一种提升手动变速器换挡“吸入感”的方法

巢鑫

摘要：本文通过对手动变速器换挡过程的详细分析，分析得出了手动变速器换挡吸入感发生的最佳时机、以及换挡吸入感的来源。并通过理论分析，提出了通过改变换挡拨头的“M”槽角度的方法来提高手动变速器换挡吸入感。

关键词：换挡质量；同步器；M槽

1 绪言

随着国民生活素质的提高，轿车在各个家庭越来越普及，顾客对整车选换挡性能的要求已经不仅限于操作的简单和省力，而更加追求驾驶过程中操纵的精准和过程的享受。因此，本文提出了汽车换挡质量的概念。

所谓换挡质量是指在保证手动变速器传动系统寿命的前提下，能够快速而又精准且平稳舒适换挡的过程，其评价指标可分为舒适性、精确性、耐久性。舒适性主要是从驾驶者的主观感觉来考虑，要求换挡过程轻便平顺，不能使驾驶者产生疲劳的感觉。例如：换挡冲击、换挡噪声、换挡卡滞等。

2 手动变速器换挡过程

手动变速器的选换挡机构的零部件主要包括：拨叉轴、拨块、拨叉、互锁机构、自锁机构、操纵盖总成等。

该变速器换档的主要过程是：通过换挡轴的轴向移动压缩弹簧，使换挡头移动到不同档位的拨块叉口，实现目标挡位的选择；换挡的主要过程是：当目标挡位选择到位时，通过选挡轴的旋转运动，带动换挡拨头转动，克服换挡阻力，使换挡轴拨动拨块，由于拨块、拨叉轴和拨叉之间为刚性连接，使拨叉带动同步器齿套沿轴向移动，直到同步器工作，实现换挡目地。

3 换挡吸入感的发生时机

从以上换挡过程的分析可知，换挡是一系列零部件的顺序动作，换挡“吸入感”并不是贯穿整个换挡过程。下面对某一单锥滑块式同步器的换挡过程进行分解，确定换挡“吸入感”发生的最佳时机。

整个换挡过程可以分为以下几个阶段：

3.1 预同步阶段

这个阶段从同步器开始动作到摩擦副面开始接触为止。开始时齿套与滑块一起运动，当位移达到滑块端隙时，滑块与同步环开始接触。同时，换挡定位套筒从最低点开始沿换挡头“M”槽向上爬行。

3.2 同步阶段

在这个阶段，由于摩擦锥面存在相对运动，从而产生同步力矩Ms。另一方面。锁止面上的作用力对同步环形成拨环力矩Mt。在同步力矩Ms的作用下，经过同步时间，被啮合齿轮与同步环达到同步，同步过程结束。同时，选换挡定位套筒继续沿换挡头“M”槽向上爬行，并越过“M”槽最高点。

3.3 同步中断阶段

当被同步齿轮与同步环到达同步，不存在转速差，由于齿套和同步锁环之间仍有接触，拨环力矩Mt使同步环连同被同步齿轮一起相对于齿套运动，由此造成齿套与被同步齿轮之间产生新的不同步转动。当齿套和同步环相对转过一个角度后，齿套和同步环的锁止分离，进入自由滑移阶段。与此同时，选换挡定位套筒沿换挡头“M”槽开始下滑。

3.4 自由滑移阶段

齿套和同步环锁止分离，与接合齿接合之前，齿套通过该阶段无任何阻碍，故称自由滑移阶段。同时，选换挡定位套筒沿换挡头“M”槽迅速下滑，在定位套筒弹簧力的作用下，使操作手柄上有明显的自动吸入的感觉，即换挡的“吸入感”。此阶段即是发生换挡“吸入感”的最佳时机。

3.5 完全结合阶段

齿套与接合齿完全接合，档位锁止产生。此时即真正完成了换挡。

4 分析计算过程

根据以上分析可得，选换挡定位套筒和换挡头对换挡吸入感的产生起着重要的作用。需要对两者进行详细分析。

4.1 选换挡定位套筒的主要功能

1）空挡时，选换挡定位套筒处于换挡槽“M”槽的底部，起到精确定位的作用；

2）换挡时，起到增强换挡手感的作用。

4.2 换挡拨头的作用

换挡拨头与选换挡定位套筒相互作用的部分在“M”槽，形状如下图所示。在换挡过程中，可以看作是选换挡定位套筒的钢球沿着“M”槽爬行，并且爬行可以分为两个阶段：

1）从“M”槽底部沿斜面向上爬行；

2）沿“M”槽斜面下滑。

结合换挡过程的几个阶段可以发现：

1）如果当齿套进入自由滑移阶段，选换挡定位套筒的钢球处于沿“M”槽斜面下滑时，换挡吸入感将会有明显提升。

2）如果换挡拨头夹角变小，换挡吸入感将会明显增加。故将换挡拨头“M”槽夹角改变前后的状态进行分析计算。

4.3 分析过程

换挡吸入感的感觉产生于进档速度的快慢，当人手施加的力一样时，钢球移动的快慢决定吸入感的良好程度。故需要将换挡拨头在换挡过程中钢球行进速度的变化计算出来，对换挡吸入感进行量化比较。通过对选换挡定位套筒弹簧进行位移分析，即可得到选换挡定位套筒钢球的位移情况，也就得到了换挡拨头转动速度。

4.4 计算过程

本文以第二阶段即沿“M”槽斜面下滑阶段为例，进行计算说明。如下图所示所示，随着钢球的位移，弹簧也将随之发生变形。所以，只要知道了弹簧变形的快慢，就可以知道吸入感产生的强烈程度。

4.5 计算结果

通过上表中的关系式，将弹簧变化量x的计算式编入EXCEL表中计算，可以得出整个换挡过程中，换挡头旋转角度和弹簧变化量x的曲线，将两种状态的换挡头的“M”槽曲线进行比较。

对于换挡头不同的“M”槽夹角，可以得出不同的弹簧变化量曲线，尤其在下滑阶段，状态2的弹簧变化量比状态1的变化量大。换挡“吸入感”是以换挡的某一过程中换挡力的变化对应行程变化的比值，即直线的斜率来评价。斜率越大，说明换挡力的变化剧烈，换挡吸入感就会越明显。下图中转过同样的角度，状态1的X变化量为2mm，状态2的变化量为3.5mm，根据F=kx，可算出状态2的力变化量更大，吸入感更强。

5 结论

在换挡过程中，通过对弹簧变形量的计算，将原来由乘员主观感觉进行判断的换挡吸入感进行量化，提出了改变换挡拨头“M”槽的形状以提高手动机械式换挡吸入感的方法。结果表明：换挡头“M”槽的夹角由状态1更改为状态2后，大大增加了手柄球的换挡“吸入感”。即此方法得到了验证。

参考文献：

[1]陈家瑞 汽车构造（第五版 下册）

[2]哈尔滨工业大学理论力学教研室 理论力学（第六版）