MT变速箱静态换挡力设计方法

陈超超　唐满荣　杨大学　杜鹏　王晶晶

摘 要 简明阐述静态换挡力是手动变速箱换挡性能的重要指标。根据变速箱换挡结构，对变速箱静态换挡力的设计方法进行详细分析，拟和理论静态换挡力曲线。基于该设计方法，设计一款变速箱，通过GSA换挡测试结果评价静态换挡力性能，验证设计方法。

关键词 手动整车 运动型 静态换挡力 GSA测试

0前言

在自动挡汽车普及的大趋势下，仍有一部分手动挡爱好者追求驾驶乐趣选择手动车辆。由于在MT（Manual Transmission，手动换挡变速箱）汽车中，要实现换挡变速，驾驶员必须操纵变速箱进行换挡，变速箱的换挡性能直接决定整车的换挡水平。在用户购车时，静态换挡力是换挡给用户的第一印象。因此，在变速箱设计开发中，静态换挡力是换挡性能的一项重要指标。

国内变速箱静态换挡力设计普遍采用对标方式：选择标杆产品，对相关零件进行计量，采用相同设计参数，静态换挡力设计理论欠缺。本文对变速箱静态换挡力理论设计方法进行详解，并根据理论方法设计一款变速箱，通过客观测试验证设计方法。

1静态换挡力

变速箱静态换挡力是指变速箱的传动轴在静止状态，转动换挡摇臂进行换挡操作，施加在换挡摇臂拉索销上的切线换挡力性能，包含：换挡行程、换挡力以及换挡吸入力。根据变速箱换挡结构，变速箱静态换挡力通常由同步器滑块力、换挡拨叉钢球力、换挡塔钢球力矩组合而成，如图1所示。

评价静态换挡力有主观驾评和客观测试两种方式。本文是采用GSA整车换挡测试系统进行評价。Gear Shifting Analysis系统（简称GSA），是基于硬件采集部件（固定支架、三向力传感器、三向位移传感器和IMC数采系统）和分析软件系统来进行数据采集分析，用于评价整车换挡性能的专业测试系统，如图2所示。

2同步器滑块力计算

齿套在滑动过程中，同步器滑块力受力示意图如图3所示，滑块力F1由式（1）得出：

每个同步器有3个钢球，钢球在任意位置处的弹簧力为Fball，钢球与齿套接触点处的切线角为 sleeve，滑块导轨上的摩擦系数为 1， 1推荐值0.2。

根据齿套滑块槽及滑块的形状和尺寸，可求出齿套在滑动过程中所受到钢球轴向力Fsleeve与位移的关系。图4是基于式（1）设计的变速箱同步器滑块力与位移关系图。相关参数 =30埃琑=0.6，L1=7，F1=20N，L2=6.1，F2=27.2N。

3换挡拨叉钢球力计算

换挡拨叉组件的受力示意图如5所示。换挡拨叉组件在运动过程中，所受钢球的轴向力F2可由式（2）求出。

（2）

自锁钢球总成的工作簧力为FN， 自锁钢球与换挡拨叉组件W曲面接触点的切线角为 fork，换挡拨叉组件导轨的摩擦系数为 2。

根据换挡拨叉组件W曲面形状和尺寸，即可求出换挡拨叉组件所受轴向力与位移的关系。图6是基于式（2）设计的变速箱换挡拨叉钢球力与位移关系图。

4换挡塔钢球力矩计算

换挡塔定位销与波形面进行受力分析，受力示意图如图7所示。因此，换挡塔钢球力矩计算公式如式（2）所示。

钢球球心为02，所受弹簧簧力为F，钢球与波形面的接触点处法向角为 ，接触点到旋转中心01的距离为b，接触点到旋转中心01的连线与水平面的夹角为 ，摩擦角为 ，换挡轴转动时的摩擦系数为 3，换挡轴半径为R′。

根据波形面的形状和尺寸，可求出换挡塔转动过程中所受钢球力矩与转角的关系。图8是基于式（3）设计的变速箱换挡轴所受的力矩与转角的关系图。

5静态换挡力曲线拟合

根据式（1）～（3）理论计算公式，以上X变速箱同步器滑块力-位移关系图（图4）、换挡拨叉钢球力-位移关系图（图6）、换挡钢球力矩-位移关系图（图8）。考虑到换挡拨指与叉口架之间的间隙△1，换挡拨叉与同步器齿套之间的间隙△2，滑块与齿环之间的间隙△3，对这三个力进行匹配，拟合出变速箱X静态换挡力-位移曲线，如图9所示。

6 GSA换挡测试

根据以上设计结果，完成变速箱样机制造后，搭载整车进行GSA换挡测试。以一挡为例，静态换挡力主要关注进挡力、吸入力，以及进挡曲线走向，见图10。对比图9，可以看出图10实测曲线进挡过程与图9理论拟合曲线一致。

从表1整车静态换挡力测试结果可以得出，变速箱静态换挡力适中，吸入力较强，是典型家用舒适型换挡，静态换挡力表现优异。

7结论

针对变速箱换挡静态换挡力，根据变速箱换挡机构工作原理，详解设计方法。基于此设计方法，设计一款变速箱，通过整车GSA换挡测试可以得出：

（1）实测曲线与理论拟合的曲线相一致，证明理论设计方法正确。

（2）基于此设计方法的变速箱静态换挡力满足标准，性能表现出色。