基于尺寸鏈和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的手動(dòng)變速器換擋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

陳穎宇 李 強(qiáng) 何耀華 韋 煒

（武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院1） 武漢 430000） （上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心2） 柳州 545000）

近年來(lái)，汽車(chē)手動(dòng)變速器仍以效率高、油耗低、生產(chǎn)維修成本低，技術(shù)成熟度高，駕駛娛樂(lè)性好等優(yōu)勢(shì)持續(xù)占領(lǐng)著較大市場(chǎng)份額［1］.隨著人們對(duì)舒適性的追求越來(lái)越高，換擋操縱性能已經(jīng)成為各大汽車(chē)變速器生產(chǎn)廠商竭力改善的一個(gè)重要方面.然而，據(jù)眾多用戶反應(yīng)，機(jī)械式手動(dòng)變速器在換擋性能方面仍表現(xiàn)欠佳，常見(jiàn)的問(wèn)題主要是擋位不清晰、換擋卡滯、無(wú)法換擋及換擋力偏大等問(wèn)題［2－3］.本文以某微型汽車(chē)5檔變速器為對(duì)象，開(kāi)展變速器操縱機(jī)構(gòu)的研究對(duì)于換擋性能影響的分析研究，顯得尤為重要.

1 操縱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理

為了最大限度地滿足汽車(chē)總體布置上的需要，目前手動(dòng)機(jī)械式變速器的操縱機(jī)構(gòu)大多采用了拉索式結(jié)構(gòu)，即外部操縱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)拉索傳給內(nèi)部操縱機(jī)，見(jiàn)圖1.

圖1 變速器操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

外部操縱機(jī)構(gòu)由換擋桿鉚合件、底座焊合件、連動(dòng)板組件、滑套、扭簧等構(gòu)成，見(jiàn)圖2.

圖2 外部操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

內(nèi)部操縱機(jī)構(gòu)包括操縱器蓋、選擋搖臂、選擋撥頭、換擋搖臂、換擋撥頭、撥叉軸、撥塊、自鎖、互鎖和安全裝置等，見(jiàn)圖3.駕駛員撥動(dòng)變速桿左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，變速桿的下端帶動(dòng)選擋拉索中的軟軸在套管中實(shí)現(xiàn)推、拉運(yùn)動(dòng).選擋搖臂1在拉索軟軸的作用下壓縮操縱器蓋3中的回位彈簧，使卡在換擋撥頭4槽中的選擋撥頭14做橫向運(yùn)動(dòng)，換擋撥頭在3個(gè)撥塊槽中進(jìn)行橫向選擋，這一過(guò)程即為選擋；空擋時(shí)撥頭被回位彈簧限定在3，4擋撥塊槽5中.當(dāng)換擋撥頭到達(dá)所選定擋位的撥塊槽中部時(shí)，駕駛員向前、后方向推動(dòng)變速桿，換擋拉索軟軸帶動(dòng)換擋撥頭推動(dòng)撥塊移動(dòng)，使得撥叉帶著同步器接合套與待結(jié)合齒嚙合，實(shí)現(xiàn)換擋.由此可見(jiàn)，駕駛員的換擋過(guò)程應(yīng)該是：先選擋（推動(dòng)變速桿左、右運(yùn)動(dòng)）再進(jìn)擋（推動(dòng)變速桿前、后運(yùn)動(dòng)），變速桿的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)“王”字形.

圖3 變速器內(nèi)部操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖

2 換擋性能欠佳的原因分析

通常，變速器的換擋性能要從靜態(tài)換擋性能和動(dòng)態(tài)換擋性能兩方面考量.若變速操縱機(jī)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，即便是選用性能最優(yōu)的同步器，汽車(chē)在使用過(guò)程中不可避免會(huì)表現(xiàn)為換擋性能不佳.因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)反映靜態(tài)換擋性能優(yōu)劣的變速操縱機(jī)構(gòu)予以足夠的重視.

本研究的5檔手動(dòng)變速器經(jīng)常發(fā)生換擋卡滯致無(wú)法換擋，當(dāng)發(fā)生卡滯時(shí)保持選換擋搖臂不動(dòng)，把拉索與搖臂脫離聯(lián)接，拆開(kāi)操縱器蓋發(fā)現(xiàn)換擋撥頭與撥塊處于運(yùn)動(dòng)卡滯狀態(tài).經(jīng)多次試驗(yàn)，撥頭和撥塊發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉時(shí)出于以下2種情形：選擋操作時(shí)，撥頭端面與某個(gè)撥塊端面相碰，阻礙撥頭的運(yùn)動(dòng)，即導(dǎo)致選擋卡滯；換擋操作時(shí)，撥頭還處在兩個(gè)不同擋位的撥塊之間，由于互鎖機(jī)構(gòu)的作用，便發(fā)生換擋卡滯，見(jiàn)圖4.

圖4 換擋撥塊與換擋撥頭運(yùn)動(dòng)干涉圖

3 撥頭與撥塊槽尺寸的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了保證撥頭在撥塊槽內(nèi)迅速無(wú)阻滯地運(yùn)動(dòng)，撥頭與撥塊槽間不應(yīng)發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉.原操縱機(jī)構(gòu)中換擋撥頭是厚度為6mm、直徑mm 的球面.與之配合的撥塊槽寬度為mm，平均分配到兩側(cè)的間隙為0.1mm.由于撥頭的加工難度明顯高于撥塊槽的加工難度，且一個(gè)撥頭需要同時(shí)與3個(gè)撥塊間隙配合，所以應(yīng)以撥頭為基準(zhǔn)，適當(dāng)調(diào)整撥塊槽的尺寸，合理分配撥頭與撥塊槽間隙.

3.1 變速操縱機(jī)構(gòu)尺寸鏈的分析與計(jì)算

在機(jī)械裝配或零件加工中，相連的尺寸形成的封閉尺寸組，稱為尺寸鏈.尺寸鏈由環(huán)組成，即尺寸鏈中涉及到的所有尺寸或位置公差.根據(jù)獲得的途徑不同，環(huán)分為組成環(huán)和封閉環(huán).組成環(huán)是設(shè)計(jì)或加工中直接得到的尺寸或公差，封閉環(huán)即精度要求，通過(guò)組成環(huán)間接保證.

正確地建立尺寸鏈，是進(jìn)行尺寸、公差設(shè)計(jì)和校核的基礎(chǔ)，也是保證裝配精度的基礎(chǔ).建立尺寸鏈的依據(jù)是裝配精度，即以裝配精度作為封閉環(huán)，能夠直接影響到裝配精度的所有零件尺寸、形位公差均為組成環(huán)［4－5］.

在裝配精度要求一定的情況下，為了降低加工難度，希望組成環(huán)的公差大一些，則尺寸鏈中組成環(huán)的數(shù)目越少越好，這就是尺寸鏈最短原則.封閉環(huán)公差一定，組成環(huán)的數(shù)目越少，組成環(huán)的平均公差就較大，加工較為容易，成本亦較低；同理，組成環(huán)公差一定，尺寸鏈中組成環(huán)的數(shù)目越少，得到的封閉環(huán)的公差也就越少，裝配精度就越高.

構(gòu)建變速器內(nèi)部操縱機(jī)構(gòu)的尺寸鏈時(shí)，除了應(yīng)遵循尺寸鏈最短原則外，還需保證“三心對(duì)齊”原則.本變速器的“三心對(duì)齊”，即撥叉指端圓弧與同步器齒套圓同心；在空擋位置，自鎖球球心與撥叉軸空擋自鎖槽中心在豎直方向同軸（由自鎖槽和自鎖球的形狀公差保證），以確定撥塊、撥叉的初始位置；在空擋位置，必須保證撥叉軸上的撥塊槽中心和換擋搖臂軸中心對(duì)齊，并保證外部操縱機(jī)構(gòu)與內(nèi)部操縱機(jī)構(gòu)的行程相匹配.

圖5是撥塊與撥頭相對(duì)位置剖視圖，假設(shè)空擋位置換擋撥頭軸線豎直向下，撥頭處于撥塊中心.撥塊與選擋搖臂中心的偏移量作為封閉環(huán)，沿著換擋搖臂中心→變速器殼體端面→自鎖孔→自鎖槽→撥塊定位銷(xiāo)→撥塊作用面→撥塊槽中心線建立尺寸鏈.“三心對(duì)齊”原則中自鎖球與自鎖槽中心對(duì)齊，此時(shí)自鎖球與自鎖孔的同軸度誤差、自鎖球與自鎖槽同軸度誤差可以忽略不計(jì).

以1，2擋為例，建立尺寸鏈，計(jì)算并驗(yàn)證當(dāng)前裝配精度下?lián)茴^與撥塊運(yùn)動(dòng)的初始位置是否影響撥頭與撥塊的平順運(yùn)動(dòng)，并由最短尺寸鏈原則確定出以撥塊槽中心線與換擋搖臂中心線的偏差為封閉環(huán)，見(jiàn)圖6.

圖5 撥塊與撥頭相對(duì)位置剖視圖

圖6 1，2擋撥塊與換擋搖臂位置尺寸鏈

封閉環(huán)A0基本尺寸為

式中：TAi為組成環(huán)的公差帶.

中心偏差ΔA0為

封閉環(huán)的極限上偏差ESA0和極限下偏差EXA0為

1，2擋撥塊槽中心線相對(duì)于換擋搖臂軸線偏向自鎖槽方向的最大偏移量為0.192 7mm，反向的最大偏移量為0.142 7mm.同理計(jì)算出3，4擋和5倒擋撥塊槽中心線與選擋搖臂軸線的位置偏差，以換擋搖臂軸線為中心，設(shè)撥塊向自鎖槽方向運(yùn)動(dòng)為“＋”，則3個(gè)撥塊槽中心線的偏移量和偏移方向見(jiàn)圖7.

5個(gè)前進(jìn)擋和倒擋裝配后可能達(dá)到的極限偏差均大于撥頭與撥塊的單側(cè)間隙0.1mm.導(dǎo)致在極限裝配位置下，撥頭已不能在撥塊槽中進(jìn)行自由地橫向選擋.所以該間隙的基本尺寸設(shè)計(jì)不符合裝配偏差的要求.

圖7 撥塊槽中心線的偏移量和偏移方向

根據(jù)尺寸鏈分析，換擋撥頭處預(yù)留間隙的基本尺寸不應(yīng)小于3個(gè)撥塊間初始位置可能的最大偏移量，為了完全排除由撥塊、撥頭、搖臂軸初始裝配位置引起的換擋卡滯問(wèn)題，考慮2個(gè)方向的最大偏移量，撥頭與撥塊槽間隙的基本尺寸至少應(yīng)為0.192 7＋0.142 7＝0.34mm，取0.4mm.由于撥塊槽形狀對(duì)稱，以撥塊槽中心軸線為基準(zhǔn)向兩邊各留0.2mm的間隙即可.

在撥頭與撥塊槽相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，兩者間隙的調(diào)整不僅可以從尺寸鏈的角度解決，還可以參考變速桿空行程、選擋時(shí)撥頭在拉索牽動(dòng)作用下的運(yùn)動(dòng)、以及駕駛員習(xí)慣性斜向選擋等因素［6］.

3.2 撥塊槽倒角的確定

調(diào)整了撥頭與撥塊槽的間隙之后，還要考慮實(shí)際操作帶來(lái)的影響.換擋過(guò)程中，如果撥頭未能選擋到位便進(jìn)行換擋，即不足選擋；選擋過(guò)程中，如果變速桿的運(yùn)動(dòng)與理想選擋方向成一定角度，即斜向換擋.此時(shí)撥頭在進(jìn)行選擋運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，會(huì)在換擋方向上產(chǎn)生位移，撥頭的運(yùn)動(dòng)將被撥塊阻礙而無(wú)法換擋，見(jiàn)圖8［7］.

圖8 撥頭與撥塊運(yùn)動(dòng)干涉圖

為了解決實(shí)際操作中可能出現(xiàn)的卡滯情況，應(yīng)對(duì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的位置添加倒角.以上述撥頭與撥塊槽間隙調(diào)整后的尺寸為基礎(chǔ)，在撥塊槽上增設(shè)倒角.

根據(jù)換擋過(guò)程中撥頭的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律設(shè)計(jì)倒角.具體如下：在1擋方向撥塊上增設(shè)倒角θ，在3，4擋撥塊上增設(shè)倒角λ和δ，倒擋方向撥塊上增設(shè)倒角ω，倒角分布見(jiàn)圖9.δ角為選2擋發(fā)生選擋不足留出空間；λ角為選5擋發(fā)生選擋不足留出空間，并為退5擋的撥頭運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，有利于撥頭回空擋位置；同理，θ和ω角分別為進(jìn)3檔和4檔時(shí)撥頭的偏離預(yù)留空間.對(duì)選1擋和倒擋的情況，如果在3，4擋撥塊上加工上述大倒角，將使得3，4擋撥塊與撥頭的接觸面積過(guò)小，影響3，4擋的換擋品質(zhì)；且掛1擋和倒擋多在低速進(jìn)行，選擋準(zhǔn)確性相對(duì)較高.因此不做類(lèi)似的大倒角，借助小倒角避免實(shí)際操作中可能出現(xiàn)的問(wèn)題.

圖9 各擋撥塊槽倒角布置示意圖

為便于問(wèn)題描述和分析，把空擋時(shí)撥頭與撥塊槽的間隙稱為撥頭間隙，相鄰撥塊間距稱為通道間隙.本研究的變速器選擋行程由通道間隙0.8mm和撥塊厚度L撥塊6mm組成，共6.8mm，見(jiàn)圖10.

圖10 撥頭與撥塊間隙示意圖

由圖10可知，撥頭在選擋方向運(yùn)動(dòng)0.8mm便開(kāi)始進(jìn)入所選擋位的撥塊槽；運(yùn)動(dòng)3mm時(shí)，撥頭厚度中線所在面（以下簡(jiǎn)稱撥頭最長(zhǎng)直徑面）離開(kāi)3，4擋撥塊槽；運(yùn)動(dòng)3.8mm時(shí)，撥頭最長(zhǎng)直徑面進(jìn)入所選擋位撥塊槽；運(yùn)動(dòng)6mm時(shí)，撥頭可完全越過(guò)3，4擋撥塊；運(yùn)動(dòng)6.8mm時(shí)，撥頭完全進(jìn)入所選擋位撥塊槽內(nèi).若撥頭的選擋行程大于或者等于6mm時(shí)，撥頭即可在完全越過(guò)3，4擋撥塊的情況下順利換擋；如果選擋行程不足6mm便開(kāi)始換擋，撥頭運(yùn)動(dòng)就會(huì)被撥塊阻擋而無(wú)法換擋.在撥頭完全選擋到位前，3mm和3.8mm選擋行程是兩個(gè)臨界點(diǎn).分別以這2個(gè)點(diǎn)作為撥頭的選擋結(jié)束、換擋開(kāi)始點(diǎn)，借助運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件Adams，模擬小角度斜向選擋同時(shí)選擋不足的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，尋找撥頭、撥塊產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉的位置［8］.

在Adams仿真模型中，以撥頭中心O為參考點(diǎn)，x向?yàn)檫x定方向，y向?yàn)閾Q擋方向.分析撥頭的仿真運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，依次提取如下兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：A點(diǎn)為撥頭上弧線中點(diǎn)（即撥頭最長(zhǎng)直徑面上的點(diǎn)），其初始位置坐標(biāo)為（0，6）.B點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)干涉的結(jié)束點(diǎn)（撥頭最短直徑球面上的點(diǎn)），其初始位置坐標(biāo)為（3，5.196），見(jiàn)圖11.

圖11 撥頭運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)分布

完成了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真后提取出A點(diǎn)和B點(diǎn)的軌跡見(jiàn)圖12、圖13.

圖12 撥頭上A、B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡（mm）

A 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)（－2.286，6.2）時(shí)，撥頭與撥塊開(kāi)始接觸.B 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)（－3，8.7）的位置時(shí)，撥頭剛越過(guò)三四擋撥塊，干涉運(yùn)動(dòng)結(jié)束.此時(shí)，撥頭與撥塊槽端面相距為8.7－6.2＝2.5mm.依據(jù)這兩點(diǎn)做出撥塊倒角，見(jiàn)圖13.

圖13 3mm處換擋需要的三擋撥塊倒角

由上述仿真結(jié)果分析計(jì)算得，

以同樣的方式仿真驗(yàn)證撥頭在選擋方向運(yùn)動(dòng)3.8mm開(kāi)始換擋的情形，并將所得16°倒角帶入其它擋位進(jìn)行驗(yàn)證.驗(yàn)證結(jié)果表明，其他擋位所需的倒角均略小于16°，從而確定出該擋位撥塊上應(yīng)倒的角度，同理可確定出其他各擋位的倒角.

綜上所述，為了保證斜向選擋同時(shí)選擋不足的情況下仍能順利換擋，需在撥頭上添加4個(gè)大小相等的倒角，λ＝δ＝θ＝ω＝16°，其余尖角及大倒角處做45°的小倒角起去毛刺的作用，保證選換擋平順.

4 方案驗(yàn)證

用英國(guó)里卡多公司的一套換擋性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備 GSQA（gear shift quality assessment system）實(shí)時(shí)測(cè)量換擋力與時(shí)間的關(guān)系.該設(shè)備包括測(cè)試主機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、扭轉(zhuǎn)傳感器、位置傳感器、固定支架等.

換擋桿上安裝位置傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器，采集換擋桿的位移和力，傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)經(jīng)電纜傳輸?shù)讲杉ㄖ羞M(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，再由主機(jī)測(cè)試軟件對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到本次測(cè)試所需的換擋桿在前后左右平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑.改進(jìn)后斜向換擋的路徑更清晰平滑、一致性好，所以換擋平順性較原方案好.此外，經(jīng)公司測(cè)試團(tuán)隊(duì)對(duì)卡滯性能的主觀評(píng)價(jià)表示，原先的明顯選換檔卡滯感消失，相對(duì)原車(chē)有很大改善，尤其是選擋方向上的順暢性效果明顯.

5 結(jié)束語(yǔ)

基于改進(jìn)成本的限制，在不改變變速器結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)尺寸鏈計(jì)算，找到選擋卡滯的原因是撥頭、撥塊的裝配位置偏差.從而確定了撥頭與撥塊槽間應(yīng)留有的最小間隙.隨著該間隙的調(diào)整，撥塊槽上的倒角也給出了新的設(shè)計(jì)值.經(jīng)零件試制裝車(chē)和專業(yè)試車(chē)人員對(duì)方案的主、客觀測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果證實(shí)，該方案的確在一定程度上改善了換擋平順性.為同類(lèi)手動(dòng)變速器的研究設(shè)計(jì)和改進(jìn)工作提供參考.

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