某手動變速器斜向換擋優(yōu)化設(shè)計

吳榮華，謝小兵，陳習(xí)江，李小建，黃海華

（浙江萬里揚股份有限公司，浙江 金華 321004）

引言

提高汽車換擋性能一直是汽車設(shè)計追求的目標，尤其對于手動擋變速器，需要駕駛員頻繁換擋。駕駛主客觀評價上，主要有換擋力[1]、二次沖擊[2]、換擋吸入感[3]、擋位間隙[4]、擋位清晰度和換擋平順性[5-6]等。長期駕車人員對換擋要求更高，已經(jīng)不能接受從某一擋位摘至空擋，待選擋至下一個換擋位后再進行換擋的規(guī)范換擋模式，如圖1直角折線所示選換擋路徑，而是提出新的換擋要求：斜向換擋[4]。

如圖1中，2-3-2擋、4-5-4擋的升降過程，選換擋以一種更加迅捷舒適的方式進行，選擋路線與換擋路線合成為一條傾斜的直線，這種斜向換擋涉及斜對的2-3-2和4-5-4擋的切換。

圖1 換擋手球處規(guī)范選換擋和斜向換擋路線

斜向換擋性能是衡量換擋系統(tǒng)的一個重要指標，而基于幾年前或是更早設(shè)計生產(chǎn)的手動擋汽車，特別是客車、貨車等大中型商用汽車，通常未考慮或只考慮到通過調(diào)整換擋撥頭和換擋導(dǎo)塊來改善變速箱斜向換擋性能[4-5]，并未結(jié)合互鎖塊來綜合研究斜向換擋，往往仍然造成斜向換擋卡滯等問題，無法滿足客戶對手動變速箱換擋性能的要求。因此，對斜向換擋展開綜合分析及設(shè)計優(yōu)化是非常有必要的。

1 換擋軌跡與干涉分析

1.1 相關(guān)零件及裝配關(guān)系

斜向換擋功能的實現(xiàn)取決于換擋操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由變速器換擋機構(gòu)內(nèi)部的換擋撥頭、換擋導(dǎo)塊以及互鎖塊等零件決定。

下面結(jié)合某款6擋手動變速箱換擋結(jié)構(gòu)實例，詳細闡述該變速器斜向換擋的設(shè)計方法?；ユi塊、換擋撥頭和各換擋導(dǎo)塊的裝配關(guān)系如圖2所示：換擋撥頭可沿其自身軸線平移，實現(xiàn)選擋；同時可繞其自身軸線轉(zhuǎn)動，即撥動換擋導(dǎo)塊移動，實現(xiàn)換擋[7]。

圖2 某6擋手動變速箱換擋機構(gòu)

換擋撥頭可穿過互鎖塊中間槽口伸入至各擋位導(dǎo)塊叉頭之間，互鎖塊通過兩側(cè)及下部狹長平面限定在殼體槽中，可隨換擋撥頭沿其自身軸線平移滑動，另外互鎖塊下部兩處較高凸起同樣可以伸入至各擋位導(dǎo)塊叉頭之間，避免換擋撥頭同時掛上兩個擋位，實現(xiàn)互鎖功能[8]。

1.2 換擋軌跡擬合

分析斜向換擋，應(yīng)先仿真擬合換擋軌跡，這是分析斜向換擋的關(guān)鍵一步。換擋軌跡指換擋過程中換擋撥頭中心的路徑軌跡。在仿真擬合換擋軌跡過程中，換擋撥頭要時刻與欲換擋位的換擋導(dǎo)塊接觸，形成極限軌跡范圍。圖3展示了在不考慮互鎖塊情況下2→4擋的換擋軌跡繪制方法，擬合步驟中的◎部位即為換擋撥頭與換擋導(dǎo)塊接觸部位。同樣可以繪制出4→6擋、5→3擋和3→1擋的換擋軌跡，并額外增加繪制1→R擋的換擋軌跡，可以整合得到不考慮互鎖塊情況下的整個換擋軌跡圖，如圖4所示。

圖3 不帶互鎖塊情況下2→4擋換擋軌跡繪制

圖4 不帶互鎖塊情況下整體換擋軌跡

1.3 斜向換擋干涉分析

圖3 中步驟③→④展示了不帶互鎖塊情況下，換擋撥頭的倒斜角與4擋換擋導(dǎo)塊倒斜角從剛接觸到分離的過程，而如果擬合帶互鎖塊情況下的換擋軌跡時，則需額外注意互鎖塊對換擋軌跡的干涉影響，如圖5所示，2→4擋換擋時，由于互鎖塊干涉斜線右上側(cè)區(qū)域阻擋，換擋撥頭倒斜角與4擋導(dǎo)塊倒斜角接觸后，無法沿倒斜角方向移動。

圖5 帶互鎖塊情況下2→4擋換擋軌跡干涉情況

圖6 所示為帶互鎖塊情況下的換擋軌跡，軌跡中的黑色區(qū)域即表示互鎖塊對整個換擋軌跡的干涉區(qū)域。另外，圖6還示意出了帶互鎖塊情況下2擋升3擋的斜向換擋干涉量，即由2擋換擋軌跡中的較大傾斜軌跡延伸相交而成的水平距離，其他擋位的斜向換擋干涉情況做相同理解，不再贅述。

圖6 帶互鎖塊情況下?lián)Q擋軌跡

2 優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化設(shè)計方案

要想使產(chǎn)品具有良好的斜向換擋功能，既要充分消除互鎖塊對整個換擋軌跡的干涉，又要消除換擋軌跡中的各個斜向換擋干涉量。本文充分考慮各換擋導(dǎo)塊與互鎖塊的相對運動軌跡，在互鎖塊斜對稱的兩處增加較大的倒角缺口，如圖7所示。

圖7 互鎖塊優(yōu)化前后實物對比圖

另外，進一步針對消除換擋軌跡中的斜向換擋干涉量，本文提出了兩種優(yōu)化方案。方案一在于進一步加大斜向換擋相關(guān)換擋導(dǎo)塊的四處倒角，即1擋/3擋/4擋/6擋導(dǎo)塊叉頭處的四處倒角，如圖8所示；而方案二在于加大換擋撥頭斜對稱的兩處倒角，如圖10所示。

圖8 優(yōu)化方案一：加大換擋導(dǎo)塊倒斜角

圖10 優(yōu)化方案二：加大換擋撥頭倒斜角

由圖8和圖10可看出互鎖塊斜對稱倒斜角大于相對運動軌跡臨界干涉線，即說明互鎖塊倒角缺口可為斜向換擋時換擋導(dǎo)塊相對互鎖塊移動提供足夠的避讓空間。圖9和圖11中換擋軌跡顯示，兩種方案均已完全消除斜向換擋干涉量，方案二更優(yōu)。

圖9 優(yōu)化方案一換擋軌跡

圖11 優(yōu)化方案二換擋軌跡

特別說明，兩種方案的所有倒角傾斜角度相同且保持與優(yōu)化前一致，原因在于倒角傾斜角度如果調(diào)整得過大，可導(dǎo)致?lián)Q擋力增加太大或出現(xiàn)亂擋，而如果倒角傾斜角度調(diào)整得過小，則很難消除斜向換擋干涉量，具體角度的確定可根據(jù)換擋軌跡及文獻[6]參照確定，本文不過多敘述。

2.2 優(yōu)化設(shè)計校核

上述兩種優(yōu)化設(shè)計方案均通過加大倒角來消除斜向換擋干涉，因此有必要對可能出現(xiàn)的亂擋情況進行校核。主要在于校核兩點：其一，應(yīng)避免兩個換擋導(dǎo)塊同時卡在互鎖塊槽中，否則容易導(dǎo)致選換擋卡滯；其二，應(yīng)避免換擋撥頭同時卡在相鄰的兩個導(dǎo)塊夾縫中，否則容易導(dǎo)致選擋卡滯。整個校核必須考慮加工誤差、熱處理變形、組裝誤差等諸多因素共同作用時的極限情況。

如圖12所示，方案一中互鎖塊去除同側(cè)倒角之后的距離略大于兩相鄰導(dǎo)塊之間去除倒角的距離，兩導(dǎo)塊可同時進入互鎖塊槽中，存在亂擋風(fēng)險；而方案二兩個導(dǎo)塊無法同時進入互鎖塊槽中，且余量較為合理，可充分抵消各尺寸加工誤差等相關(guān)因素帶來的影響，如圖13所示。且由圖12和圖13可明顯看出兩方案換擋撥頭均明顯大于相鄰導(dǎo)塊夾縫，不會引起由此帶來的選擋卡滯。

圖12 優(yōu)化方案一選換擋功能校核

圖13 優(yōu)化方案二選換擋功能校核

由此，優(yōu)化方案二既能去除斜向換擋干涉，又能避免選換擋卡滯，為最終選定優(yōu)化方案。

3 對比驗證

本文還針對優(yōu)化前后的換擋機構(gòu)分別進行了該款6擋變速箱的整車換擋測試分析（Gear Shift Analysis測試，以下簡稱GSA），如圖14所示，將位移和力等傳感設(shè)施固連在換擋球頭上，進行整車行駛狀態(tài)下的選換擋動作，以獲得各換擋性能測試曲線或參數(shù)。

圖14 整車換擋測試分析

圖15給出了優(yōu)化前后的2-3-2擋斜向換擋的GSA測試結(jié)果對比圖，如圖所示：原狀態(tài)換擋機構(gòu)在3擋降2擋斜向換擋的過程中存在卡滯現(xiàn)象，而優(yōu)化狀態(tài)則完全無卡滯現(xiàn)象發(fā)生，且換擋路線更清晰，軌跡曲線更平順，良好地實現(xiàn)了斜向換擋功能，有效提高了換擋舒適性。

圖15 優(yōu)化前后2-3-2擋GSA測試結(jié)果對比圖

4 結(jié)束語

本文以一款6擋手動變速器換擋機構(gòu)為例，通過斜向換擋軌跡擬合和干涉分析，討論了引起斜向換擋卡滯的結(jié)構(gòu)設(shè)計原因，綜合考慮換擋撥頭、互鎖塊以及換擋導(dǎo)塊等零件之間的相對選換擋運動情況，創(chuàng)新性提出斜向換擋的優(yōu)化設(shè)計方案和校核方法，并進一步得到了整車測試驗證，獲得了專利授權(quán)。對其他手動變速箱而言，遵循本文介紹的設(shè)計校核方法，額外考慮各關(guān)鍵運動部件的表面粗糙度等因素，同樣可得到較為理想的斜向換擋功能。