手动变速器2～3斜线换挡浅析

许红丹

（常州铁道高等职业技术学校，江苏 常州 213011）

1 问题分析

如图1所示，A→D为斜线换挡，在进行2挡到3挡急速斜线换挡的时候，变速箱内部选挡回复机构响应时间不够，操纵杆出现卡滞现象从而降低换挡速度，影响整个变速箱的换挡品质。

A→B→C→D为折线换挡，2挡先退到空挡，接着在空挡状态下回到3、4挡位置，最后进三挡，变速箱内部选挡回复机构有足够的响应时间，换挡过程顺畅但整体速度较慢。

图1 斜线换挡、折线换挡示意图

2 方案解决

操纵杆通过一套拉索机构与变速箱内部的选换挡机构连接，操纵杆工作时其实是控制变速箱选换挡机构的运动，其中选换挡凸轮的运动在很大程度上决定了变速箱的选换挡品质。操纵杆与选换挡凸轮在结构上都有一个“王”字形的运动轨道，要保证换挡过程流畅，必须使操纵杆和凸轮的运动保持同步，如图2所示。

图2 操纵杆与选换挡凸轮运动轨迹

A→B→C→D：折线换挡操纵杆轨迹 a→b→c→d：折线换挡选换挡限位销相对凸轮运动轨迹

A→D：斜线换挡操纵杆轨迹 a→d：斜线换挡选换挡限位销相对凸轮运动轨迹

综合所有用户操作习惯相对于本文而言存在以下三种情况：

（1）折线换挡：操纵杆运动轨迹为A→B→C→D，操作杆带动凸轮运动，选换挡限位销相对凸轮的运动轨迹为a→b→c→d，操纵杆与凸轮的运动保持同步，换挡过程无异常发生，如图2。

（2）低速斜线换挡：操纵杆运动轨迹为A→D，选换挡限位销相对凸轮的运动轨迹为a→d，此时操纵杆与凸轮的运动也能保持同步，换挡过程无异常发生，如图2。

（3）急速斜线换挡：换挡速度过快，凸轮的响应时间不够，其运动滞后于操纵杆，操纵杆从A点运动到B点时，选换挡限位销相对凸轮的运动轨迹为a→b，选换挡限位销在b点与凸轮“王”字槽边缘发生碰撞，于是出现了换挡卡滞现象，如图3所示。

图3 急速斜线换挡

总结以上3种情况得出以下结果：无论是折线换挡还是低速斜线换挡，选换挡定位套筒提供给凸轮的力都有足够的作用时间，使凸轮产生与操纵杆近似同步的运动；急速斜线换挡时，选换挡定位套筒提供给凸轮的力虽然与以上的两种情况大小一样，但是作用时间大大小于以上两种情况，导致凸轮还没运动在指定位置时，选换挡限位销已经运动到位，图3中的b点（而非B点），产生干涉。

综合以上分析，产生干涉的主要原因有两点：回复力偏小；作用时间太短。对于变速箱而言，能调整的只有回复力的大小，作用时间取决于用户手速的快慢。而回复力的大小直接决定了凸轮的响应时间，也就是回复力越大，凸轮在其作用下得到的加速度越大，运动更快，回复时间越短，产生干涉的几率越低。

下面我们来分析回复力的具体数据，在本项目操作机构中，选换挡定位套筒为凸轮提供回位力FR，如图4所示。

图4 凸轮回复力示意图

其中：F—套筒弹簧力，F=k(x0+x)，对于本项目使用的套筒，弹簧刚度k=10N/mm,钢球位于1/2挡时F=118N；

N—套筒钢球作用在凸轮斜面上的法向压力，N=Fcosα=118×cos12.5°=115.2N；

f1—套筒钢球与凸轮斜面之间的滚动摩擦力，f1=μN,μ 为滚动摩擦系数，μ=0.01，f1=0.01x115.2=1.152N；

f2—选换挡轴受到的轴承摩擦力，f2=Fμ=118×0.01=1.18N；

f3—选换挡轴受到的油封摩擦力，f3=πdF0，d为选换挡轴直径16mm，F0为轴圆周单位长度的摩擦力，这里取较大值0.5N/cm，则f3=3.14×1.6×0.5=2.512N；

G—选换挡轴总成重力，G=mg=1.35×9.8=13.23 N。

凸轮受到的回复力FR为：FR=Nsinα-f1cosα-f2f3-G=115.2×sin12.5°-1.152×cos12.5°-1.18-2.512-13.23=6.89N

以上计算显示，式中f1、f2、和f3的大小已经取为最大值，回复力依然可以克服系统重力使凸轮回位，所以还是作用时间太短引起的卡滞，与本文之前的理论推测一致。基于前文分析，要克服急速斜线换挡时产生的卡滞现象就需要将凸轮回复力FR调大。

通过加大图4中α的角度，套筒压缩量加大，对凸轮的压力F加大，同时该压力F经过斜面作用对凸轮产生的在竖直方向上的分力也将变大。

现今，将α增大至16°，则F增大至122N，代入以上公式，得FR’=14.24N

理论计算所得，将α调至16°，定位套筒在1/2挡位置对凸轮产生的回复力将提高一倍多，大大提高凸轮的回位速度，很大程度上解决了急速斜线换挡卡滞的现象。

3 效果验证

通过零件试制，α为16°的凸轮在整车试验和后续装车上表现良好，急速斜线换挡再也无卡滞现象产生。