浅析商用车换挡性能的影响因素

张艳，徐顺，李青章，倪冬

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

浅析商用车换挡性能的影响因素

张艳，徐顺，李青章，倪冬

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

为提升目前商用车的换挡性能，对其理论计算公式进行分析，详细梳理影响换挡性能的相关因素，并对梳理的影响因素进行分析，并结合实际，提出改进的方法和思路。

换挡性能；同步器

CLC NO.:U462 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-178-03

引言

随着社会发展，人们对车辆驾乘舒适性的要求越来越高，而针对手动档车型来说，换档性能是车辆舒适性能的一个重要的内容。对于商用车领域，驾驶员也越来越关注换挡性能方面的感受，这样要求各商用车主机厂需在提升换挡性能方面进行全面的提升。本文结合换挡性能的理论计算公式，推导出影响换挡性能的相关因素，并结合商用车的实际情况进行分析，提出相关的改进方法和建议，为商用车换挡性能的提升提供一些解决思路。

1、换挡性能的理论计算方法

在之前的国内商用车上匹配的变速箱技术比较落后，普遍采用了结合套换挡的方式，其具有可靠性好，成本低的优点，但换挡性能差，对驾驶员的要求较高。随着人们生活水平的提高，人们对舒适性要求的不断提升，目前商用车变速箱也大部分匹配了同步器结构的换挡机构，部分高端的车型甚至采用了与乘用车相当的多锥结构的同步器产品。对于匹配同步器结构的变速箱及整车产品的换挡性能计算分析也显得尤为重要，现阶段通过与国内外设计公司及同步器的厂家进行沟通交流，对于换挡性能的计算公式主要依据下面的公式进行：

其中：Mc—同步力矩；

F—作用在同步环上的轴向力；

μc—同步环摩擦系数；

Rc—同步环锥度半径；

φ—同步环锥度半角；

Mg—惯性力矩；

Jω—输入端转动惯量；

Δω—转速差；

t—同步时间；

Mz—阻力力矩。

换挡性能的计算可以针对在指定的换挡力、换挡时间及车速下，同步器提供的同步力矩是否能够大于或等于此时目标档位的惯性力矩，只有大于等于惯性力矩时，变速箱才能顺利换入档位，否则就会出现卡滞及换挡力大的问题。

设计时就要尽量使Mc（同步力矩）大，同时尽量降低Mg（惯性力矩）及Mz（阻力矩）。下面分别对其影响因素进行分析。

2、提升同步力矩（Mc）的措施分析

通过公式进行分析，可以增加F、μc、Rc的数值，同时减小ϕ的数值来实现提升同步力矩。

◆ F的提升：主要是增加变速箱内部拨叉拨动同步环的轴向力，可以通过加大驾驶员的换挡操纵力、提升换挡系统效率及加大系统杠杆比来实现；而驾驶员操纵力过大会引起卡滞及档位难挂的反馈，因此在实际设计中主要依靠提升系统效率及加大系统杠杆比来实现。

◆ (μc∙Rc) / sinϕ的提升：该参数是同步环本身的固有属性，可以称作为同步环容量参数，用来评价同步环本身性能的优劣。其中：

μc值的提升：摩擦系数和同步环表面的材料相关，可以选用摩擦系数高的材料来提升该数值，如采用贴碳工艺、钢基喷钼；

Rc值的提升：同步环平均作用半径受制于变速箱内部空间的限制，一般无法进行提升；

sinφ值的降低：同步环锥角半径与同步环能够提供的同步力大小及同步完成后能否顺利自动的与锥面分开相关，过大及过小均不可取，一般也不进行调整。

受限于变速箱内部空间尺寸，目前能够显著提高同步环容量的措施为采用多锥同步器，相当于在有限的空间内几个同步器可以一同工作，因此上述公式可以为：

其中n为锥面数，目前最高为三锥同步器。

3、降低惯性力矩（Mg）和阻力矩（Mz）的措施分析

3.1 降低惯性力矩分析

通过公式进行分析，可以降低Jw、Δω的数值，同时增大t的数值来实现降低惯性力矩。

◆ Jw的降低：输入端转动惯量包含了齿轮系的转动惯量和离合器从动盘的转动惯量，通过对具体数据的分析，从动盘的转动惯量对该数值影响较大，因此一般会通过降低离合从动盘的转动惯量来实现该数值的降低。

一般能够采用越小的从动盘，对变速箱的换挡性能越好，但商用车在设计时，考虑到某些极限工况（超载），从动盘直径一般都比较大，因此换挡性能很难达到乘用车的水平。与采埃孚及贺尔碧格厂家进行交流，商用车在达到700Nm时需要配置换挡助力器来满足操纵舒适性的要求，如ZF6S700变速箱就配置有换挡助力器。

◆ Δω的降低：转速差主要影响因素为换挡时的发动机转速（车速）及同步时的两档齿轮的速比差值。

其中发动机转速（车速）降低会影响车辆的动力性，因此设计时一般按升档2000rpm，降档1500rpm进行分析校核；通过优化齿轮的速比，可以很好的降低转速差，商用车考虑到车辆的动力性需求，一般低档位的相邻档位速比差不得大于1.7～1.8。

◆ t的提升：换挡时间的提升会影响驾驶员的操纵感觉，一般换挡时间大于0.5s会使驾驶员感觉档位卡滞及入档困难。目前对换挡性能的校核一般选择换挡时间为0.3s进行计算。

3.2 阻力矩分析

阻力矩主要包含了齿轮油的搅动阻力及轴承转动、齿套滑动等系统的摩擦力；其中在升档过程中，由于欲同步的齿轮转速要高于现有的齿轮转速，同步过程为将欲同步的齿轮转速降低到现有的齿轮转速，而此时阻力矩也是可以降低欲同步的齿轮转速，因此在升档的操作中，阻力矩是做正功的；而减档过程正好相反，阻力距做负功；这也说明了一般情况下，减档更加困难。

◆ 搅油阻力的降低：目前可以采用粘度较低的齿轮油或降低齿轮油量来实现，其中降低齿轮油粘度目前已经采用75W/90来替代85W/90，特别能够降低低温下的齿轮油粘度，提高低温下的换挡性能；降低齿轮油量的方法涉及到变速箱的润滑，需要进行变速箱的润滑试验及可靠性验证工作，一般很少采用。

◆ 系统摩擦力的降低：一方面可以选用用低摩擦阻力的轴承产品，还可以提高齿套等滑动零部件的精度，保证较低的摩擦力。

4、总结

本文从换挡性能的计算公式出发，结合商用车的现状，对其中的关键参数进行了分析并提出了一些改进措施及建议。但整车的换挡系统是个相当复杂的，除了上述分析的影响因素，驾驶员的换挡时机、离合分离系统的匹配及整车的工况都会对换挡性能产生影响，因此针对具体的换挡问题还需要进行针对性的分析改进。

[1] 刘惟信,汽车设计[M]. 北京: 清华大学出版社,2001.

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[4] 赵世琴,黄宗益,陈明等,同步器换挡接合过程的数学模型 [J].同济大学学报,1999,26(6)：676—680.

Analyses The Influence Factors of Commercial Vehicle Shift Performance

Zhang Yan, Xu Shun, Li Qingzhang, Ni Dong
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to promote the shift of the commercial vehicle performance, analyzes its theoretical calculation formula, combing the related factors influencing the shift performance in detail, and analyzes the influence factors of carding, and connecting with the actual, put forward the improvement method and train of thought.

Shift Performance; Synchronizer

U462

A

1671-7988 (2017)08-178-03

张艳（1982-），女，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心重型商用车研究院电气设计部。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.060