乘用车手动变速器动态换挡性能评价方法及改进策略.doc

乘用车手动变速器动态换挡性能评价方法及改进策略杨士钦 1，王 应 1，卢剑伟 2（1. 江淮汽车股份有限公司 技术中心，安徽，合肥 230022；2. 合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽，合肥 230009）摘 要：对乘用车手动变速器动态换挡性能评价方法及改进策略进行了分析。结合变速器换挡性能的主观评价需求目标，确定了乘用车手动变速器动态换挡性能评价的 3 个客观量化指标，并提出了改进其动态换挡性能的策略。通过试验对 某乘用车手动变速器动态换挡性能进行了测试分析，验证了相关结论的有效性。关键词：变速器；换挡性能；动态；乘用车中图分类号：TH132文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.05.06Evaluation and Improvement Strategy of Dynamic Gear ShiftPerformance of Passenger Car with Manual TransmissionYang Shiqin1，Wang Ying1，Lu Jianwei2（1. R&D Center，Jianghuai Automobile Co., Ltd，Hefei，Anhui 230022，China；2. School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，Anhui 230009，China）Abstract：Evaluation method and improvement str ategy of dynamic gear-shift performance of passengercar with manual tr ansmission were analyzed. Three objective evaluation indexes used for dynamic gear-shift performance evaluation were presented based on subjective evaluation requirements. And the corresponding improvement str ategies were discussed with consideration of the str uctural characteristics of the tr ansmission. Based on these works, experimental analysis was carried out to verify the presented conclusions.Keywords：tr ansmission; gear shift performance; dynamic; passenger car随着国内汽车保有量持续快速增长，公路交通所消耗的石油资源占全国石油消耗总量的份额 不断攀升。提供给用户低油耗并具备良好动力性 能的汽车产品成为目前汽车企业追求的主要目标 之一，也是目前消费者最为关心的技术指标。提高汽车动力性和燃料经济性的关键是发动机的工作特性以及传动系的匹配，变速器的设计匹配是其中重要一环。但是变速器在设计匹配的过程中受到很多因素制约，换挡性能是其中一个 重要的方面。部分跨国公司经过多年积累，基于 试验手段，已经建立了一套变速器换挡性能的评 价方法。但是国内乘用车企业在该方面的积累相 对较少，在换挡性能的评价及改善方面还存在一 些不足，因此有必要对其进行系统深入的分析。收稿日期：2012-06-01基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目 (NCET-10-0358)= FsncRc ，（1）Ts sin式中：Fs 为作用在接合套上的力（换挡力）； nc为工作锥面间的摩擦系数；Rc 为锥面的有效半径；为锥面的角度。 根据动量定理，可以得到dwJ dt - Ts = 0 ，（2）式中：w 为同步器输入端的角速度；t 为同步时间；J 为同步器输入端零件的转动惯量。 因此可以得到换挡力为oFs = Jw sin （3）ncRcFs sinFssin ncFsRRc图 1 同步器换挡摩擦力矩作用示意图倒挡挂入率也是评价变速器换挡性能的一个 方面。倒挡由于要使汽车反向行驶，挂倒挡所需 要的力和时间相对于其它挡位要高。倒挡挂入率 z 是指在 100 次挂倒挡的过程中挂入次数 n 占全 部挂倒挡次数的百分比。如果倒挡挂入率较低， 就会影响变速器的倒挡性能。为了实现变速器良 好的倒挡性能，我们通常规定 z 92%，n 8。2手动变速器动态换挡性能改进策略分析2.1 二次冲击改善策略分析二次冲击主要是由于同步后，齿套和齿轮啮 合时存在空隙，从而导致两者之间有冲击。为了 减少二次冲击对换挡性能的影响，将同步器中的第 5 期杨士钦 等：乘用车手动变速器动态换挡性能评价方法及改进策略349本文结合某乘用车研发的工程实践需求，对乘用车手动变速器动态换挡性能评价方法及改善 措施等进行了探讨，相关方法和结论有助于进一 步改善变速器的设计匹配。1手动变速器动态换挡性能评价指标分析根据乘用车产品消费者的需求，乘用车手动变速器的换挡性能需要重点关注其操纵舒适性及 换挡过程的噪声问题。尽管换挡性能总体上来讲 是依赖于驾驶员主观体验的一种主观评价指标， 但是为了便于评价和改善其性能，最方便的途径 是找到能够反映这些评价换挡性能的客观指标。 通过这些指标，对变速器的换挡性能做出一个客 观正确的评价，并以这些指标为依据，对换挡机 构和换挡性能进行分析评价及改进。从动态换挡性能评价的角度出发，乘用车手 动变速器动态换挡性能评价主要考虑以下 3 个指 标：二次冲击、换挡冲量以及倒挡挂入率。二次冲击是评价汽车换挡舒适性的重要指标。 二次冲击主要是由于接合套与齿圈之间存在啮合 间隙，从而导致两齿间的连续冲击，驾驶员在换 挡杆上会感受到二次冲击作用。二次冲击缩短了 同步器和齿圈的寿命，导致换挡过程的冲击较大， 操纵舒适性和噪声指标受到较大影响。二次冲击 是随机的且难以避免，但是当二次冲击力小于最 大换挡力的 30% 时，驾驶员一般无法察觉，可认 为此时的二次冲击是可以接受的。换挡冲量是在整个换挡过程中或者某个换挡 阶段的换挡力对于换挡时间的积分，是评价动态 换挡品质和同步性能的重要指标。换挡冲量越小 说明换挡所需要的力越小，同步的时间越少，换 挡过程就越顺利，操纵舒适性及噪声指标越好。 换挡过程中摩擦力矩作用如图 1 所示，可以得到产生的摩擦力矩为结合套齿和齿轮设计成不对称接合齿，可以减少为了尽量避免转速差的产生，采用如图 4 所示 冲击。的非对称接合齿设计方案，增加同步过程中齿套在 图 2 为对称接合齿啮合过程示意图，图中 Sk 同步锥环锁止面上的滑行距离，可以减少齿套和挡为同步后的空行程。空行程越大 , 同步锥环同步后 位齿轮之间的空行程，从而减少转速差的发生。齿套和挡位齿轮之间的转速差越大，转速差是导 致换挡冲击的根本原因。因此，设法减小空行程 将是改进二次换挡性能的一个有效措施。图 4 不对称接合齿工作过程示意图图 2 对称接合齿工作过程示意图图 3 为某车型同步器接合齿尺寸关系示意图， 其中，d1 =0.8 mm，d2 =1.2 mm。因此可以计算得 到该同步器的空行程为Sk = d1 + (1.5- h2)+ d2= 0.8+ (1.5-1.25 )+ 1.2 = 2.58 mm （4）tan65c图 5 改进后同步器接合齿尺寸关系图 5 为同步器采用非对称接合齿的尺寸关系示意 图，其中，h1=0.933 mm, h2=0.816 mm, h3=0.469 mm。 因此可以计算得到改进后同步器的空行程为Sk = d2 + h3 - Sl= d2 + h3 - h1 - (1.5- h2)= 1.42 mm （5）改进后空行程减少了 1.16 mm，是对称接合齿 设计时的 45%。2.2换挡冲量改善策略分析图 3 原车型同步器接合齿尺寸关系换挡过程中变速器所受到的换挡冲量可以用350汽车工程学报第 2 卷，（6）图 6 杠杆同步机构示意图图 7 改进前二次冲击指标测试结果图 8 改进后二次冲击指标测试结果第 5 期杨士钦 等：乘用车手动变速器动态换挡性能评价方法及改进策略351同步器的同步容量来改善。同步器的同步容量越大，同步时间越短，所需的换挡力也变小，从而 减小换挡冲量。同步器的同步容量为基于上述考虑，采用图 6 所示的杠杆同步机构加以改善。换倒挡时，当 5 挡齿轮拨叉推动 5 挡同步器齿套移动，同步器齿环杠杆以同步器毂 为支点推动同步器齿环，导致同步器齿环与 5 挡 齿轮锥面相接触，从而制动输入轴的转动，导致 输入轴转速降低。从而使倒挡齿轮和输入轴的倒 挡齿轮能够轻松咬合，实现平顺换挡。式中：Ms 为同步力矩； 为摩擦锥面摩擦系数；r为摩擦锥面平均工作半径； 为摩擦锥面的锥角；P 为作用在齿套上的轴向力。 从式（6）可以看出，增加摩擦锥面数量和提高摩擦系数是提高同步容量的一个有效措施。因 此，考虑采用双摩擦锥面同步器，并通过改变摩 擦锥面的材料来提高其摩擦系数。根据该车型变速器 3 挡同步器的数据进行核 算。摩擦系数约为 0.1，平均半径为 30.48，锥角 为 637，计算得到同步容量为 Ms=26.5 mm。改 用双摩擦锥面并采用碳复合材料，同步容量增加 为 Ms=63.6 mm，同步容量显著提高。2.3 倒挡挂入率改善策略分析目前绝大部分手动变速器前进挡均设计有同 步机构，但倒挡一般未采用同步机构。因此，在 踩下离合器踏板，切断发动机动力传递后，由于 变速器自身的惯性，变速器输入轴等零部件仍要 旋转，而此时换入倒挡，旋转的输入轴倒挡齿轮 与静止的倒挡惰轮尚未达到同步，导致换挡困难。3试验测试分析为了验证上述分析结论的有效性，对某乘用车变速器换挡性能进行测试分析。3.1二次冲击试验测试分析图 9 换挡冲量指标示意图87s) 63挡2挡 /(N 5sI换挡冲量2 挡 3 挡432102-3 3-2换挡挡位 n/(-)图 10 改进前换挡冲量指标测试结果图 11 改进后换挡冲量指标测试结果图 12 改进前挂倒挡测试结果图 13 改进后挂倒挡测试结果352汽车工程学报第 2 卷图 7、图 8 分别是从 2 挡换入 3 挡过程中采用原型车同步器及考虑采用非对称齿改进设计后同步 器的二次冲击测试结果。改进前最大换挡力 Fa 为103 N，二次冲击的力 Fr 为 60 N，达到了最大换挡力的 58.2%，不符合我们的设计要求；而改进后最 大换挡力 Fa 为 101 N，二次冲击的力 Fr 为 30 N， 符合设计要求。3.2换挡冲量试验测试分析图 9 是测试换挡冲量的示意图，其中，名义 值为我们实际测得的换挡冲量值，而最大值和最 小值为计算出的换挡冲量区间。名义值在此区间 范围内一半的下方，说明换挡冲量较小，反之则 说明换挡冲量较大。增加摩擦锥面同 时，对 3 挡变速器摩擦锥 面进行喷碳处理，使摩擦锥面的摩擦系数升高至0.12。图 10 和图 11 分别给出了改进前后由 2 挡换 入 3 挡的换挡冲量测试结果。换挡冲量由原设计方案的 3.3 下降为 2.3。3.3倒挡挂入率试验测试分析图 12 和图 13 分别为改进前后变速器在 20 次 挂倒挡过程中的倒挡挂入率测试结果，试验时共第 5 期杨士钦 等：乘用车手动变速器动态换挡性能评价方法及改进策略353进行了 20 次挂倒挡操作。从图中可以看出，原设计方案有 4 次挂倒挡失败，倒挡挂入率只有 80%， 而改进后方案只有 1 次挂倒挡失败，倒挡挂入率 达到 95%，满足了相关要求。了手动变速器动态换挡性能的评价指标体系，并提出了评价指标的评价范围。在进一步对变速器功能 结构进行分析的基础上，明确了影响动态换挡性能 评价指标的因素，讨论了提升动态换挡性能的措施。 通过实车的测试对改进前后的换挡性能指标进行了 对比分析。试验表明，变速器换挡性能指标有了很 大提升，验证了前述相关结论和改善措施的有效性。4结论通过对乘用车使用性能要求的评估分析，明确参考文献 (References):1王望予 . 汽车设计 ( 第 4 版 )M. 北京：机械工业出版社， 2004.Wang Wangyu. Automotive Design(4th Edition)M. Beijing：China Machine Press，2004. (in Chinese) 李渠成 . 汽车变速器不对称接合齿的设计 J. 合肥工 业大学学报 ( 自然科学版 )，2009，32(3)：32-35.Li Qucheng. Design of Asymmetric Combining Tooth of Automotive TransmissionJ. Journal of Hefei University of Technology(Natural Science Edition)，2009，32(3)：32-35. (in Chinese)宋瑞起，尹良杰，祁稳 . 变速器同步器的同步容量分 析 J. 合肥工业大学学报 ( 自然科学版 )，2009，32(S1)：23-27.Song Ruiqi，Yin Liangjie，Qi Wen. An Analysis of Synchronizer Capacity of TransmissionJ. Journal of Hefei University of Technology(Natural Science Edition)，2009，32(S1)：23-27. (in Chinese) 杨伟斌，吴光强，秦大同 . 双离合器式自动变速器传 动系统的建模及换挡特性 J. 机械工程学报，2007，43(7)：188-194.Yang Weibin，Wu Guangqiang，Qin Datong. Drive LineSystem Modeling and Shift Characteristic of Dual ClutchTransmission PowertrainJ. Journal of Mechanical Engineering，2007，43(7)：188-194. (in Chinese) 周凡华 . 汽车自动变速器换挡品质研究 D. 上海：同 济大学，2004.Zhou Fanhua. Study on Gear Shift Performance of Automotive Automatic TransmissionD. Shanghai： Tongji University，2004. (in Chinese)ZHANG Y，ZOU Z，CHEN X. Simulation and Analysis of Transmission Shift