提升MT 变速器换档性能的方法

张志东 林 健 陈杨军

芜湖万里扬变速器有限公司 安徽 芜湖 241006

1 汽车同步器结构和工作原理

目前汽车上广泛采用同步器为惯性式同步器,其包括滑块式同步器、锁销式同步器、多锥式同步器、锁环式同步器以及自增力同步器。本文中所说介绍的同步器为锁环式惯性同步器,其主要结构由摩擦部件、锁止部件和弹性部件组成。

摩擦部件包含档位齿轮摩擦锥面、同步环内外摩擦锥面；锁止部件包含同步器齿套、同步器齿毂、同步器滑块、同步环；弹性部件：滑块弹簧或卡簧。

惯性锁环式同步器工作原理,见图1：

图1 换挡动作模拟图

换挡时,齿套在换挡力作用下带动滑块向相应档位同步环运动,当滑块与同步环接触瞬间,滑块推动同步环向相应档位齿轮摩擦锥面靠近直至接触,因两者存在转速差,锁止部件相对原位置发生一定位置偏转,促使齿套锁止角面与同步环锁止角面接触,阻止齿套继续运动；此时摩擦部件相接触,在换挡力作用下产生摩擦力矩,使被接合的两部分逐渐同步。待被接合两部件转速相同时,摩擦力减小直至消失,此时拨环力矩大于摩擦力矩,齿套将同步环拨转一定角度,促使两锁止面分离,齿套越过同步环与相应档位接合齿接触,进而进入相应档位。

2 传统结构同步器结构及存在问题

传统结构变速器同步器齿套、齿环、接合齿均为对称结构,具体见图1所示：

图2 自由行程模拟图

换挡过程中,齿套在拨叉带动下向齿环靠近；同步过程中,齿套锁止面与齿环锁止面接触,此时齿环阻止齿套进一步运动,摩擦锥面在摩擦力矩作用下使被同步部件转速趋于相同。当转速相同时,锥面摩擦力消失,齿套拨环力矩大于摩擦力矩,齿套将同步环拨正一定角度。齿套继续运动,在齿套运动距离d(图2)范围内被同步部件仅在惯性矩作用下继续转动,无外界作用。此阶段同步部件及被同步部件产生新转速差,此转速差直接造成齿套进入结合齿

时产生二次冲击力(DB 力),此力过大时,会明显作用于手柄,表现出进档力突变,换挡舒适性差。

3 同步器新结构设计机理

传统结构设计中,同步器齿套、结合齿设计时采用全部对称齿或者全部偏齿结构。新设计结构在单档位上同时采用高低齿+偏齿结构,见图3,对各齿功能进行区分：

图3 齿套高低齿工作原理图

(a)齿套设置高低齿：低齿负责换挡过程的同步阶段,确保在未达到同步前阻止齿套继续滑移；同步过程中高齿位置对应齿环做缺齿处理,高齿不参与同步过程,在低齿同步过程中高齿齿套前端已越过同步点,有效缩短了同步器齿套与同步锥锁止面棱线间距,缩短齿套第二阶段空行程,减小转速差过大引起的换挡冲击,见图3；

齿套花键齿上区分高低齿,高低齿偏距L,L一般取0.4-1.0mm,锁止角α1＜α3≤α2,d2＜d1,采用高低齿结构设计,d2范围可以降低至0.4-1.0mm。

图4 齿套高低齿+偏齿结构

(b)高齿设置偏齿：齿套高齿锁止角做成偏齿结构,锁止面采用大小角非对称设计。

偏齿结构能实现在保证一定啮合长度的情况下,最大限度的减小锁止角；增加拨环力,减小轴向分力；同时因偏齿存在,齿套拨正结合齿转角减小,拨正入档更顺畅,能有效提高换挡舒适性。

拨环力F拨环计算：

目前，常用的浮选方案主要有两种：浮选机分选和浮选柱分选工艺。考虑到公司选煤厂空间狭窄，旋流微泡浮选柱设备占地面积小，无运动部件，磨损小，维护工作量小，维护费用低，操作简单，调整容易，并且精煤灰分调整幅度大，可根据煤质和市场生产灰分不同的精煤等因素，决定采用FCMC-4500型旋流微泡浮选柱工艺。

其中：

F：换挡时齿套受到的换挡力；

u-锁止面静摩擦系数；

θ-锁止角(deg)

例：公司内某款变速器换挡力F=60N,拉线及系统传递效率：η=80%,系统换挡杠杆比i=6.8；锁止面静摩擦系数u=0.1,锁止角优化前角度θ1=115°,优化后角度θ2=86°,通过计算拨环力变化如下：

通过实例可知,通过调整锁止角,拨环力相对原结构提升1.75倍,拨环效果显著提升。

通过公式可知,同步器其它参数不变情况下,锁止角度减小,拨环力变大,同时因高齿为偏齿结构,当齿套锁止面与结合齿锁止面接触拨正结合齿所拨转的角度减小,进档更快。

4 齿套高低齿及偏齿结构设计控制点

常规同步器换挡时,待齿套越过同步点后,因距离d的存在,同步部件与被同步部件产生新转速差。齿套在进入接合齿时需对结合齿进行拨正,其正常路径为接合齿锁止面沿着图示齿套锁止面线1(实线)或线2(实线)滑动,直至进入档位。

但高低齿+偏齿结构同步器换档时,待齿套越过同步点后,接合齿锁止面沿高齿锁止面线1'(虚线)或2'(虚线)滑动。当接合齿锁止面沿2'线滑动时,接合齿无法越过低齿尖点(图示),造成同步器自锁,表现出换挡卡死。

通过计算及作图法可知：

图示边线1、2：低齿锁止面分度圆截面边线；

图示边线1'、2'：高齿锁止面分度圆截面边线；

图示H：高低齿偏移距离；

图示S：高齿锁止角偏移距离。

图示θ：边线2'对应锁止角；

确保低齿尖点包含在2'线内。

图例：以公司某款变速器设计方案为例：

高低齿偏距H=0.7,高齿锁止角偏距S=0.4,对应锁止角度θ=50°,齿套与结合齿接触运动模拟图如下：

图6 齿套高齿接触结合齿 图7 齿套高齿越过结合齿

通过图示可以看出当齿套高齿接触接合齿时,齿套低齿未接触到齿套低齿,待齿套拨正结合齿继续进档时,齿套高齿将结合齿按照图示方向偏转,此时如图示7所示,接合齿尖端并未越过齿套低齿尖端,两者出现干涉,阻止齿套进行进档,即自锁。

5 试验验证效果

以公司某款变速器同步器结构优化前后参数见同步器优化前后参数表1；

表1 优化同步器优化前后参数表

原同步器换挡二次冲击力(DB 力)大于同步力50%及以上占比42.8%(一般设计要求≤20%),采用新结构同步器后,换挡二次冲击力大于(DB力)同步力50%及以上出占比降为0%,换挡舒适性明显提高,客户认可度高。

图8 原同步器结构换挡曲线图

图9 优化同步器结构换挡曲线图

5 结束语

通过同步器设置高低齿+偏齿结构,有效缩小齿套空行程带来的换挡转速差,同时设置偏齿减小进档角度,从而消除换挡二次冲击,有效提升变速器换挡舒适性。