变速箱换挡平衡块工作原理研究及分析

徐顺，司志明，李青章，何果

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

变速箱换挡平衡块工作原理研究及分析

徐顺，司志明，李青章，何果

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文介绍了目前平衡块的现状及主要布置形式，并详细分析了平衡块的工作原理，结合换挡过程，建立冲击载荷时刻的瞬时速度数学模型。

变速箱；换挡性能；平衡块

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-60-02

引言

目前我国的汽车，特别是商用车，匹配的变速箱大部分还是手动档变速箱，随着人们生活水平的提高，其换挡舒适性越来越被关注，国内整车企业也在不断的追求更好的换挡性能。其中在变速箱换挡摇臂上增加平衡块能够显著提高整体的换挡性能，该方法实施简单，成本较低，在国内外的变速箱产品上已经被广泛的采用。本文是利用假设的数学模型对平衡块的工作原理进行研究及分析。

1、现状及布置形式

变速箱平衡块一般位于在变速器换挡摇臂上，其可以单独设计，用螺栓固定在换挡摇臂的特定位置，也可以是与换挡摇臂整体设计，做成一个部件。目前平衡块的布置形式主要分为两种：一种是平衡块随换挡摇臂水平布置，变速箱的换挡摇臂在水平面上运动，运动过程中平衡块的重力不做功；一种是平衡块随换挡摇臂非水平布置，变速箱的换挡摇臂在非水平面上运动，运动过程中平衡块的重力做功。目前大部分的乘用车变速箱及对换挡性能要求较高的产品采用了上述第一种布置形式，商用车变速箱及对换挡性能要求一般的产品，包括变速箱本身设计布置的限制无法采用水平布置形式的，均按第二种布置形式。

无论是哪种形式，其基本的工作原理都是在换挡的初期，利用换挡摇臂摆动时的初始速度储存一定的能量，在同步阶段及后期释放储存的能量，从而达到降低换档力，减少二次冲击、提高吸入感，进而提高了换挡舒适性。

2、工作原理分析

为构建数学模型，可以将平衡块看成一个圆柱体，如图1 所示。

此时平衡块相对于Z轴的转动惯量

式中：m---平衡块的质量；

R---平衡块截面圆的半径；

显然，Z轴与平衡块的实际旋转中心（换档轴）平行，假设Z轴与换档轴之间的距离为d，根据平行轴定理：刚体对于任一轴的转动惯量，等于刚体对于通过质心，并与该轴平行的轴的转动惯量，加上刚体的质量与两轴间距离的平方。于是有：

若有多个平衡块，则其总的转动惯量为各个平衡块转动惯量之和。

同时根据刚体绕定轴转动的方程：

从方程中可见，刚体绕定轴转动时，其主动力F对轴的转矩使刚体转动状态发生变化。力矩大，转动角加速度大；若力矩相同，刚体转动惯量大，则角加速度小，反之，角加速度大。可见，刚体转动惯量的大小表现了刚体转动状态改变的难易程度。即：转动惯量是刚体转动关键的度量。

从式（1）可以看出，刚体转动惯量的大小跟质量大小以及质量的分布有关。结合式（1）及式（3），在变速器换档臂上加装平衡块，增加了换挡摇臂的转动惯量，就可以保证在换档行程中，换档摇臂具有比较平稳的转动状态，即改善了换档手感。

在实际的换挡过程中，换挡摇臂受力是不平稳的。在开始换挡阶段，换挡阻力较小，在进入同步阶段的时候，换挡阻力会突然的加大，同步完成后换挡阻力又会减小。为提高换挡手感，必须将其中阻力突然变大的过程放缓或消除，使其难以反馈到驾驶员换挡手柄上，从而提高换挡性能。

为更直观的说明，现假设变速箱换挡摇臂是质量为m的刚体，其换挡过程为行程L的直线运动，其行程L1阶段为初始阻力（F）阶段，时间为T1，速度为V1，行程L2阶段为同步阶段，时间为T2，存在冲击载荷（FC），行程L3阶段为同步结束后，入档阶段，时间为T3，阻力较小。如图2所示：

在T2时刻的任意阶段，其瞬时速度为：

为保证换挡性能，就必须要求式（4）的V与V1差别不大，也就是说运动越平稳，反馈到驾驶员的换挡手柄上的力就越平稳，换挡越舒适。而从式（4）中可以看出，m数值越大， V的值就越接近V1，换挡性能就越好。

在实际设计换挡平衡块时，通过式（4）可以看出，在同时考虑成本及实际布置要求的情况下，平衡块的质量设计的越大，换挡的平顺性就越好，驾驶就更加舒适。但同时也要考虑平衡块质量过大也会引起其他的问题，如车辆在急加速或急减速时可能导致自动跳档的情况以及换挡轴受力不均匀导致的异常磨损等问题。

3、结束语

本文利用假设的数学模型，简单阐述了目前变速箱平衡块的工作原理，并建立冲击载荷时刻的瞬时速度数学模型，期望对具体平衡块的设计计算提供一些帮助。

[1] 刘惟信，汽车设计[M]. 北京：清华大学出版社，2001.

[2] 郑文纬，吴克坚主编，机械原理（第七版）[M]. 北京：高等教育出版社，1996.

[3] 王铎，赵经文主编，理论力学（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社，1997.7.

The research and analysis on the principle of transmission shift balance block

Xu Shun, Si Zhiming, Li Qingzhang, He Guo

This paper introduces the present situation and the main layout of the balance block. Than we present a detailed analysis of the working principle of balance block. Based on the shift process, this paper establishes the mathematical model of instantaneous velocity impact load time.

Transmission；Shift performance；Balance block

U463.2

A

1671-7988(2015)02-60-02

徐顺，硕士研究生，工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司，主要从事商用车底盘设计，变速系统设计开发及匹配工作。