手动变速器动态换挡卡滞改进策略研究

张银超

摘 要：手动挡汽车换挡性能开发时，经常会产生换挡卡滞的抱怨，且解决难度比较大。换挡卡滞主要包括同步卡滞、换挡二次冲击。通过理论分析计算发现，适当降低软轴刚度，可以增加同步过程的系统变形量，改善同步卡滞;同时提高齿套自由滑行阶段的速度，减小自由滑行时产生的转速差，降低二次冲击产生的卡滞。通过GSA测试对比分析，降低软轴刚度后，可以明显改善同步卡滞及二次冲击卡滞，改善换挡手感，提高客户满意度。

关键词：手动变速器 换挡性能 软轴刚度 同步卡滞 二次冲击

1 引言

MT换档性能十分重要，在整车匹配开发的过程中发现，同一款变速箱，匹配不同的整车厂，换挡性能有明显的差异。对比分析发现，两款车的换挡机构、软轴不同，换挡差异的原因可能是有软轴造成的。

2 换挡过程分析

对于典型的惯性式同步器，可以简单的把换挡过程分为以下五个阶段，过程如下：

阶段1预同步阶段：齿套带动滑块，滑块顶同步环，在滑块力的作用下，同步环和结合齿锥面摩擦，使同步环转动，同步环的梅角面和齿套的梅角面开始接触;

阶段II同步阶段：滑块越出齿套滑块槽，同步环持续摩擦锥面，直到结合齿转速和齿套转速一致，同步完成;

阶段III自由滑行阶段：由于，由于拨正力矩、拖曳力矩等因素的存在，结合齿和齿套产生新的转速差;

阶段IV二次冲击区：结合齿与齿套由于自由滑行区产生的转速差的存在，齿套进入结合齿啮合的过程中，会与结合齿梅角相撞，产生冲击，影响换挡手感;

阶段V完全入挡区：齿套的背锥与结合齿的背锥啮合，完全入挡，松开离合器后，开始传递动力;

3 同步卡滞

同步阶段会持续一段时间，在该段时间内，拨叉齿套等不会发生轴向移动，如果软轴及换挡机构不能提供一定的变形量，会产生同步卡滞。整车客户抱怨的同步卡滞、卡、硬等，很大程度上，是由该原因造成的。

3.1 同步卡滞产生原因分析

在同步过程中受力分析如下式所示。

同步过程中，必然有T_z

分析该项目典型该换挡曲线，可以看到明显的同步卡滞。在该曲线中，同步阶段可以分为三个阶段。

阶段1：同步力随着换挡行程的增加而增加，但刚度较大，感觉换挡稍硬。

阶段2：同步力增加而换挡行程不发生改变，认为刚度是无穷大，此过程换挡很硬，即为同步卡滞。所谓同步卡滞，就是换挡过程中，在某个时间段内，同步力增加，而换挡手球没有位移，这种感觉就相当于手在推刚性体，换挡极不舒服，容易产生抱怨。

阶段3：同步完成后，齿套拨正同步环，穿过同步环，力随着位移的增加而增加，完成同步环拨正。

3.2 优化案例

某新款变速器，在开发过程中，客户抱怨1/2/3挡换挡有明显同步卡滞。通过GSA设备测试分析，得到动态换挡性能曲线，如图2上两图所示。

由于存在换挡同步卡滞，首先排查同步冲量，经过测量分析，同步冲量分别为：1->2 4.3Ns，2->3 3.2Ns，2->1 8.4Ns，3->2 4.9Ns。与同级别变速箱相当，说明该同步器有足够的同步容量。

排查换挡软轴，图1上图为某型号车型所使用的换挡拉索。在软轴A端，拉索球销与软轴系统中，均为硬质塑料，换挡刚度较大，换挡同步刚度达到12N/mm，并且有一段竖直上升段。

更换软轴系统靠A端，更换后的零件如图1下图所示。

更换拉索A端后，动态换挡曲线如图2下两图所示，换挡同步刚度3.6N/mm，换挡柔顺度提高。

在公司内部，随机找20人经常驾驶手动变速箱的人员进行主观评价，换挡同步卡滞抱怨率由95%降低至0%。

4 二次冲击卡滞

二次冲击产生的根本原因是：同步完成后，进入啮合之前，由于多种因素结合齿与同步器产生新的转速差。而转速差产生的原因主要有：同步完成后，拨正力矩大于同步力矩，齿套拨动同步环转动，同步环带动结合齿转动，与齿套转速不一致;同步完成后，齿套进入啮合之前，在该时间段内，齿套与结合齿所受拖曳力矩不一致，会产生新的转速差;齿套进入结合齿啮合之前，齿套与结合齿的相对位置时随机的，齿套梅角有一定的概率撞击在结合齿的梅角面上，产生二次冲击。

减小二次冲击的重要方式之一，就是缩短自由滑行时间。因为同步环必须有足够的后背量及结构的限制，自由滑行行程无法缩短，自由通过提高速度，缩短自由滑行时间。

4.1 软轴刚度对二次冲击的影响分析

在同步过程中，由于摩擦力矩大于拨正力矩，齿套不会向挡位方向移动，因此同步过程中，整个换挡传动链都是在发生弹性变形。同步完成的瞬间，齿套从静止开始运动，传动链系统的弹性变形产生的弹性势能转化为齿套的动能，其转换的公式如下：

（式3）

其中：k系统刚度;

x系统变形量;

m齿套质量;

v齿套运动速度。

通过适当降低系统刚度，增加系统变形量，可以明显提高自由滑行的速度，降低自由滑行时间，在同样拖曳力矩的情况下，明显降低转速差该变量，降低二次冲击。

4.2 优化案例

采用如图1下图所示的新软拉索，动态换挡同步时，拉索系统在变形，同步完成后，拨正力矩大于同步力矩，同步解锁，此时由于系统为弹性变形，齿套、拨叉等部件会以极快的速度进入结合齿啮合，此时会大幅度的缩减自由滑行时间，减小了齿套与结合齿之间的转速差，减小了二次冲击。

進入结合齿时，齿套梅角与结合齿梅角撞击时，由于系统采用软拉索，会吸收冲击能量，手球上能够感受到的二次冲击也会明显变小。

如图2，通过测试对比发现，平均二次冲击力比明显降低，且二次冲击力比的发生概率也明显降低。低刚度软轴能够明显降低换挡二次冲击，提升换挡手感。

5 结论

通过理论分析及试验，证明适当降低软轴刚度，可以明显改善换挡同步卡滞及二次冲击。在后续项目开发过程中，可以在项目开发前期，与客户沟通，让客户更多的注意软轴刚度对换挡性能有明显影响。

参考文献：

[1] Harald Naunheimer著，宋进桂，龚宗洋等译. 汽车变速器理论基础、选择、设计与应用[M].北京：机械工业出版社.2014.1.

[2]高维山.变速器[M].北京：人民交通出版社.1990.8.

[3]马超圣.汽车变速器同步器[M].北京：汽车杂志社.1990.5.