MT变速箱静态换挡力设计方法
2018-10-31陈超超唐满荣杨大学杜鹏王晶晶
陈超超 唐满荣 杨大学 杜鹏 王晶晶
摘 要 简明阐述静态换挡力是手动变速箱换挡性能的重要指标。根据变速箱换挡结构,对变速箱静态换挡力的设计方法进行详细分析,拟和理论静态换挡力曲线。基于该设计方法,设计一款变速箱,通过GSA换挡测试结果评价静态换挡力性能,验证设计方法。
关键词 手动整车 运动型 静态换挡力 GSA测试
0前言
在自动挡汽车普及的大趋势下,仍有一部分手动挡爱好者追求驾驶乐趣选择手动车辆。由于在MT(Manual Transmission,手动换挡变速箱)汽车中,要实现换挡变速,驾驶员必须操纵变速箱进行换挡,变速箱的换挡性能直接决定整车的换挡水平。在用户购车时,静态换挡力是换挡给用户的第一印象。因此,在变速箱设计开发中,静态换挡力是换挡性能的一项重要指标。
国内变速箱静态换挡力设计普遍采用对标方式:选择标杆产品,对相关零件进行计量,采用相同设计参数,静态换挡力设计理论欠缺。本文对变速箱静态换挡力理论设计方法进行详解,并根据理论方法设计一款变速箱,通过客观测试验证设计方法。
1静态换挡力
变速箱静态换挡力是指变速箱的传动轴在静止状态,转动换挡摇臂进行换挡操作,施加在换挡摇臂拉索销上的切线换挡力性能,包含:换挡行程、换挡力以及换挡吸入力。根据变速箱换挡结构,变速箱静态换挡力通常由同步器滑块力、换挡拨叉钢球力、换挡塔钢球力矩组合而成,如图1所示。
评价静态换挡力有主观驾评和客观测试两种方式。本文是采用GSA整车换挡测试系统进行評价。Gear Shifting Analysis系统(简称GSA),是基于硬件采集部件(固定支架、三向力传感器、三向位移传感器和IMC数采系统)和分析软件系统来进行数据采集分析,用于评价整车换挡性能的专业测试系统,如图2所示。
2同步器滑块力计算
齿套在滑动过程中,同步器滑块力受力示意图如图3所示,滑块力F1由式(1)得出:
每个同步器有3个钢球,钢球在任意位置处的弹簧力为Fball,钢球与齿套接触点处的切线角为 sleeve,滑块导轨上的摩擦系数为 1, 1推荐值0.2。
根据齿套滑块槽及滑块的形状和尺寸,可求出齿套在滑动过程中所受到钢球轴向力Fsleeve与位移的关系。图4是基于式(1)设计的变速箱同步器滑块力与位移关系图。相关参数 =30埃琑=0.6,L1=7,F1=20N,L2=6.1,F2=27.2N。
3换挡拨叉钢球力计算
换挡拨叉组件的受力示意图如5所示。换挡拨叉组件在运动过程中,所受钢球的轴向力F2可由式(2)求出。
(2)
自锁钢球总成的工作簧力为FN, 自锁钢球与换挡拨叉组件W曲面接触点的切线角为 fork,换挡拨叉组件导轨的摩擦系数为 2。
根据换挡拨叉组件W曲面形状和尺寸,即可求出换挡拨叉组件所受轴向力与位移的关系。图6是基于式(2)设计的变速箱换挡拨叉钢球力与位移关系图。
4换挡塔钢球力矩计算
换挡塔定位销与波形面进行受力分析,受力示意图如图7所示。因此,换挡塔钢球力矩计算公式如式(2)所示。
钢球球心为02,所受弹簧簧力为F,钢球与波形面的接触点处法向角为 ,接触点到旋转中心01的距离为b,接触点到旋转中心01的连线与水平面的夹角为 ,摩擦角为 ,换挡轴转动时的摩擦系数为 3,换挡轴半径为R′。
根据波形面的形状和尺寸,可求出换挡塔转动过程中所受钢球力矩与转角的关系。图8是基于式(3)设计的变速箱换挡轴所受的力矩与转角的关系图。
5静态换挡力曲线拟合
根据式(1)~(3)理论计算公式,以上X变速箱同步器滑块力-位移关系图(图4)、换挡拨叉钢球力-位移关系图(图6)、换挡钢球力矩-位移关系图(图8)。考虑到换挡拨指与叉口架之间的间隙△1,换挡拨叉与同步器齿套之间的间隙△2,滑块与齿环之间的间隙△3,对这三个力进行匹配,拟合出变速箱X静态换挡力-位移曲线,如图9所示。
6 GSA换挡测试
根据以上设计结果,完成变速箱样机制造后,搭载整车进行GSA换挡测试。以一挡为例,静态换挡力主要关注进挡力、吸入力,以及进挡曲线走向,见图10。对比图9,可以看出图10实测曲线进挡过程与图9理论拟合曲线一致。
从表1整车静态换挡力测试结果可以得出,变速箱静态换挡力适中,吸入力较强,是典型家用舒适型换挡,静态换挡力表现优异。
7结论
针对变速箱换挡静态换挡力,根据变速箱换挡机构工作原理,详解设计方法。基于此设计方法,设计一款变速箱,通过整车GSA换挡测试可以得出:
(1)实测曲线与理论拟合的曲线相一致,证明理论设计方法正确。
(2)基于此设计方法的变速箱静态换挡力满足标准,性能表现出色。