浅析变速器换挡系统机构及原理

森源汽车股份有限公司 吕振伟 李尚 任旭辉

研究了手动机械式变速器换挡系统，从换挡系统外操纵机构、内操纵机构和同步器3方面分析了换挡过程，并分析了影响换挡性能的因素。

前言

汽车变速器主要由传动机构和换挡系统组成。传动机构由多组不同齿数的齿轮副及齿轮轴等组成；换挡系统由外操纵机构、内操纵机构和同步器组成，其作用就是在汽车行驶过程中保证驾驶员准确平稳地完成摘挡或是挂挡的动作。

换挡系统操纵机构

根据变速器在汽车上的安装位置，将换挡操纵机构分为直接操纵机构和远距离操纵机构。直接操纵机构由换挡手柄、换挡杆、换挡底座、拨块、拨叉、拨叉轴及安全装置等组成，而远距离操纵机构则是在换挡杆与变速器壳体上的选换挡摇臂之间加装了一系列传力装置，如由拉杆、摇臂、支架、销轴等组成的刚性杆式传动机构，或由钢索和皮套导管组成的推拉锁式换挡机构[1]。

1.换挡系统外操纵机构

外操纵机构指的是包括换挡手柄在内连接于换挡手柄和变速器壳体上的选换挡摇臂之间的一系列传力机构，如换挡杆、换挡底座、扭转弹簧、杆式传动机构或推拉锁式换挡机构、选换挡摇臂等。早期汽车采用的都是由拉杆、支架、销轴和摇臂等组成的刚性杆式传动机构，其主要优点是机械传动效率高，但因是刚性连接，车辆的振动会通过这一系列的刚性元件传递到换挡手柄，影响驾驶员操作。同时，刚性杆式传动机构在实车安装时对安装空间要求很高。因此，安装方便的推拉锁式换挡机构出现了，其柔性传递能缓冲和降低车辆产生的振动，提高换挡舒适性[2]。但是，选换挡操作过程就是拉锁与导管不断摩擦的过程，需注意拉锁与导管的耐磨性和耐久性。目前，汽车上多采用推拉锁式换挡机构，只有少数车辆仍使用刚性的杆式传动机构。

图1 变速器自锁和互锁装置

图2 自锁凹槽的截面轮廓

选挡时，作用于换挡手柄上的操作力横向推动换挡杆，换挡杆下端带动拉锁运动，拉锁另一端套在选挡摇臂上，从而带动选挡摇臂转动。在选挡过程中，换挡底座扭转弹簧产生的预压力和拉锁与选挡摇臂连接处产生的转动摩擦对选挡力有直接影响。换挡时，作用于换挡手柄上的操作力纵向推动换挡杆，换挡杆下端带动另一根拉锁运动，拉锁另一端套在换挡摇臂上，从而带动换挡摇臂转动，拉锁与换挡摇臂连接处产生的转动摩擦对换挡力有直接影响。

2.换挡系统内操纵机构

顾名思义，内操纵机构就是位于变速器侧盖内的一系列传动元件，包括选挡换挡轴、压力弹簧、拨叉轴、拨叉、拨板以及安全装置等。其中，安全装置包括自锁装置、互锁装置和倒挡锁机构，如图1所示，其作用分别是挡位定位、防止同时挂入两个挡位和防止误挂倒挡。换挡开始时选换挡轴轴向移动，带动换挡指进入相应凹槽，再通过转动选换挡轴使其带动换挡指拨动换挡拨叉，换挡拨叉沿拨叉轴轴向运动带动接合套与接合齿圈啮合，完成换挡。

自锁装置对换挡性能的影响有直接联系。在拨叉轴上有3个凹槽对应不同挡位位置，当处于空挡位置时自锁钢珠在自锁弹簧的压力下嵌入中间位置的凹槽，换挡时拨叉轴轴向移动挤压钢珠进入相应挡位凹槽[3]。

如图2所示为自锁凹槽的截面轮廓，凹槽2为空挡位置，凹槽1为目标挡位位置。换挡时拨叉轴轴向移动，自锁钢珠从A点移动到B点，拨叉轴所受阻力逐渐增大，而越过B点后阻力迅速减小；C点为挡位凹槽前坡面的最高点，发生二次冲击时，自锁钢珠已进入挡位凹槽，自锁钢珠在前坡面CD段作用在拨叉轴上的轴向力与拨叉轴的移动方向一致，就可以抵消部分二次冲击。因此，自锁凹槽的截面轮廓与同步器接合套的行程应是相匹配的，即自锁钢珠进入挡位凹槽点位置应处于二次冲击产生的行程范围内。

同步器工作机理分析

1.同步器的结构及作用

换挡过程中，待啮合的两齿轮转速若未达到一致而强行挂挡，就会产生强烈的冲击和刺耳的噪声，严重者甚至会造成齿轮轮齿断裂。早期汽车变速器并未配备同步器的时候，驾驶员需掌握一定的换挡操作技巧以实现短时间内平顺准确地完成换挡动作，但长期复杂的操作易导致驾驶员精神和身体上的疲劳。因此，同步器在市场的需求下应运而生，其作用就是既能保证换挡过程平顺无冲击，提高操作舒适性，又能简化换挡操作，降低驾驶员的劳动强度[3]。

图3 单锥面锁环式同步器

图4 各零件花键齿位置

早期的接合套换挡机构包括接合套、花键毂和对应齿轮上的接合齿圈，而同步器是在其基础上增加了能使接合套与对应齿轮上的接合齿圈的转速在短时间内趋于一致并在转速未达到一致前阻止两者接合的机构。

同步器的同步作用是基于摩擦原理[4]，除了因工作不可靠而被淘汰的常压式同步器，目前广泛应用于汽车上的是惯性式同步器，惯性式同步器又包括锁环式惯性同步器和锁销式惯性同步器。锁环式惯性同步器结构紧凑、工作可靠性高，使用寿命长，但因其摩擦锥面半径小，同步容量小，常用于传递转矩不大的轿车、轻型客车和轻型货车上。在结构上，相较于锁环式惯性同步器，锁销式惯性同步器摩擦锥面的半径更大，同步容量就大，可用于传递转矩较大的中型以上货车。时至今日，同步器早已成为变速器不可或缺的重要组成部分，同步器性能的优劣也直接影响着变速器换挡性能的优劣。

如图3所示，花键毂4的内花键与轴连接，外花键配合接合套3的轴向滑动。花键毂4与接合齿圈1、9之间各有一个锥环2、8（即同步环），同步环2、8的锥面锥度与接合齿圈1、9的锥面锥度相同，且同步环和接合齿圈的锥面上制有细牙螺纹槽，其作用是在同步环与接合齿圈接触时破坏润滑油膜，快速排出油液，增加摩擦从而使同步环和接合齿圈快速同步。花键毂径向均匀分布了3个轴向槽，3个滑块7可分别在相应槽内做微小的轴向移动，嵌入同步环的3个缺口内。同步环上有3个凸起部分，其宽度尺寸再加一个接合套齿厚即为所对应花键毂通槽的宽度。当同步环凸起部分位于花键毂通槽中间位置时，接合套可顺利通过同步环与接合齿圈啮合；当同步环凸起部分紧贴花键毂通槽的任一侧时，同步环齿则将阻止接合套的轴向移动。同步环的花键齿与花键毂的外花键齿、接合齿圈的花键齿无论是尺寸大小还是断面齿廓均相同，且要求能与接合套齿相啮合。

2.同步器工作过程分析

换挡时，在换挡力的作用下换挡拨叉带动接合套，接合套带动滑块一起移动，与同步环接触后，将同步环压向齿圈，由于同步环与齿圈之间存在转速差，使得两接触锥面产生很大的摩擦力，进而带动同步环相对接合套超前转动了半个齿厚，阻止接合套继续滑动。同步环与齿圈迅速同步后，同步环齿面轴向力的切向分力所产生的拨环力矩使得同步环后退半个齿厚，进而接合套越过同步环和齿圈继续滑动，与目标挡位的接合齿圈啮合，换挡完成，如图4所示。

笔者将换挡过程具体分为8个阶段，如图5所示。

a. 第一次自由滑动阶段：此阶段从接合套开始滑动开始到滑块与同步环端面接触结束。在换挡力的作用下，换挡拨叉带动接合套，接合套带动滑块一起滑动。在此过程中接合套受到阻力很小，接合套位移变化较快。

b. 同步起始阶段：此阶段从滑块接触同步环端面到同步环凸起嵌入花键毂通槽结束。此时滑块钢珠受接合套力作用使滑块轴向滑动嵌入同步环上所对应的缺口，同步环锥面受挤压产生一个较小的力矩，该力矩促使锁环转动一个小角度，使得同步环凸起贴向花键毂通槽一侧，则接合套的锁止齿面与同步环齿面相正好相抵触而不再继续啮合。

c. 同步阶段：此阶段滑块压动同步环与齿圈接触，同步环锥面与齿圈锥面接触产生摩擦，两锥面产生的摩擦力带动同步环相对接合套超前转动一个角度，同步环凸起部分紧贴花键毂通槽的一侧，同步环齿阻止接合套继续滑动。同步环锥面与齿圈锥面的细牙螺纹槽快速挤出润滑油液，两锥面间由流体动压摩擦经过混合摩擦变为干摩擦，两者的转速差迅速减小，转速差将为零时同步过程结束。

d. 同步环拨环阶段：此阶段从同步环被拨环力矩拨转开始，直至同步环被拨转的角度足以使接合套啮入同步环结束。接合套齿端作用在同步环齿面的压力可分解为轴向力和切向力两部分，轴向力促使同步环压紧齿圈，使得两者快速同步，而在同步过程结束后，切向力产生的力矩促使同步环后退一个角度，解锁接合套。

e. 第二次自由滑动阶段：此阶段从接合套继续向前滑动开始到接合套锁止齿与接合齿圈锁止齿接触前结束。该阶段，钢珠继续受接合套压力沿弹簧轴向方向运动，直至钢珠完全被压入滑块内，此时钢珠对接合套的轴向分力立刻改变。由于接合套在该阶段所受轴向力较小，相当于自由滑动。

f. 二次冲击阶段：此阶段从接合套锁止齿与接合齿圈锁止齿接触开始，直至接合齿圈被拨转一角度后接合套能啮入接合齿圈结束。在接合套锁止齿与接合齿圈接触时会发生撞击，从而产生二次冲击。而在接合套锁止齿与接合齿圈接触时，由于每次接触面面积大小不同，产生的二次冲击力大小也就不同。当接合套锁止齿齿端正好与接合齿圈齿端相触时，产生的冲击最大；当接合套锁止齿齿端正好啮入接合齿圈两齿间间隙时，产生的冲击为零。因此，二次冲击力的大小在两值之间，具有随机性。二次冲击对换挡品质的影响非常大，一般用二次冲击力比（即二次冲击力与最大同步力的比值）对其进行描述，一般要求越小越好。

g. 接合齿圈拨环阶段：接合套作用在接合齿圈齿面的作用力也可分解为轴向力和切向力两部分，其中切向力所产生的拨环力矩促使接合齿圈转动一个角度。

h. 最后自由滑动阶段：此阶段从接合套刚啮入接合齿圈开始，到接合套完全啮入接合齿圈结束。该阶段接合套啮合齿已进入接合齿圈，并以较小的阻力继续向前移动到达最终的啮合位置。此时，该挡位同步器所有部件以相同角速度转动，换挡完成。

结语

本文详细系统地分析了手动机械式变速器换挡操作系统的结构和工作机理，着重从换挡系统外操作机构、换挡系统内操作机构和同步器三方面对换挡操作过程进行分析，进而研究换挡过程中可能对变速器换挡性能产生影响的因素。其中，重点分析了同步器的8个工作过程，各个过程的特点及对换挡性能产生的影响，从中可提取四个指标对变速器换挡品质进行评价：

a.最大换挡力。最大换挡力即驾驶员完成换挡动作所需要施加在换挡手柄的最大操作力，一般发生在换挡过程中的同步阶段，也叫最大同步力。驾驶员在进行换挡操作时，最直接的感受就是完成换挡动作所需施加的操作力的大小。因此，最大换挡力是最直观的变速器换挡性能的评价指标；

图5 换挡过程

b.同步时间。同步时间指的是在换挡过程中使待啮合的同步环和接合齿圈两部分转速趋于一致所需要的时间。同步时间是反映同步器同步性能优劣的重要参数，与换挡力、同步环锥面摩擦系数、同步环锥面锥角等多方面参数有关，而且在变速器换挡性能试验中对同步时间有明确的要求，直接关系到变速器换挡品质的优劣；

c.同步冲量。同步冲量的定义是在同步时间内换挡力与时间的积分。在换挡过程中，当驾驶员施加的换挡操作力较大时，换挡时间短；当驾驶员施加的换挡操作力较小时，换挡时间长。而同步冲量作为同步器的固有特性，不随驾驶员的操作或是其他外界因素的影响而变化，体现了换挡过程驾驶员完成换挡动作所消耗的能量。一般来讲，同步冲量值越小说明同步器同步性能越好；

d.二次冲击力比。在换挡过程中，同步阶段完成后接合套越过同步环与接合齿圈接触，产生二次冲击。二次冲击现象的产生严重影响了换挡舒适性，而且过大的二次冲击也将影响换挡过程的平顺性。在QC/T 568-2010《汽车机械式变速器总成台架试验方法》变速器换挡性能试验中明确规定：变速器设计在满足同步时间和同步力要求的情况下，二次冲击力的峰值不高于同步力的70%。