變速器怠速掛1擋阻澀和掛不進擋問題分析及改進

王 偉，舒 晨，汪旭兵

(上海汽車變速器有限公司，上海 201807)

隨著國內乘用車的普及，手動變速器的換擋性能作為其感知屬性越來越受到關注，因此提升手動變速器的換擋性能具有重要的現實意義[1-2]，文獻[1]給出了手動變速器換擋性能的主觀和客觀評價方法，為其換擋性能改善提供了分析方法，但文獻沒有給出具體的改善方案；文獻[2]給出了改善手動變速器靜態換擋性能的方法；文獻[3]～[5]給出了換擋沖量、二次沖擊改善的方案；文獻[6]、[7]從增大倒錐角度和倒錐接觸長度方面分析了變速器跳擋的原因。但上述文獻均未涉及換擋過程中阻澀或掛不進擋等問題。本文針對某乘用車手動變速器怠速掛1擋阻澀或掛不進等問題，從理論上分析了其產生的主要原因，并據此通過增大齒套倒錐長度避免齒套尾—同步環干涉，有效地改善了存在的問題，經過主客觀測試評估，驗證了改進方案的合理性及有效性。

1 怠速掛1擋阻澀問題解析

某手動變速器是上海汽車變速器有限公司開發的一款扭矩橫置6速250 N·m手動變速器，在整車測試時，客戶反映此手動變速器怠速掛1擋時，在換擋的后1/4行程存在一定概率的阻澀感，甚至存在1擋掛不進的問題，而在靜態即發動機不啟動時掛1擋，未出現阻澀現象。同時從客戶反饋的信息中可知，若順利掛進1擋后，在正常行駛過程中，未曾發生跳擋或脫擋等問題。針對客戶反映的問題，上海汽車變速器有限公司進行了GSA(變速器換擋性能分析)測試，并客觀復現了客戶反映的換擋問題。圖1為該手動變速器怠速掛1擋和靜態掛1擋的GSA測試對比

圖1 掛1擋GSA客觀測試評價對比圖

從圖1可知，靜態掛1擋換擋清晰，吸入感較好，無卡滯和阻澀現象，而怠速掛1擋存在客戶描述的阻澀和掛不進擋問題，其中阻澀的起始位置發生在距換擋起始位置50 mm左右，即換擋行程的3/4處(換擋行程為65 mm)，且存在2～3次掛不進擋導致跳擋的問題。為了量化阻澀和掛不進擋的問題，定義換擋行程的后1/4區域的卡滯力大于20 N時即為換擋阻澀。提取出的阻澀頻次和掛不進頻次見表1。

2 失效原因分析及改進方案

針對變速器在怠速掛1擋存在阻澀和掛不進擋的掛擋失效問題，本節主要從失效零件鎖定、失效位置分析、力學分析等方面尋找失效原因，并根據失效原因制定相應的改進方案。

表1 掛1擋換擋性能客觀量化評價

2.1 失效零件鎖定

從主觀評價和客觀GSA測試可知，掛1擋阻澀或掛不進擋的現象僅出現在怠速掛1擋，而在靜態掛1擋時無此現象。表2從發動機、離合器、變速器、整車(指換擋過程中與輪胎固連的輸出端)等方面分析了怠速和靜態兩種工況下掛擋的差異。

表2 掛擋過程差異性對比

從表2可知，在靜態掛1擋時，由于發動機和整車輸出端轉速為0，換擋過程中，同步器齒套僅自由滑過同步環、結合齒，不參與同步、撥環等過程。而在怠速掛1擋時，由于發動機與整車輸出端轉速不一致，在換擋過程中，同步環系統會進行同步、撥環、撥結合齒等一系列動作，因此失效問題可基本鎖定是由同步器系統引起的。

2.2 失效位置分析

在換擋過程中，同步器系統的齒套按相對位置可分為空擋位置、預同步位置、同步位置、撥正同步環位置、齒套—結合齒鎖止角碰撞位置(二次沖擊)、齒套尾錐—同步環碰撞位置、齒套換擋到位位置,如圖2所示，表3為齒套換擋位置表。

圖2 齒套換擋位置圖

表3 齒套換擋位置表

根據圖1可知，怠速掛1擋阻澀和掛不進擋發生在換擋行程的75%附近，而從表3可以看出，齒套尾錐—同步環碰撞和齒套—結合齒鎖止角碰撞存在重疊區域，其重疊區域為換擋行程的73.9%～78.0%，因此可基本斷定掛擋失效發生在齒套尾錐—同步環碰撞和齒套—結合齒鎖止角碰撞共同作用階段。

2.3 失效原理分析

在齒套尾錐—同步環碰撞和齒套—結合齒碰撞共同作用階段(重疊位置階段)時，存在兩種極限狀態，如圖3所示。

圖3 齒套尾錐-同步環碰撞示意圖

對于圖3(a)所示的極限狀態來說，同步環與結合齒位于齒套鎖止角同側，齒套撥正同步環和結合齒方向相同，可作為一個整體被撥正，此時只需要克服同步器輸入端拖曳力矩Mv即可，齒套受到的正壓力F為：

(1)

式中：βd為結合齒鎖止半角，(°)；Rd為結合齒鎖止面半徑，m。

在圖3(a)所示的狀態下，Mv=1.0 N·m，βd=42.5°,Rd=58.5 mm，可得齒套受到的正壓力F=15.6 N，小于卡滯力(>20 N)，因此該狀態下不會導致換擋阻澀和掛不進擋的問題。

對于圖3(b)所示的極限狀態來說，同步環與結合齒位于齒套鎖止角兩側，同步環和結合齒撥正方向相反，需分別單獨撥正。以同步環為例，由于其自身拖曳力矩較小，可忽略不計，因此同步環受到的摩擦力矩Mf為：

(2)

同步環受到的撥正力矩Mb為：

Mb=F1xRr

(3)

式中：Rr為同步環鎖止角半徑，m；i為錐面個數；μ為錐面摩擦系數；R為錐面平均半徑，m；βs為齒套尾錐角度，(°)；φ為錐面角度，(°)；η為錐面摩擦效率；F1x為齒套受到的同步環正壓力F1的周向分力，N；F1y為F1的軸向分力，N。

由式(2)、(3)可得，同步環解鎖系數k為：

(4)

當同步環解鎖系數k≤1時，同步環處于鎖止狀態，無法被撥正，而結合齒因為摩擦力矩Mf的影響也無法撥正，這樣會導致齒套無法進擋。而當同步解鎖系數k>1時，雖然同步環已解鎖，但由于齒套尾錐作用導致同步環壓向結合齒，可能會使同步環“抱死”結合齒，即同步環會對結合齒產生一殘余壓力Fc和殘余摩擦力矩Mfc，導致掛擋阻澀，此時齒套受到的正壓力F為：

(5)

該手動變速器的一擋同步環采用三錐鋼環貼碳，其摩擦材料為西格里0.6 mm編制碳纖維，摩擦系數較大，為0.120～0.145，導致同步環解鎖系數k較大，為0.93～1.12。當解鎖系數k≤1時，同步環無法解鎖，即可能產生怠速無法進1擋問題；而當解鎖系數k>1時，同步環雖然能解鎖，但同步環殘余摩擦力矩會增大結合齒撥正力，即產生怠速掛1擋阻澀問題。

2.4 改進方案

根據2.3節分析，為解決怠速掛1擋阻澀和掛不進擋問題，采用以下兩種改進方案。

改進方案1，避免齒套尾錐—同步環干涉，即避免齒套尾錐—同步環碰撞與齒套—結合齒鎖止角碰撞產生重疊區域。改進方案是：齒套倒錐長度由5.0+0.5 mm增加到5.8+0.5 mm(改變尾錐位置)，使得換擋過程中先完成齒套—結合齒鎖止角的碰撞，然后再進行齒套尾錐—同步環碰撞，這樣可避免同步環解鎖過程和同步環“抱死”結合齒，從而解決怠速掛1擋阻澀和掛不進擋的問題。

改進方案2，在不改變重疊區域的基礎上，通過減小同步環摩擦系數，使同步環解鎖系數由k≤1變為k>1。改進方案是：將摩擦材料由編制碳纖維改為碳顆粒，使同步環摩擦系數減小到0.100～0.120，從而讓同步環解鎖系數k>1，解決怠速掛1擋無法進擋問題。該方案雖然能減小阻澀力，但可能無法完全消除阻澀現象，并且由于摩擦系數減小會增加怠速進1擋時的換擋沖量。

3 試驗驗證

為了驗證上述改進方案的有效性，在同一臺整車、同一變速器基礎上，對兩種改進方案進行了主觀評價和客觀GSA測試。圖4為改進方案怠速掛1擋GSA測試圖，表4為客觀量化評價表。

圖4 改進方案怠速掛1擋GSA測試圖

表4 掛1擋換擋性能客觀量化評價對比

根據上述測試結果可知，改進方案2雖然能解決怠速無法進1擋問題，且阻澀力有所減小，但無法避免阻澀現象，且換擋沖量從原先4 N·s增大到5.1 N·s，改進方案不理想。而改進方案1除可解決怠速無法進1擋的問題，且能有效降低阻澀力，因此將改進方案1作為后續試驗驗證的方案。

改進方案1中擋側齒套倒錐長度增加了0.8 mm，變速器掛2擋時，齒套—齒轂直齒花鍵的接觸長度E由原先的6.15 mm減小為5.35 mm，如圖5所示，這樣有可能導致齒套進2擋后支撐不穩定，引起2擋脫擋，因此需要進行相關臺架和整車試驗驗證。

圖5 改進方案1進2擋齒套—齒轂接觸示意圖

在后續試驗中，改進方案1順利完成了同步器耐久臺架試驗、變速器總成耐久臺架試驗、整車耐久試驗、整車Abuse試驗，說明改進方案1在滿足耐久性和功能性試驗要求的前提下解決了怠速掛1擋阻澀和掛不進擋的問題，因此改進方案1可靠有效。

4 結束語

本文通過理論分析，找到某手動變速器怠速掛1擋阻澀和掛不進擋的原因，提出了避免齒套尾錐—同步環干涉和減小同步環摩擦系數兩種改進方案，通過試驗驗證，確認避免齒套尾錐—同步環干涉方案可減小掛擋阻澀力和避免掛不進擋，臺架和整車試驗驗證結果證明此方案在滿足耐久性和功能性試驗要求的前提下有效解決了怠速掛1擋阻澀和掛不進擋的問題。