乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能評價方法及改進策略.doc

乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能評價方法及改進策略楊士欽 1，王 應 1，盧劍偉 2（1. 江淮汽車股份有限公司 技術中心，安徽，合肥 230022；2. 合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽，合肥 230009）摘 要：對乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能評價方法及改進策略進行了分析。結合變速器換擋性能的主觀評價需求目標，確定了乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能評價的 3 個客觀量化指標，并提出了改進其動態(tài)換擋性能的策略。通過試驗對 某乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能進行了測試分析，驗證了相關結論的有效性。關鍵詞：變速器；換擋性能；動態(tài)；乘用車中圖分類號：TH132文獻標志碼：ADOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.05.06Evaluation and Improvement Strategy of Dynamic Gear ShiftPerformance of Passenger Car with Manual TransmissionYang Shiqin1，Wang Ying1，Lu Jianwei2（1. R&D Center，Jianghuai Automobile Co., Ltd，Hefei，Anhui 230022，China；2. School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，Anhui 230009，China）Abstract：Evaluation method and improvement str ategy of dynamic gear-shift performance of passengercar with manual tr ansmission were analyzed. Three objective evaluation indexes used for dynamic gear-shift performance evaluation were presented based on subjective evaluation requirements. And the corresponding improvement str ategies were discussed with consideration of the str uctural characteristics of the tr ansmission. Based on these works, experimental analysis was carried out to verify the presented conclusions.Keywords：tr ansmission; gear shift performance; dynamic; passenger car隨著國內汽車保有量持續(xù)快速增長，公路交通所消耗的石油資源占全國石油消耗總量的份額 不斷攀升。提供給用戶低油耗并具備良好動力性 能的汽車產品成為目前汽車企業(yè)追求的主要目標 之一，也是目前消費者最為關心的技術指標。提高汽車動力性和燃料經濟性的關鍵是發(fā)動機的工作特性以及傳動系的匹配，變速器的設計匹配是其中重要一環(huán)。但是變速器在設計匹配的過程中受到很多因素制約，換擋性能是其中一個 重要的方面。部分跨國公司經過多年積累，基于 試驗手段，已經建立了一套變速器換擋性能的評 價方法。但是國內乘用車企業(yè)在該方面的積累相 對較少，在換擋性能的評價及改善方面還存在一 些不足，因此有必要對其進行系統(tǒng)深入的分析。收稿日期：2012-06-01基金項目：教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目 (NCET-10-0358)= FsncRc ，（1）Ts sin式中：Fs 為作用在接合套上的力（換擋力）； nc為工作錐面間的摩擦系數(shù)；Rc 為錐面的有效半徑；為錐面的角度。 根據(jù)動量定理，可以得到dwJ dt - Ts = 0 ，（2）式中：w 為同步器輸入端的角速度；t 為同步時間；J 為同步器輸入端零件的轉動慣量。 因此可以得到換擋力為oFs = Jw sin （3）ncRcFs sinFssin ncFsRRc圖 1 同步器換擋摩擦力矩作用示意圖倒擋掛入率也是評價變速器換擋性能的一個 方面。倒擋由于要使汽車反向行駛，掛倒擋所需 要的力和時間相對于其它擋位要高。倒擋掛入率 z 是指在 100 次掛倒擋的過程中掛入次數(shù) n 占全 部掛倒擋次數(shù)的百分比。如果倒擋掛入率較低， 就會影響變速器的倒擋性能。為了實現(xiàn)變速器良 好的倒擋性能，我們通常規(guī)定 z 92%，n 8。2手動變速器動態(tài)換擋性能改進策略分析2.1 二次沖擊改善策略分析二次沖擊主要是由于同步后，齒套和齒輪嚙 合時存在空隙，從而導致兩者之間有沖擊。為了 減少二次沖擊對換擋性能的影響，將同步器中的第 5 期楊士欽 等：乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能評價方法及改進策略349本文結合某乘用車研發(fā)的工程實踐需求，對乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能評價方法及改善 措施等進行了探討，相關方法和結論有助于進一 步改善變速器的設計匹配。1手動變速器動態(tài)換擋性能評價指標分析根據(jù)乘用車產品消費者的需求，乘用車手動變速器的換擋性能需要重點關注其操縱舒適性及 換擋過程的噪聲問題。盡管換擋性能總體上來講 是依賴于駕駛員主觀體驗的一種主觀評價指標， 但是為了便于評價和改善其性能，最方便的途徑 是找到能夠反映這些評價換擋性能的客觀指標。 通過這些指標，對變速器的換擋性能做出一個客 觀正確的評價，并以這些指標為依據(jù)，對換擋機 構和換擋性能進行分析評價及改進。從動態(tài)換擋性能評價的角度出發(fā)，乘用車手 動變速器動態(tài)換擋性能評價主要考慮以下 3 個指 標：二次沖擊、換擋沖量以及倒擋掛入率。二次沖擊是評價汽車換擋舒適性的重要指標。 二次沖擊主要是由于接合套與齒圈之間存在嚙合 間隙，從而導致兩齒間的連續(xù)沖擊，駕駛員在換 擋桿上會感受到二次沖擊作用。二次沖擊縮短了 同步器和齒圈的壽命，導致?lián)Q擋過程的沖擊較大， 操縱舒適性和噪聲指標受到較大影響。二次沖擊 是隨機的且難以避免，但是當二次沖擊力小于最 大換擋力的 30% 時，駕駛員一般無法察覺，可認 為此時的二次沖擊是可以接受的。換擋沖量是在整個換擋過程中或者某個換擋 階段的換擋力對于換擋時間的積分，是評價動態(tài) 換擋品質和同步性能的重要指標。換擋沖量越小 說明換擋所需要的力越小，同步的時間越少，換 擋過程就越順利，操縱舒適性及噪聲指標越好。 換擋過程中摩擦力矩作用如圖 1 所示，可以得到產生的摩擦力矩為結合套齒和齒輪設計成不對稱接合齒，可以減少為了盡量避免轉速差的產生，采用如圖 4 所示 沖擊。的非對稱接合齒設計方案，增加同步過程中齒套在 圖 2 為對稱接合齒嚙合過程示意圖，圖中 Sk 同步錐環(huán)鎖止面上的滑行距離，可以減少齒套和擋為同步后的空行程?？招谐淘酱?, 同步錐環(huán)同步后 位齒輪之間的空行程，從而減少轉速差的發(fā)生。齒套和擋位齒輪之間的轉速差越大，轉速差是導 致?lián)Q擋沖擊的根本原因。因此，設法減小空行程 將是改進二次換擋性能的一個有效措施。圖 4 不對稱接合齒工作過程示意圖圖 2 對稱接合齒工作過程示意圖圖 3 為某車型同步器接合齒尺寸關系示意圖， 其中，d1 =0.8 mm，d2 =1.2 mm。因此可以計算得 到該同步器的空行程為Sk = d1 + (1.5- h2)+ d2= 0.8+ (1.5-1.25 )+ 1.2 = 2.58 mm （4）tan65c圖 5 改進后同步器接合齒尺寸關系圖 5 為同步器采用非對稱接合齒的尺寸關系示意 圖，其中，h1=0.933 mm, h2=0.816 mm, h3=0.469 mm。 因此可以計算得到改進后同步器的空行程為Sk = d2 + h3 - Sl= d2 + h3 - h1 - (1.5- h2)= 1.42 mm （5）改進后空行程減少了 1.16 mm，是對稱接合齒 設計時的 45%。2.2換擋沖量改善策略分析圖 3 原車型同步器接合齒尺寸關系換擋過程中變速器所受到的換擋沖量可以用350汽車工程學報第 2 卷，（6）圖 6 杠桿同步機構示意圖圖 7 改進前二次沖擊指標測試結果圖 8 改進后二次沖擊指標測試結果第 5 期楊士欽 等：乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能評價方法及改進策略351同步器的同步容量來改善。同步器的同步容量越大，同步時間越短，所需的換擋力也變小，從而 減小換擋沖量。同步器的同步容量為基于上述考慮，采用圖 6 所示的杠桿同步機構加以改善。換倒擋時，當 5 擋齒輪撥叉推動 5 擋同步器齒套移動，同步器齒環(huán)杠桿以同步器轂 為支點推動同步器齒環(huán)，導致同步器齒環(huán)與 5 擋 齒輪錐面相接觸，從而制動輸入軸的轉動，導致 輸入軸轉速降低。從而使倒擋齒輪和輸入軸的倒 擋齒輪能夠輕松咬合，實現(xiàn)平順換擋。式中：Ms 為同步力矩； 為摩擦錐面摩擦系數(shù)；r為摩擦錐面平均工作半徑； 為摩擦錐面的錐角；P 為作用在齒套上的軸向力。 從式（6）可以看出，增加摩擦錐面數(shù)量和提高摩擦系數(shù)是提高同步容量的一個有效措施。因 此，考慮采用雙摩擦錐面同步器，并通過改變摩 擦錐面的材料來提高其摩擦系數(shù)。根據(jù)該車型變速器 3 擋同步器的數(shù)據(jù)進行核 算。摩擦系數(shù)約為 0.1，平均半徑為 30.48，錐角 為 637，計算得到同步容量為 Ms=26.5 mm。改 用雙摩擦錐面并采用碳復合材料，同步容量增加 為 Ms=63.6 mm，同步容量顯著提高。2.3 倒擋掛入率改善策略分析目前絕大部分手動變速器前進擋均設計有同 步機構，但倒擋一般未采用同步機構。因此，在 踩下離合器踏板，切斷發(fā)動機動力傳遞后，由于 變速器自身的慣性，變速器輸入軸等零部件仍要 旋轉，而此時換入倒擋，旋轉的輸入軸倒擋齒輪 與靜止的倒擋惰輪尚未達到同步，導致?lián)Q擋困難。3試驗測試分析為了驗證上述分析結論的有效性，對某乘用車變速器換擋性能進行測試分析。3.1二次沖擊試驗測試分析圖 9 換擋沖量指標示意圖87s) 63擋2擋 /(N 5sI換擋沖量2 擋 3 擋432102-3 3-2換擋擋位 n/(-)圖 10 改進前換擋沖量指標測試結果圖 11 改進后換擋沖量指標測試結果圖 12 改進前掛倒擋測試結果圖 13 改進后掛倒擋測試結果352汽車工程學報第 2 卷圖 7、圖 8 分別是從 2 擋換入 3 擋過程中采用原型車同步器及考慮采用非對稱齒改進設計后同步 器的二次沖擊測試結果。改進前最大換擋力 Fa 為103 N，二次沖擊的力 Fr 為 60 N，達到了最大換擋力的 58.2%，不符合我們的設計要求；而改進后最 大換擋力 Fa 為 101 N，二次沖擊的力 Fr 為 30 N， 符合設計要求。3.2換擋沖量試驗測試分析圖 9 是測試換擋沖量的示意圖，其中，名義 值為我們實際測得的換擋沖量值，而最大值和最 小值為計算出的換擋沖量區(qū)間。名義值在此區(qū)間 范圍內一半的下方，說明換擋沖量較小，反之則 說明換擋沖量較大。增加摩擦錐面同 時，對 3 擋變速器摩擦錐 面進行噴碳處理，使摩擦錐面的摩擦系數(shù)升高至0.12。圖 10 和圖 11 分別給出了改進前后由 2 擋換 入 3 擋的換擋沖量測試結果。換擋沖量由原設計方案的 3.3 下降為 2.3。3.3倒擋掛入率試驗測試分析圖 12 和圖 13 分別為改進前后變速器在 20 次 掛倒擋過程中的倒擋掛入率測試結果，試驗時共第 5 期楊士欽 等：乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能評價方法及改進策略353進行了 20 次掛倒擋操作。從圖中可以看出，原設計方案有 4 次掛倒擋失敗，倒擋掛入率只有 80%， 而改進后方案只有 1 次掛倒擋失敗，倒擋掛入率 達到 95%，滿足了相關要求。了手動變速器動態(tài)換擋性能的評價指標體系，并提出了評價指標的評價范圍。在進一步對變速器功能 結構進行分析的基礎上，明確了影響動態(tài)換擋性能 評價指標的因素，討論了提升動態(tài)換擋性能的措施。 通過實車的測試對改進前后的換擋性能指標進行了 對比分析。試驗表明，變速器換擋性能指標有了很 大提升，驗證了前述相關結論和改善措施的有效性。4結論通過對乘用車使用性能要求的評估分析，明確參考文獻 (References):1王望予 . 汽車設計 ( 第 4 版 )M. 北京：機械工業(yè)出版社， 2004.Wang Wangyu. 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