手动档汽车挂倒档力分析与改善的研究

作者:神龙汽车有限公司 杜美荣 发布时间:2020-03-24
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针对某手动档汽车挂倒档力大的问题,研发人员先后进行了变速器静态测量及整车静态与动态测量之后,通过结构及工作原理分析,找出了倒档力的主要与次要阻力源。随后,对主要阻力源进行理论分析与计算,提出初步改善方案,通过制作样件装车测量验证,最终给出了合理的优化解决方案,使该款车型挂倒档力大的问题得以改善,最终满足客户驾驶操纵愉悦性要求。

对手动档(以下简称“MT”)汽车而言,其换档性能的好坏是整车性能评价的重要项目。变速器是汽车传动系的重要组成部分,它用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速,使汽车获得不同的牵引力和速度,同时使发动机在最有利的工况范围内工作。变速器对汽车动力性、经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性及其效率等都有直接影响。而同步时间的长短、换档的平顺性等指标直接体现了MT汽车换档性能的优劣。神龙公司某MT汽车在市场上存在较高的售后抱怨,具体表现为挂倒档力大,影响用户换档感受。因此,对该手动变速器的挂倒档问题进行分析和改进迫在眉睫。


挂倒档阻力来源分析

1.换档原理

一辆手动档汽车,要完成换档操作,需要驾驶员通过踩离合器踏板,并通过操作变速杆完成。换档杆的下部连接着两条换档拉索,这两条拉索分别连接着变速选档摇臂轴及换档摇臂轴。当通过变速杆进行换档操作时,一条拉索控制选档,另一条拉索控制换档。而实现换档的最终机械机构是变速器内部操纵机构中的换档拨叉。变速杆一旦完成选档,其中的一条拉索会通过换档摇臂轴,带动相应档位的拨叉上下移动,当拨叉将相应档位的同步器锁止,档位转换便完成了。

在换档过程中,变速器操纵机构应当满足:换档时只能挂入一个档位,换档后应使齿轮在全齿长上啮合,防止自动脱档或自动挂档,与此同时,也要防止误挂倒档,而且要换档轻便。同步器的设计对换档感受影响很大,好的同步器有更大的宽容度,使得换档更顺滑,入档更容易。而设计不良或损坏的同步器,会导致入档困难甚至无法入档。因为大部分MT车型的倒档都没有同步器,所以构成了倒档比普通档位难挂入的普遍现象。

2.挂倒档阻力的主要来源

变速器的换档力,即所谓“动态换档力”,是指由克服摩擦力矩而作用的同步推力及静态换档力这两部分构成。同步推力的大小,主要取决于离合器从动盘、变速器的齿轴结构及同步器的同步容量。由于这部分关联的因素较多,因此不在本文的讨论范围中。对于静态换档力,其大小所占换档力的比例虽然不大,但其大小及时间,即力值曲线对进档和脱档手感有很大影响,并且直接影响主观评价性能,对该部分进行分析与改善,就有着积极的实际意义。

本文仅就本公司的一款变速器静态倒档力过大的客户投诉进行分析讨论,并提出改善方案。此变速器内部操纵机构主要包括三个部分:选档摇臂轴总成、换档摇臂轴总成、拨叉及拨叉轴总成。其结构简图如图1所示。

挂倒档时,先由选档摇臂轴总成完成倒档位置的选择,然后通过转动换档摇臂轴带动倒档锁止臂推动倒档拨叉,倒档拨叉拨动倒档惰轮滑动以使其进档。转动换档摇臂轴挂倒档可以分为三个阶段:第一阶段,倒档锁止臂及倒档臂转动处于空行程;第二阶段,倒档锁止臂会接触到3/4档拨叉及轴总成并推动3/4档拨叉及轴总成向4档方向移动,以实现倒档制动,从而使一二轴的速度降低下来;第三阶段,倒档锁止臂脱离3/4档拨叉及轴总成,倒档臂开始推动倒档拨叉,倒档拨叉拨动倒档惰轮实现挂倒档。

根据上述挂倒档的原理,综合分析可知,挂倒档的阻力主要来源于以下几个方面:

(1)挂倒档时相对运动的零件之间的摩擦阻力;

(2)挂倒档时倒档锁止臂推动3/4档拨叉来实现制动的力;

(3)来自倒档锁止弹簧销的阻力;

(4)来自倒车灯开关的阻力。

针对这4个主要的阻力来源,分别取消带来阻力的零件,进行倒档力静态测量试验。测得的挂倒档阻力值及对比曲线图分别如表1、图2、图3及图4所示。从测量结果看,当取消3/4档拨叉总成时,挂倒档的阻力峰值最小,由此可以推断出,解决挂倒档力大这一抱怨的关键在于减小3/4档拨叉总成,即倒档制动力对挂倒档的影响。说明对比曲线的横坐标是换档摇臂球头的位移,纵坐标是挂倒档的力。


改善挂倒档力大的措施

从图4可以看出,3/4档拨叉总成(即倒档锁止臂推动3/4档拨叉实现倒档制动的力)对倒档力的影响,主要集中在换档球头位移1.5 ~7.8 mm这个区间内(换档摇臂球头位移到1.5 mm时,倒档锁止臂与3/4档拨叉总成开始接触进行倒档制动,位移到7.8 mm时倒档锁止臂与3/4档拨叉总成分离,制动结束),在此区间内,倒档制动力与其他动作引起的较大的挂倒档阻力形成叠加,导致挂倒档力达到峰值,这个过大的峰值导致了客户抱怨。

1.改善挂倒档力的方案  

如何减小3/4档拨叉总成即倒档制动力对挂倒档力的影响,以降低这个倒档峰值力呢?

倒档制动这一功能是不可或缺的,倒档制动力的大小也难以减小,那么唯一可以改变的就是倒档制动力的作用区间。假如推迟倒档制动的起始位置,即把3/4档拨叉总成对倒档力的影响区间后移,错开与其它较大倒档力的峰值力叠加区间,那么挂倒档力大的问题就可以得到解决了。

如何推迟倒档制动区间,又能保证倒档制动这个功能呢?

(1)推迟倒档制动区间

根据取消3/4档拨叉总成后测得的倒档力与原始倒档力的测量数据对比图,如图4所示,先暂定倒档制动起始位置推迟3.3 mm(即换档摇臂球头多转过3.3 mm再实现倒档制动),则倒档锁止臂与3/4档拨叉总成接触的起点位置就应对应推迟,那么3/4档拨叉总成上的倒档卡爪的轴向尺寸需减小X。图5是3/4档拨叉总成更改前后的倒档制动示意图。

2.保证倒档制动功能不变

若要保证倒档制动功能不变,则倒档锁止臂从A转到B,及改善后从A’转到B’而推动3/4档拨叉总成在其拨叉轴向的移动距离a就必须保持不变,对此3/4档拨叉总成上的倒档卡爪的宽度需增大Y。

综上,为推迟倒档制动区间,且保证倒档制动功能不变,3/4档拨叉总成中,倒档卡爪2处尺寸需按图5进行演变:倒档卡爪沿拨叉轴方向的尺寸减小X,倒档卡爪宽度尺寸增加Y。

3.计算求解

如图5所示,开始计算X和Y。已知条件如下:

1)换档摇臂球头到换档轴轴心的距离L=82 mm。

2)倒档锁止臂的转动半径R=63.92 mm。

3)原始状态倒档卡爪在轴向上离换档摇臂轴轴心的距离L0=44.9 mm。

4) 原始状态倒档制动过程中换档摇臂球头的行程S=6.3 mm(1.5 mm时与3/4档拨叉总成接触,7.8 mm时脱离)。需要说明的是S=6.3 mm为位移传感器测得的结果。

(5)倒档制动起始位置推迟ΔS=3.3 mm(即换档摇臂球头多转过3.3 mm再实现倒档制动)。需要说明的是根据取消3/4档拨叉总成后挂倒档力与原始状态挂倒档力的对比曲线图给出的预估值,待计算出X和Y,制作出样件后,再进行倒档力测量,来验证此预估值ΔS是否合理。

由上述已知条件可以推算出:

式中: β是倒档锁止臂与3/4档拨叉总成接触时的角度;θ是原始状态倒档制动过程中换档摇臂轴转过的角度(即倒档锁止臂转过的角度);δ是为错开倒档制动力与其它较大倒档力叠加,倒档制动推迟的转角。

因此可以得出:倒档力改善的方案是:3/4档拨叉总成中的倒档卡爪轴向尺寸减小1.8 mm,宽度尺寸增加2.3 mm。

3.改善效果验证

根据X、Y的值做出新样件,然后在台架上进行倒档力测量及主观评价,测量结果对比曲线图6所示,挂倒档力大幅降低,改善效果明显。主观评价方面,改善后用户对换倒档的舒适性及平顺性的感受大大改观,不再有换档力大的抱怨。综上,将3/4档拨叉总成中的倒档卡爪轴向尺寸减小1.8 mm, 宽度尺寸增加2.3 mm,这一改善方案是可行有效的,即选取的ΔS=3.3 mm也是合理的。


总结

本文仅针对本公司某手动档汽车倒档力大的问题,从变速器内部操纵机构的结构、换档原理等各方面进行综合分析,给出对应的改善方案,为解决类似结构的MT倒档挂档力大的问题提供了一种参考。    

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