关于换档顿挫感的一些浅析

何 果

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

关于换档顿挫感的一些浅析

何 果

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

对换档顿挫感的原因和改进策略进行了分析。结合整个换挡分析过程，确定了影响换档顿挫感的三个阻力因素，并提出了改进策略。通过实验对改进前后此变速箱换挡性能进行了测试分析，验证了相关结论的有效性。

变速器；换挡；顿挫感；阻力

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-91-03

前言

随着生活质量的提高，人们对环境越来越关注；同时国内汽车保有量的快速增长，已成为影响环境的一个巨大因素。为了提高人们赖以生存的环境质量，环保部对汽车尾气的排放要求越来越严格。随着国Ⅳ法规的颁布，商用车国Ⅳ时代已经真正来临，国Ⅳ的到来，不仅影响着商用车的排放，而且对商用车舒适体验化需求越来越强烈。因为伴随国Ⅳ发动机的普及,整个传动系统的噪声和振动都有很大改善。基于这种背景，人们对商用车的乘用车式驾乘体验化需求也越来越明显，而换挡性能直接反应驾乘体验的舒适化，越来越收到客户的重视。本文基于此种情况，对影响换挡手感的换挡顿挫感做一些浅析。

1、对换档过程换档阻力的分析

1.1 对变速换档过程的分析

驾驶员在操纵汽车进行换档时只是瞬时过程，但实际上此过程分六个阶段：一、系统在空档自由阶段；二、预同步阶段；三、同步阶段；四、自由滑移阶段；五、二次冲击阶段；六、完全结合阶段。

换档操作开始时，整个系统处于自由状态，之后滑块将同步环推至锁止位置的这段时间，换档力会有轻微的上升，就是预同步状态。同步阶段是指同步器齿套迫使同步环与齿轮锥体摩擦并最终达到同步过程，此时换档力会讯速的上升。当同步过程结束后，由于同步环和齿轮锥体之间不再存在摩擦力，齿套可以自由的穿过同步环，这个阶段换档力会发生急速的下降。随后同步器齿套穿过齿环开始与齿轮结合齿结合，由于刚度等因素的影响，会导致啮合过程中可能发生齿套和结合齿碰撞，此时又会产生一个力的峰值。最后同步器齿套虽然与结合齿完全结合，但司机却无法感觉到，只有继续推动换档杆感到阻力之后,才意识到已完成了换档过程，此时换档力会快速的上升。

1.2 对换档过程变速箱内部阻力的分析

本文所分析的换挡顿挫感发生在换档的第二阶段，即预同步阶段，此时换挡力的上升不仅要克服变速操纵系统的阻力，同时要克服变速箱内部的阻力。因为操纵系统的阻力是一个相对稳定的数值，本文只对变速箱内部阻力进行分析。

换档操作时，变速箱内部受到三个阻力因素，为定位阻力、自锁力和轨道阻力。轨道阻力是由于拨叉轴移动的时候，拨叉轴和变速箱拨叉孔所产生的摩擦阻力；定位阻力是滑块推动同步环时，要克服定位弹簧所产生的阻力；自锁力是拨叉轴移动时要克服自锁弹簧所产生的阻力。进行换档时，拨叉轴随之移动，拨叉轴首先要克服轨道阻力，然后再克服自锁力，当滑块碰到同步环的时候，此时克服定位阻力。以某个变速器测试进2档为例。

定位阻力、自锁力和轨道阻力是在三个不同时刻发生，这是由换挡过程中不同的间隙引起的。当间隙消除时，对应的阻力才会产生。由于三个阻力是在不同的时候发生，而且最大力值发生的时候不一致，进档曲线就会产生多个峰值，反映在驾驶员手中就是换档不顺，有顿挫感。在理想的情况下，这些力的最大值发生在同一时刻，形成一个单峰值点、一个顺畅的换档操作。

2、换档顿挫感改进策略分析

2.1 自锁机构轮廓改善策略分析

常用换档结构拨叉轴上两个自锁槽之间有一个平的部位，换档期间，自锁球将在这个平台上产生滑动摩擦，增加了进档阻力。同时拨叉自锁槽都在同一个平面内，不仅会造成换档吸入感不足外，而且会造成进档力与摘挡力之间有较大差值，影响换挡手感。

改进后的自锁机构轮廓，中间略高，两边低，可以保证换档时较大的吸入感。虽然这样改进摘档力有所增加，但因为摘挡时候定位阻力为零，故摘挡力还是小于进档力。改变中间的直线轨道，可以使轨道阻力和支撑力发生在同一时刻，减小换挡时候出现的双峰值，反应在手柄时时就是顿挫感有所改善。同时对该自锁机构表面的粗糙度进行改善，建议为0.8um～1.6um,这个改进将会减小换挡力，增加换挡的平顺性。

2.2 滑块端隙改善策略分析

滑块端隙δ1是指齿套在空档位置时，滑块与同步环推力面之间的间隙。如果这个间隙太小，会造成同步环不断的将油擦出齿轮锥面，这将增加拖拽，及明显的增加同步环摩擦面的磨损，减小寿命。如果这个间隙太大，换档轴上的其它阻力将和支撑力分离，并导致锯齿状的感觉。

滑块端隙不仅要考虑到自身尺寸的因素，还要考虑到轴向尺寸的其它间隙。如它的间隙不能小于结合套到同步环之间的间隙δ2，如果小于这个间隙，会出现摩擦锥面尚未接触，还没有产生使同步环锥面相对齿套转动一角度并形成锁止位置的摩擦力矩时，齿套在没有同步前就可能通过同步器齿环，导致不同步就换档，形成换档冲击。不同材料的同步环的滑块端隙在移动过程中所产生的拖拽扭矩是不同的，下图是一常见同步环材料不同间隙和产生的拖拽扭矩的关系。

由图7看出，对于材料为碳、钼的同步环，相同的间隙下，其拖拽扭矩要远远小于材料为铜的同步环。对于商用车，尤其是轻卡所用变速箱的同步环材料大部分是铜，建议同步器合件的每侧滑块端隙最小为0.5mm(共1mm)。

2.3 定位阻力的改善策略分析

同步开始时，通过定位弹簧和滑块,作用在同步器上的力，对其定位位置很关键，产生的力将油从同步环和结合齿之间推出来，能够使同步环引导到正确的位置，并开始同步的发生。初步分析应在开始阶段进行考虑，但是由于磨损槽的磨损，在同步器寿命期间，应考虑到预期的磨损而产生的影响。以某变速器为例，测得各个档位，同步环处支撑载荷，和滑块对同步环的压力。

表1 不同档位的支撑载荷和压力

对于目前大部分材料为铜的同步环，去除锥面上油的压力大概需要1MPa， 2/5/6档时，滑块产生的压力已超过1MPa。2档定位弹簧产生的力远远超过其定位力，这将给静态力轮廓增加一附着力。这个附加的载荷对同步换档的系统性能没有任何好处，仅仅增加了静态进档力和摩擦拖拽。3/4档同步器产生的压力低于设计需要的1MPa，这将导致降低擦出油的性能与产生同时换挡碰撞增加同步器磨损，因为磨损将产生更大的表面接触，需要更大的压力来完成油的擦出阶段。

同步环在工作过程需要滑块产生的压力进行排油，不仅要考虑到排油的压力，同时还要考虑到排油槽的设计。以表1中变速箱2档为例，当前的螺纹设计排油6个轴向槽，这将限制油的排除，并可能导致同步环在锥面上打滑，进而引起档位碰撞。最重要的是，由于材料磨损,同步器的宽度增加,这个变化增加了接触面积。因此为了正确操作增加的需要的定位力。磨损1mm，计算得到需要的定位力载荷为130N，和现在定位载荷190N相比依然很小，建议将这个载荷减小至100N。

表2 同步环磨损前后所需要的定位载荷

3、试验验证

为了验证上述改进策略是否有效，特别对改进内容进行样箱制作，然后在整车上进行测试。此样箱在定位机构和支撑力两方面按照2.1和2.3方面进行了改善。下图为某变速箱在静态下测试的更改前后换档力与换挡行程的关系曲线图。

由上述曲线图可以得知更改后的变速箱，2档曲线双峰值下降了很多，同时最大进档力也有所下降，极大提高了换档舒适性。

4、结论

通过对换挡过程的分析，明确了在换挡过程中所受到的各种阻力因素，提出了改进对应阻力因素的相应措施。通过实车的测试，对改进后的变速箱进行了对比分析。试验表明：变速器换挡顿挫感下降了很多，验证了前述有关结论和改善措施的有效性。

[1] 王望予.汽车设计.第四版,北京: 机械工业出版社,2004年8月.

[2] 陈家瑞.汽车构造.第三版,北京: 机械工业出版社,2009年2月.

Analysis of frustration about the shift

He Guo
（Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

Evaluation method and the case of shift sense of frustration were analyzed. Three resistance factors affecting shift sense of frustration were presented based on the shifting process analysis, and proposed the improvement strategies. Through the experiment to improve the transmission shift performance were tested before and after analysis, to verify the effectiveness of the related conclusion .

transmission；shift；Sense of frustration；resistance

U463.2

A

1671-7988(2015)02-91-03

何果，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。