某轻型客车换挡力偏大原因分析与改进

岳丽姣， 司志明， 陈 健

（安徽江淮汽车股份有限公司 商用车研究院，安徽 合肥 230601）

某轻型客车换挡力偏大原因分析与改进

岳丽姣， 司志明， 陈 健

（安徽江淮汽车股份有限公司 商用车研究院，安徽 合肥 230601）

文章针对某轻型客车换挡力偏大问题，通过对各种影响换挡力的因素进行详细的故障树分析，对故障树底事件排查，发现其根本原因为同步器扭矩容量不足及自锁弹簧力过大。经过理论分析及试验验证，将变速器中单锥面同步器改为多锥面同步器，并进行自锁弹簧的优化设计，解决了换挡力偏大问题，提升了整车换挡性能，并为后期解决类似问题提供技术参考依据。

换档力；变速器；同步器；单锥面；多锥面；自锁弹簧

某轻型客车在试验验证过程中，发现该车在行驶过程中换挡操纵力较大，操纵极不舒适，严重影响整车的操纵轻便性。经过多次试驾对比，最终确定该车型动态换档问题主要表现为：3挡减2挡挂挡困难；2挡减1挡偶尔存在挂挡极困难，甚至无法挂上挡位的现象。

针对以上换挡困难的问题，可以通过改进变速器结构，从而降低换挡力，最终改善整车换挡操纵性能。

1 原因分析

利用质量管理工具中的故障树，对可能导致变速操纵换挡力过大的的原因进行了多层次的详细分析［1－7］，其故障树分析如图1所示。

针对换档操纵力过大问题故障树分析图，根据表1所列的底事件情况调查，对底事件进行分析，判断在该车型中各底事件是否为导致换档力过大问题的原因项，以制定整改措施。其中，Y表示整改项；N表示非整改项。

关于锥面半角θ与摩擦系数μs的关系，由公式Mf＝PμsR／sinθ可知，θ越小则摩擦力矩Mf越大。但当θ小到一定程度时，将发生2个摩擦锥面抱死分不开的现象。在2个锥面达到同步以后，换挡力P还在作用，如图2所示。

图1 换挡操纵力过大问题故障树分析图

表1 底事件情况调查表

由图2可知，换挡力P为：

其中，θ为锥面半角；P为换挡力；μs为摩擦系数；N为正压力。

当完成同步换挡，且换挡力P＝0时，同步环锥面应脱离，此时摩擦力μsN的方向就反过来了。它有阻止同步环脱开，或者使两锥面之间互相抱死的趋势。而只有保证tanθ＞μs时，才能保证两锥面间不会抱死。

图2 同步器锥面间的受力情况

试验表明，钢与铜之间的摩擦系数μs在0.08～0.10之间，其他材料之间的的摩擦系数也不会超过0.11，故单锥同步器锥面半角θ一般可取6°30′或7°。

该变速箱锥面半角θ及锥面摩擦系数μs均符合常规要求，故先不对其进行设计整改。

2 变速器的优化设计

依据上述分析，确定从表1中4、5、7、10方面的原因进行分析及改进［7］。

2.1 自锁弹簧的优化设计

变速箱的自锁及互锁弹簧位于变速箱的操纵机构中，本车型所用的变速箱操纵机构位于侧盖上，变速箱侧盖实物及结构如图3所示。

图3 变速箱侧盖

自锁及互锁弹簧的作用主要是防止变速箱在挂挡位后脱挡，其弹簧力的大小，依据变速器型号及所传递扭矩的不同而不同，一般在30～100N。

该车型变速箱优化设计前，自锁弹簧力为110N，偏大。在保证变速箱不脱挡的前提下，适当减小自锁弹簧力有助于实现轻便换挡。

据此，对变速箱的自锁弹簧力进行优化设计，由110N减小为61.8N。

2.2 同步器锁止弹簧的优化设计

变速器同步器锁止弹簧主要起到空挡定位的作用，其同步器锁止弹簧结构如图4所示。

图4 同步器锁止弹簧结构图

在保证弹簧实现空挡定位功能的前提下，适当减小弹簧力也有助于降低变速箱的换挡力。因此，将同步器的锁止弹簧由14N减小为7N。

2.3 同步器的优化设计

2.3.1 同步器工作原理

同步器的工作原理图如图5所示。

图5 同步器工作原理图

图5中，Jc表示一轴和离合器从动盘等零件的转动惯量；Mc表示输入端阻力矩；ωc表示输入端角速度；Mf表示同步环摩擦力矩；Mv表示汽车行驶阻力矩；ωv表示输出端角速度；Jv表示输出端转动惯量。

同步器计算基本公式［2］如下：

其中，P为变速箱结合齿套上所需的换档力。经简单变换，得

对（2）式进行分析，在离合器及变速箱齿轴件结构不作改变的情况下，Jc为常量，同时即将结合的2个挡位之间的转速差ω也为一个固定的数值。θ及μs受限于同步器材料及同步器工作原理，其改变的空间也很有限。

换挡时间t依据不同的驾驶员而有所不同，但一般取0.5～1.0s［8］，同样为定值。

由以上分析可知，改变换挡力的主要方法为改变锥面摩擦半径R锥。

2.3.2 同步器的优化设计

变速箱1、2挡及3、4挡同步器更改前均为单锥面锁环同步器，其结构如图6所示。

图6 单锥面同步器结构图

单锥式同步器结构紧凑，尺寸较小，使用可靠，制造工艺性好。而锁环式多锥面同步器由于增加了摩擦锥面的数量，总的摩擦半径之和可以大大增加，从而可以有效地降低换挡力［7］。

经过分析，针对该轻型客车上出现的低挡位减挡时换挡困难的问题，初步制定解决措施，1／2挡由单锥同步器改为双锥同步器，3／4挡改为三锥同步器，其结构如图7和图8所示。

各挡同步器更改前后的锥面数量及半径对比如下：

（1）1、2挡同步器更改前、后数据对比。更改前单锥半径R1、R2、R锥分别为 32.464、0、32.464mm；更改后双锥分别为40.64、37.55、78.19mm。

（2）3、4挡同步器更改前、后数据对比。更改前单锥半径R1、R2、R3、R锥分别为44.455、0、0、44.455mm；更改后三锥分别为40.3、38.0、35.5、113.8mm。

由（2）式及上述分析可知，在同步器材料及锥角等变速器的设计参数不改变的情况下，齿套所需的换挡力P与同步环锥面半径的和成反比，所以理论上在其他设计参数不变的情况下，同步器结构改变前后，换挡时齿套所需的换挡力P前与P后的关系如下：

图7 双锥面同步器结构图

图8 三锥面同步器结构图

由计算结果可知，更换同步器结构前后，变速器2个挡位的结合齿套处所需的换挡力降低。表2和表3所列为变速器设计更改前后，变速器摇臂端及选挡操纵手柄处各挡位换挡力的对比。

本文讨论的换挡力P只是变速箱结合齿套处由于同步器锥面半径不同而所需的换挡力不同，当反应到变速箱摇臂端及换挡手柄上时，由于还有其他影响换挡力的因素，如变速箱换挡操纵机构的自锁和互锁弹簧力、整车变速操纵机构的效率等，换挡力的降低与锥面半径的增大并不是成简单的线性关系［9］。

表2 变速箱摇臂端换挡力数值对比 N

表3 选换挡操纵座端换挡力数值对比 N

3 结 论

（1）通过更改变速箱内的同步器结构，有效地解决了轻型客车变速系统换挡力偏大的问题。

（2）更换变速器结构前、后，让相同的驾驶员试驾，主观感受换挡力有明显下降，且换挡手感较以前明显变好，整车换挡性能大幅提升。

（3）相比于单锥面同步器，双锥面及三锥面同步器不仅能够有效降低变速箱换挡力，同时能够提供更为舒适的换挡手感，对整车的换挡性能提升有很大贡献。

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Analysis of causes of large gear shifting force on a light bus and the improvement

YUE Li－jiao， SI Zhi－ming， CHEN Jian
（Commercial Vehicle Research Institute，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

In order to solve the problem of the large gear shifting force on a light bus，all factors affecting the gear shifting force are studied by fault tree analysis.The results of the study of bottom event of fault tree show that the fundamental reason of the problem is that the capacity of synchronizer torque is not enough and the force of self－locking spring is too big.Through the theoretical analysis and experimental verification，this problem is solved by the change of the synchronizer from one conical surface to multi－conical surface and the optimization design of the self－locking spring，and the gear shifting performance is also promoted.The study provides a technical reference for solving similar problems.

gear shifting force；transmission；synchronizer；single conical surface；multi－conical surface；self－locking spring

U463.212

A

1003－5060（2012）11－1465－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.007

2012－04－16

岳丽姣（1986－），女，辽宁铁岭人，安徽江淮汽车股份有限公司助理工程师.

（责任编辑 吕 杰）