汽车变速器倒挡及倒挡同步器结构原理分析_刘祥环

1、 汽车变速器倒挡及倒挡同步器结构原理分析株洲齿轮有限责任公司 刘祥环 潘晓东 摘要 :汽车变速器的倒挡及倒挡同步器结构直接影响 变速器强度 、 换挡性能 (锁止率高 , 打齿异响等 、 噪音 , 也直接影响变速器的性能评价试验 ,如静扭 、 换挡性能 、 噪音 、 疲 劳耐久等 。 文章介绍了国内外几种常见的倒挡及倒挡同步器结构 , 如惰轮滑动式 、 常啮合同步器 、 杠杆同步器等 , 重点 对杠杆同步器工作原理进行了分析 , 杠杆同步器在换倒挡 时换挡力作用在 5挡同步器齿套上 , 利用杠杆原理 , 以同步 器齿毂为支点 , 通过杠杆齿环反作用在 5挡同步器齿环锥 面上 , 从而达到制动输入

2、轴倒挡齿轮顺畅换挡的目的 。 对 比各结构的优缺点 , 5/R 挡杠杆同步器代表了国内自主品 牌变速器新技术研发和应用的方向 。关键词 :手动变速器 ; 倒挡结构 ; 倒挡同步器 ; 5/R 挡 杠杆同步器1 概述中国汽车工业近几年得到了飞速的发展 , 2010年汽 车产销量达到 1 800万辆 , 2011年突破了 2 000万辆 , 继 续稳坐全球 第 一 宝 座 。 和 世 界 其 他 国 家 相 比 , 无 论 是 汽车销售量绝对值还是增长速度 , 中国均遥遥领先 。图 1 变速器结构总成图1 惰轮 前 衬 垫 ; 2 倒 挡 拔 叉 ; 3 驱 动 销 ; 4 惰 轮 ; 5 输 入

3、 轴 倒 挡 齿 ; 6 惰轮后衬垫 ; 7 惰轮 轴 ; 8 锁 止 螺 钉 ; 9 输 入 轴 ; 10 五 倒 挡 同 步 器总成 ; 11 输出轴 ; 12 一二挡齿套 (倒挡从动齿轮 由于环境恶化 、 油价上涨等客观因素影响 , 使轿车对排 放和油耗的要求越来越高 , 这些要求将在发动机 、 尾气处理 系统和变速器上体现 , 其特点将是高效 、 清洁 、 操纵方便 、 低 成本 、 低维护费用 。 变速器作为汽车中继发动机之后的第 二大核心零部件 , 用户对变速器的行驶操纵安全性和舒适性提出了更高的要求 , 许多民族企业开始对变速器进行深入研究 , 以满足市场需求 。 株齿公司是变速

4、器民族企业的 领跑者 , 凭借 20多年的轿车变速器研究经验 , 换挡手感和 低噪音在变速器行业中有一定的声誉 。2 无同步器倒挡结构原理2. 1 惰轮滑动式惰轮滑动式分直齿常啮合式和直齿非常啮合式 。2. 1. 1 直齿输入轴常啮合式直齿常啮合式结构为倒挡惰轮与输入轴倒挡齿在空挡位置时也进行啮合 ,结构见图 2所示 。 挂倒挡时 , 倒挡 拨叉带动驱动销 , 驱动销带动惰轮往后移动 (工厂习惯将变速器 离 合 器 壳 体 端 称 为 前 端 , 变 速 器 壳 体 端 称 为 后 端 , 使惰轮与输出轴的齿套啮合 , 实现扭矩反方向输出 。图 2 直齿常啮合式结构图特点 :挂倒挡 锁 止 率

5、 低 , 容 易 入 挡 ; 怠 速 时 惰 轮 为 常啮合式 , 怠速噪音较高 。2. 1. 2 直齿输入轴非常啮合式直齿非常啮合式结构为倒挡惰轮与输入轴倒挡齿在 空档位置时没有进行啮合 , 结构见图 3所示 。 挂倒挡时 , 惰轮先与输入轴倒挡齿啮合 , 再与一二挡齿套啮合 , 实现 扭矩反方向输出 。图 3 直齿输入轴非常啮合式结构图开发与研究 特点 :惰轮同 时 要 与 输 入 轴 倒 挡 齿 和 输 出 轴 一 二 挡齿套啮合 ,挂倒 挡 的 阻 力 较 大 , 同 时 会 出 现 两 段 感 ; 怠 速 时惰轮不参与啮合 , 怠速噪音较低 。惰轮滑动式是 直 接 驱 动 惰 轮 与

6、 输 入 轴 倒 挡 齿 、 齿 套啮合 , 由于没有 同 步 器 , 汽 车 停 止 后 , 输 出 轴 在 驱 动 轮 的 阻力下转速会 急 速 降 为 零 , 而 输 入 轴 由 于 惯 性 会 继 续 保 持一定的转速运转 , 如果马上挂倒挡后会出现打齿 。3 倒挡同步器结构原理3. 1 斜齿常啮合同步器斜齿常啮合同步器是解决倒挡打齿和怠速噪音大而开发出的新型结构 , 由于带有同步器 , 输入轴在没有完全静 止时 , 通过同步器带动输入轴与输出轴同步静止 , 从而解决 了打齿问题 , 由于常啮合惰轮是斜齿轮 , 重合度大 , 怠速噪 音低 。 但增加了同步器结构后 ,成本大大提高了 。

7、 图 4 斜齿常啮合同步器3. 2 杠杆同步器为了保证换挡时的平顺 、 无冲击 、 轻便及操作便利等使用要求 , 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 、 切断发动机传递来的动力后 , 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因为没有同步 旋转 , 极 有 可 能 发 生 打 齿 和 齿 轮 异 响 等 问 题 。 我 公 司 5 T 15C 、 5T 18H 变速箱采用杠杆同步机构 ,

8、 该机构可有效 地避免这类问题的发生 。图 5 杠杆同步器总成爆炸视图3. 2. 1 杠杆同步器结构及特点杠杆同步机构一般由 5挡同步器齿套 、 5挡同步器齿毂 、 5挡同步器齿环杠杆 、 5挡同步器齿环及输入 轴 5挡 齿轮组成 。 其原理是通过同步器齿套在换挡时的移动来 滑拨齿环杠杆 , 齿 环 杠 杆 将 换 挡 力 再 作 用 到 同 步 器 齿 环 所产生的杠杆效果 。图 6 杠杆同步器结构说明示意图1 同步器齿套 ; 2 同步器齿毂 ; 3 杠杆 ; 4 同步环 ; 5 五挡同步锥 ; 6 五挡主动齿轮杠杆效果换挡力 F1F 2=A式中 :F 1 同步器齿套传来的换挡力 ;F 2

9、杠杆传递给同步器齿环的换挡力 。3. 2. 2 应用范围5/R 挡 同 步 器 株 齿 公 司 申 请 了 该 技 术 的 专 利 ,专 利 号为 200820158979. 5。 主要应用在国 内 自 主 品 牌 车 , 如 奇瑞 A 3、 A 5、 海马福美莱三代 、 东南 V 3菱锐等车型上 。3. 2. 3 杠杆同步器的工作原理(1 空挡时的动作原理 。 当汽车从前行到停止时 , 如 图 7所示 , 换挡手柄退回空挡位置 , 踩离合器踏板 , 分离离 合器后 , 因为惯性变速器输入轴会继续沿汽车车轮前进方 向旋转 , 由于 5挡同步器齿毂和输入轴是通过花键连接 , 而 齿套 、 5挡同

10、步器齿环杠杆和齿环在旋转方向和 5挡同步器齿毂是一个整体 ,故他们也会随输入轴旋转 。 这样在离 心力的作用下 , 5挡同步器齿环杠杆将会向圆周方向移动 , 齿环杠杆的端部将卡在 5挡同步器齿套的凹槽中 。图 7 杠杆同步器空挡时的工作原理开发与研究 (2开始同步时的动作原理 。 如图 8所示 , 换倒挡动 作时 , 换挡力通过换挡机构 传递 给 5挡齿 轮换挡 拨 叉 , 5挡齿轮换挡拨叉推动 5挡同步器套向箭 头 A 方向运 动 。 这时因为 5挡同步器毂与输入轴固定在一起转动 , 5挡同 步器齿环杠杆以 5挡同步器毂为支点 , 推动 5挡 同 步 器 齿环杠杆的杠杆部向箭头 B 方向运动

11、 。 接着 5挡同步器 齿环杠杆推动 5挡同步器齿环移动 , 致 使 5挡同 步 器 齿 环同 5挡同 步锥锥面接触 ,接 触 后 两 锥 面 之 间会 产 生 摩 擦力 ,随换挡力的增大 , 摩擦力也不断增大 。 这样就制动 了输入轴的 转 动 , 造 成 输 入 轴 转 速 降 低 。 所 以 才 能 保 证倒挡齿轮和输 入 轴 的 倒 挡 齿 轮 能 够 轻 松 咬 合 , 平 滑 地 进 行换挡 。图 8 杠杆同步器开始同步时的动作原理(3 同步结束时的动作原理 。 如图 9所示 , 随着换挡 力的增大 , 5挡同步器齿套就继续向箭头 A 方向的移动 , 由于 5挡同步齿套凹槽断面为梯

12、形 , 5挡同步齿套轴向移 动一定位移后 , 5挡同步器齿环杠杆同时将向箭头 C 方向 移动 ,这样 5挡同步器齿环杠杆与 5挡同 步 器齿 环 的 推 力就解除了 。 随后 5挡同步器齿环和 5挡输入轴齿轮同 步锥锥面分离 , 加在输入轴上的制动力就解除了 , 输入轴 即可反方向转动了 。图 9 杠杆同步器结束时的动作原理3. 2. 4 换挡计算5挡同步器齿套动作时 ,以换入 5挡操 作为 例 , 通过 同步机构作 用 在 输 入 轴 5挡 齿 轮 锥 面 受 力 , 如 图 10所示 , 同步转矩的计算 , 如式 (1所示 。 T C =··C ·C s i

13、n (1 式中 :F 5挡同步器齿套的推力 , N ;L 杠杆比 , L =A /B ;c 输入轴 5挡齿轮锥面的摩擦系数 ; 图 10 杠杆同步器五挡主动齿轮锥面受力图R c 输入轴 5挡齿轮的工作半径 , m ; 输入轴 5挡齿轮锥面的锥角 。因为 L 为 A /B 的比值 , 一般大于 1. 4, 因此作用在齿轮 锥面的同步转矩要大于一般同步器齿环结构的同步转矩 。4 结论虽然变速器的前端研发主要集中在 C V T 、 D C T 、 A T 等 结构的自动变速器上 , 但手动变速器目前仍占有较大的市 场份额 , 特别是在自动变速器技术成熟的欧美市场 , 手动变 速器仍有相当大地比例 。

14、 主要原因是自动变速器无法取代手动变速器的操纵乐趣 ; 汽车从静止开始加速时 , 自动变速 器起步加速度远低于手动变速器 。 特别是在油价高速上涨 的今天 , 自动变速器仍然无法达到手动变速器的经济油耗 ; 手动变速器的制造 、 维修成本 、 故障率也远远低于自动变速 器 。 结构紧凑 、 性能高 、 成本低及易于普及的杠杆同步倒挡 机构仍代表了手动变速器新技术研发和应用的方向 。 因 此 , 世界上随着粉末冶金技术和精密冲压技术在该领域研 发上的大力投入 , 未来手动变速器的换挡性能和制造成本 将得到极大的提高和改善 。 参考文献 :1张旭 , 张 诚 . 反 转 型 杠 杆 齿 环 同 步

15、 机 构 的 原 理 及 应用 J . 汽车工程师 , 2009, 9:48-51. 2廖明建 , 游静 , 熊上 . 五倒挡杠杆同步器 P .中国 专利 :200820158979. 5, 2009-09-30. 3马进 , 关崴等 . 汽车 变 速 器 倒 挡 制 动 装 置 P . 中 国专利 :200720116770. 8, 2008-10-15.4B y o n g -H y u n L e e , K u n p o , R e p .o f K o r e a . R e -v e r s e s yn c h r o n i z e r m e c h a n i s m o f m a n u a l t r a n s m i s s i o n f o r a v e h i c l e . U n i t e d S t a t e s P a t e n t :697,