王 偉

（上海汽車變速器有限公司，上海 201807）

引言

隨著國內(nèi)乘用車的普及，用戶對車輛操縱性能的感知質(zhì)量要求不斷提升。手動(dòng)變速器換擋性能作為駕駛員最直接的感知質(zhì)量，在國內(nèi)變速器開發(fā)過程中，越來越受到關(guān)注。優(yōu)秀的換擋性能不僅是變速器廠商開發(fā)變速器能力的一個(gè)重要指標(biāo)，也是主機(jī)廠評(píng)估變速器的優(yōu)秀與否重要參數(shù)。許多跨國整車企業(yè)及變速器廠經(jīng)歷了長期的經(jīng)驗(yàn)及積累，已具備完整的換擋性能開發(fā)和評(píng)價(jià)能力，而對于中國自主開發(fā)的變速器，如何提升換擋性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1,2]，文獻(xiàn)[1]列出了采用GSA測試手動(dòng)變速器換擋性能主觀和客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，為提升換擋性能提供數(shù)據(jù)支持，但文獻(xiàn)并沒有提出改善換擋性能方法，文獻(xiàn)[2]列出了改善手動(dòng)變速器靜態(tài)換擋性能方法，但未提出改善二次沖擊的方案。文獻(xiàn)[3,4]分析了換擋沖量的理論計(jì)算，但未對二次沖擊原因進(jìn)行探討，文獻(xiàn)[5]采用偏梅角的方案改善了手動(dòng)變速器二次沖擊，雖然偏梅角方案對減小二次沖擊具有較大的改善，但偏梅角會(huì)減小同步器倒錐接觸長度，在軸向空間緊湊的同步器系統(tǒng)中不易實(shí)現(xiàn)。本文在保證倒錐接觸長度不減小的基礎(chǔ)上，通過減小同步器齒厚和模數(shù)可減小變速器的二次沖擊，并再次通過主客觀測試評(píng)估，驗(yàn)證了改進(jìn)方案的合理性及有效性。

1 變速器二次沖擊問題解析

某手動(dòng)變速器是我司開發(fā)的一款扭矩橫置6速手動(dòng)變速器，但在設(shè)計(jì)開發(fā)階段，客戶抱怨變速器動(dòng)態(tài)換擋性能方面存在2升3存在 “二次沖擊”等問題，而靜態(tài)換擋手感和動(dòng)態(tài)換擋沖量良好。同時(shí)，我司針對客戶提出的問題進(jìn)行了客觀GSA測試，并結(jié)合某對標(biāo)變速器GSA測試報(bào)告，客觀復(fù)現(xiàn)了客戶抱怨的換擋性能問題。

表1

圖1為此手動(dòng)變速器與對標(biāo)變速器換擋沖量對比圖，從圖1可知，此手動(dòng)變速器各檔位換擋沖量與對標(biāo)變速器換擋沖量接近，因此無需優(yōu)化。

圖1 換擋沖量對比分析

圖2為此手動(dòng)變速器與對標(biāo)變速器變速器的2-3-2動(dòng)態(tài)換擋性能對比，從圖2可知，此手動(dòng)變速器2-3存在明顯的二次沖擊，且平均二次沖擊力、二次沖擊力比及大于50%二次沖擊力頻次均大于對標(biāo)變速器，與主觀評(píng)估一致，性能表現(xiàn)較差，需要優(yōu)化。

圖2 2-3-2動(dòng)態(tài)換擋性能測試

總之，通過上述客觀數(shù)據(jù)分析，此手動(dòng)變速器動(dòng)態(tài)換擋性能需要優(yōu)化的是：減小二次沖擊力比及大于50%二次沖擊力頻次。

表2

2 減小二次沖擊的理論分析

二次沖擊產(chǎn)生的原因：當(dāng)同步器系統(tǒng)同步結(jié)束后，由于拖曳力矩Mv作用，齒套與結(jié)合齒產(chǎn)生一新角速度差Δw，造成齒套與結(jié)合齒嚙合過程中鎖止面之間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生二次沖擊現(xiàn)象。同時(shí)，在齒套與結(jié)合齒鎖止面碰撞時(shí)，作用在齒套二次沖擊力f會(huì)產(chǎn)生一撥環(huán)力F1來為實(shí)現(xiàn)齒套、結(jié)合齒角速度一致，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)嚙合。

圖3為此變速器動(dòng)態(tài)2升3檔同步器系統(tǒng)嚙合過程示意圖，從圖4可知，當(dāng)同步器系統(tǒng)位于同步階段時(shí)，齒套角速度w1、同步環(huán)角速度w2、結(jié)合齒角速度w3一致。在撥環(huán)階段時(shí)，齒套需行進(jìn)一段撥環(huán)行程 s1，由于拖曳力矩 Mv和撥環(huán)力矩Mb作用，導(dǎo)致齒套角速度w1減小，并小于結(jié)合齒角速度w3，即產(chǎn)生一角速度差Δw1。在自由滑行階段（齒套、結(jié)合齒梅角鼻梁徑軸向距離為零時(shí)為自由滑行結(jié)束位置），齒套需行進(jìn)一段自由滑行行程 s2，此時(shí)由于拖曳力矩 Mv作用，導(dǎo)致齒套角速度 w1再次減小，即再次產(chǎn)生一角速度差Δw2。在二次沖擊前階段，由于拖曳力矩Mv作用，齒套仍可能行進(jìn)一段行程S3（S3min=0，S3max=齒套梅角深度L1+結(jié)合齒梅角深度 L2），導(dǎo)致齒套角速度 w1進(jìn)一步減小，即再次產(chǎn)生角速度差Δw3。公式1、2、3分別是撥環(huán)、自由滑行、二次沖擊前階段齒套減小的角速度計(jì)算公式。

式中，v1、v2、v3分別是撥環(huán)階段、自由滑行階段、二次沖擊前階段，齒套進(jìn)檔平均速度，因此二次沖擊前齒套、結(jié)合齒總角速度差Δw是：

在圖3中，當(dāng)齒套、結(jié)合齒鎖止面碰撞時(shí)，會(huì)出現(xiàn)A、B兩種碰撞方式，其中A碰撞（見圖3示意），由于拖曳力矩Mv與撥環(huán)方向相反，導(dǎo)致作用于齒套二次沖擊平均力f較大，而B碰撞（見圖4示意），由于拖曳力矩Mv與撥環(huán)方向相同，導(dǎo)致作用于齒套二次沖擊平均力f較小，見公式5、6。

因此多次測試下作用于齒套二次沖擊平均力f

式（5）、（6）、（7）中，β為結(jié)合齒一半鎖止角角度，R2為鎖止面平均半徑，ξ1為多次測試下發(fā)生A碰撞的概率，ξ2為多次測試下發(fā)生B碰撞的概率。

根據(jù)公式（3）-（8），二次沖擊與拖曳力矩、撥環(huán)行程、自由滑行行程，齒套、結(jié)合齒鎖止角深度、結(jié)合齒鎖止角角度、A碰撞的概率等有關(guān)。其中減小撥環(huán)、自由滑行行程、減小 A碰撞的結(jié)合齒鎖止角深度及角度是簡單、方便方法,即優(yōu)化方案是：在不改變同步環(huán)同步容量的基礎(chǔ)，將3檔同步器系統(tǒng)模數(shù)和齒厚由大模數(shù)、大齒厚改為小模數(shù)、小齒厚，即由原先的2調(diào)整為1.75，同步環(huán)齒厚由3.642-3.747調(diào)整為 2.299-2.404，此改善可減小撥環(huán)行程及結(jié)合齒梅角角度及深度等，表3、表4分別為優(yōu)化前后同步器系統(tǒng)參數(shù)對比及性能參數(shù)對比。

圖3 2-3動(dòng)態(tài)換擋過程圖

表3 優(yōu)化前后同步器系統(tǒng)參數(shù)對比表

表4 2-3檔優(yōu)化方案前后性能參數(shù)對比表

根據(jù)表3、4所示，撥環(huán)行程S1減小了43.2%，S3max減小了22.1%，進(jìn)而降低了平均二次沖擊力及力比。

3 試驗(yàn)測試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述方案的有效性，在同一臺(tái)整車基礎(chǔ)上，對優(yōu)化前后變速器進(jìn)行了主觀評(píng)估和客觀GSA測試。通過主觀評(píng)估發(fā)現(xiàn)： 2升3檔二次沖擊及大于50%二次沖擊頻次顯著下降。

表5為優(yōu)化前后二次沖擊對比分析表，圖4為優(yōu)化前后動(dòng)態(tài)換擋性能GSA測試。

表5 優(yōu)化前后二次沖擊對比分析表

由表5、圖4可知，優(yōu)化后的2-3檔二次沖力力比降低了70.6%，大于50%二次沖擊頻率降低了76.3%，與對標(biāo)變速器接近，因此優(yōu)化后變速器與對標(biāo)變速器二次沖擊接近，說明優(yōu)化方案可行。

圖4 優(yōu)化后動(dòng)態(tài)換擋GSA測試

4 結(jié)論

1）通過GSA測試客觀復(fù)現(xiàn)了客戶抱怨的動(dòng)態(tài)換擋性能問題，為換擋性能優(yōu)化提供分析基礎(chǔ)。

2）在二次沖擊理論分析，較全面地分析了二次沖擊影響因子，并推導(dǎo)出二次沖擊平均力計(jì)算公式。

3）列出了提升動(dòng)態(tài)換擋性能優(yōu)化方案--即同步器系統(tǒng)由大模數(shù)大齒厚改為小模數(shù)小齒厚，通過GSA測試對優(yōu)化前后換擋性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析，試驗(yàn)表明，優(yōu)化方案對換擋性能改善取得顯著效果，解決了客戶抱怨，滿足了設(shè)計(jì)要求。