線角為 sleeve，滑塊導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)為 1， 1推薦值0.2。

根據(jù)齒套滑塊槽及滑塊的形狀和尺寸，可求出齒套在滑動過程中所受到鋼球軸向力Fsleeve與位移的關(guān)系。圖4是基于式（1）設(shè)計的變速箱同步器滑塊力與位移關(guān)系圖。相關(guān)參數(shù) =30?，R=0.6，L1=7，F(xiàn)1=20N，L2=6.1，F(xiàn)2=27.2N。

3換擋撥叉鋼球力計算

換擋撥叉組件的受力示意圖如5所示。換擋撥叉組件在運動過程中，所受鋼球的軸向力F2可由式（2）求出。

（2）

自鎖鋼球總成的工作簧力為FN， 自鎖鋼球與換擋撥叉組件W曲面接觸點的切線角為 fork，換擋撥叉組件導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 2。

根據(jù)換擋撥叉組件W曲面形狀和尺寸，即可求出換擋撥叉組件所受軸向力與位移的關(guān)系。圖6是基于式（2）設(shè)計的變速箱換擋撥叉鋼球力與位移關(guān)系圖。

4換擋塔鋼球力矩計算

換擋塔定位銷與波形面進(jìn)行受力分析，受力示意圖如圖7所示。因此，換擋塔鋼球力矩計算公式如式（2）所示。

鋼球球心為02，所受彈簧簧力為F，鋼球與波形面的接觸點處法向角為 ，接觸點到旋轉(zhuǎn)中心01的距離為b，接觸點到旋轉(zhuǎn)中心01的連線與水平面的夾角為 ，摩擦角為 ，換擋軸轉(zhuǎn)動時的摩擦系數(shù)為 3，換擋軸半徑為R′。

根據(jù)波形面的形狀和尺寸，可求出換擋塔轉(zhuǎn)動過程中所受鋼球力矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系。圖8是基于式（3）設(shè)計的變速箱換擋軸所受的力矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖。

5靜態(tài)換擋力曲線擬合

根據(jù)式（1）～（3）理論計算公式，以上X變速箱同步器滑塊力-位移關(guān)系圖（圖4）、換擋撥叉鋼球力-位移關(guān)系圖（圖6）、換擋鋼球力矩-位移關(guān)系圖（圖8）。考慮到換擋撥指與叉口架之間的間隙△1，換擋撥叉與同步器齒套之間的間隙△2，滑塊與齒環(huán)之間的間隙△3，對這三個力進(jìn)行匹配，擬合出變速箱X靜態(tài)換擋力-位移曲線，如圖9所示。

6 GSA換擋測試

根據(jù)以上設(shè)計結(jié)果，完成變速箱樣機(jī)制造后，搭載整車進(jìn)行GSA換擋測試。以一擋為例，靜態(tài)換擋力主要關(guān)注進(jìn)擋力、吸入力，以及進(jìn)擋曲線走向，見圖10。對比圖9，可以看出圖10實測曲線進(jìn)擋過程與圖9理論擬合曲線一致。

從表1整車靜態(tài)換擋力測試結(jié)果可以得出，變速箱靜態(tài)換擋力適中，吸入力較強(qiáng)，是典型家用舒適型換擋，靜態(tài)換擋力表現(xiàn)優(yōu)異。

7結(jié)論

針對變速箱換擋靜態(tài)換擋力，根據(jù)變速箱換擋機(jī)構(gòu)工作原理，詳解設(shè)計方法?；诖嗽O(shè)計方法，設(shè)計一款變速箱，通過整車GSA換擋測試可以得出：

（1）實測曲線與理論擬合的曲線相一致，證明理論設(shè)計方法正確。

（2）基于此設(shè)計方法的變速箱靜態(tài)換擋力滿足標(biāo)準(zhǔn)，性能表現(xiàn)出色。