手動變速器防脫檔設計分析

吳偉

摘 要：手動變速器總成脫檔故障的發(fā)生會使車輛突然失去動力，直接影響行車安全。研究變速器預防脫檔的設計原理，就顯得格外重要。本文通過對其脫檔機理進行微觀分析，對防脫檔設計的影響因素進行研究，為變速器設計開發(fā)提供借鑒，提升變速器的換檔可靠性。

關鍵詞：脫檔;同步器;防脫檔設計

1 前言

手動變速器總成作為整車上的關鍵件，核心功能之一是實現(xiàn)不同檔位下安全可靠的傳遞動力，變速器脫檔問題不僅引起客戶抱怨，還因其具有潛在的行車安全風險，研究變速器防脫檔設計具有重要的現(xiàn)實意義。車輛變速器脫檔與車輛換檔操縱機構系統(tǒng)、整車振動激勵、變速器等因素有關，本文僅針對變速器本身的防脫檔設計進行分析。

2 變速器脫檔

變速器脫檔：指車輛正常行駛時，變速器從行駛檔（前進檔或倒檔）自行脫離行駛檔位，回到空檔位置情況。表現(xiàn)形式為，駕駛艙換檔手柄回位到空檔位置，車輛動力無法傳遞到車輪導致動力輸出中斷，車速明顯自行下降，在爬坡或超車等特殊駕駛工況時，存在駕駛風險，影響行車安全。

3 防脫檔設計

手動變速器中防止脫檔的設計就是保證目標同步器齒套和檔位齒輪接合齒始終嚙合在一起，實際變速器設計時，也是基于此目的進行設計。

1、倒錐面防脫設計：如圖1，在同步器齒套和檔位齒輪接合齒嚙合的配合花鍵處的兩邊，各加工出倒錐面，因倒錐面的存在，其正壓力N就分解成一個圓周力F和一個軸向力T，其中軸向力T就是防止脫檔的力。在實際工作中，當齒套有遠離檔位齒輪接合齒的脫檔意向時，其接合倒錐面上的軸向力T，阻止齒套向脫檔方向移動，從而達到防脫檔的目的。這是最主要的防脫檔設計。

2、定位銷彈簧防脫設計：在換檔轉軸或換檔撥叉軸上，通常都會設計一個定位或自鎖彈簧，其會對撥叉轉軸的旋轉，或換檔撥叉軸的軸向移動，產(chǎn)生一個壓力，從而起到防止脫檔的輔助作用。因其主要起輔助脫檔作用，且其彈簧力的大小同時影響到換擋力曲線性能的表現(xiàn)，此文不做專門討論。

4 脫檔機理

當前變速器中齒輪副普遍采用斜齒輪，以達到高承載、低噪音的目的，檔位齒輪運行嚙合過程中，齒輪承受軸向和徑向力的綜合作用下，齒輪會產(chǎn)生受力偏載，進而導致齒輪嚙合過程中的偏擺，而在檔時，同步器齒套和檔位齒輪接合齒通過花鍵嚙合在一起，所以同步器齒套也隨著齒輪的偏擺而同步偏擺，同步器齒套和檔位齒輪接合齒的偏擺整體上是一個嚙入、擺出的不斷循環(huán)的平衡過程，如圖2。

正常情況下，這個動態(tài)平衡始終處于防脫錐面的作用范圍內，如果實際運行中這個動態(tài)平衡被打破，會導致同步器齒套和檔位齒輪接合齒無法維持防脫錐面的防脫作用而脫檔。

另外，檔位齒輪本身設計時在存在軸向間隙，可以軸向移動，尤其是在車輛突然加速或減速時，齒輪因受力齒面的變化，齒輪所受軸向力產(chǎn)生反向變化，齒輪因受力從一側向另一側移動一個間隙距離，此時會明顯導致同步器齒套和檔位齒輪接合齒的防脫錐面的嚙合長度減小，進而出現(xiàn)脫檔。這也是為什么脫檔經(jīng)常發(fā)生在車輛踩油門或松油門時。

5 設計關鍵因素

從實際脫檔機理可見，要有效防止脫檔發(fā)生，其關鍵是保證同步器齒套和檔位齒輪接合齒的嚙合倒錐面有足夠的防脫力。而防脫力主要由二者的倒錐面嚙合長度及倒錐面嚙合狀態(tài)兩個方面來保證的，其影響因素如下：

一、倒錐面嚙合長度：主要指倒錐面軸向的嚙合長度指標，其影響零件及因素如下：

1、倒錐軸向長度： 同步器齒套或檔位齒輪倒錐長度設計時，變速器都在向多檔位發(fā)展，軸向尺寸的布置空間也要求盡力做小，其倒錐長度設計一般在其換擋行程的一半左右，越長越好。

2、倒錐角度：同步器齒套和檔位齒輪倒錐角度設計越大，就能獲得更大的防脫軸向力T，通常該角度設計在3-4度左右。

3、齒套和檔位齒輪鎖止角：鎖止角的設計的越大，則會產(chǎn)生更多的倒錐面長度;但鎖止角的設計首先要確保滿足同步器鎖止功能的前提下，同步考慮到換擋性能需求的情況下進行平衡選取。

4、倒錐塌邊長度：所謂倒錐塌邊是鎖止面和倒錐面之間的過渡倒角邊，其越大則倒錐面嚙合長度就越小，是一處細節(jié)性設計，會做最大限值控制。

5、軸向間隙控制：檔位齒輪軸向間隙設計，在滿足其檔位軸承或軸套足夠潤滑的情況下，盡可能的小，以減小其軸向運動空間;檔位齒輪所在的軸總成的間隙，是由支撐軸承的調整墊片的裝配來保證設計間隙的，盡量限制其軸向竄動。

6、換擋操縱系統(tǒng)：換擋操作系統(tǒng)零件較多，包括換擋撥叉、撥叉軸、自鎖定位槽，換擋撥頭，換檔轉軸等，故其軸向定位尺寸鏈較長，所以在設計時要充分考慮其系統(tǒng)容差性，保證換擋撥叉和同步器齒套在軸向的正確匹配。其通常不會直接影響倒錐面嚙合長度不足，但如果設計不當，易導致齒套或換擋撥叉早期過渡磨損，因掛檔不到位而影響倒錐面嚙合長度不足而脫檔。

二、倒錐面嚙合狀態(tài)：同步器齒套和檔位檔位齒輪接合齒的偏擺整體上是一個嚙入擺出的不斷循環(huán)的平衡過程（圖3），除了倒錐面嚙合長度的基本設計外，其倒錐面嚙合狀態(tài)也十分重要，這一點也最容易被忽視。其理想狀態(tài)是圓周方向所有的同步器齒套和檔位齒輪接合齒的花鍵齒都同時作用在最佳嚙合位置，但在零件制造及系統(tǒng)匹配誤差下，其只有一部分花鍵齒工作在最佳的嚙合作用位置。相關零件及影響因素如下。

1、同步器偏擺量控制：同步器齒套相對齒轂的最大偏擺量不能太小或太小，當同步器偏擺量過小時，齒轂與齒套之間的摩擦力增大，齒套不能順利向聯(lián)齒方向擺動，打破整體運轉平衡，慢慢的使齒套脫出倒錐作用范圍，造成脫檔;偏擺量過大時，齒套和檔位接合齒的嚙合偏擺過大，導致倒錐面接合嚙合較少而脫檔。同步器齒套和齒轂的配合間隙直接影響同步器偏擺，這就要求設計時需綜合考慮其花鍵齒M值配合及公差控制。

2、倒錐嚙合面花鍵齒齒形控制：涉及同步器齒套及檔位齒輪接合齒的花鍵齒配合，一是二者間的測隙過大，可以適當調整二者的M值來控制;二是同步器齒套及檔位齒輪接合齒的周節(jié)累積誤差過大，除了加強工藝控制外，在滿足傳遞強度的前提下，從設計角度去掉均布的幾個花鍵齒，來優(yōu)化周節(jié)累積誤差。

3、檔位齒輪偏擺變形控制：檔位齒輪在軸總成上的徑向及軸向間隙的存在直接影響其上檔位齒輪接合齒的偏擺，徑向間隙的設計控制需要綜合考慮檔位齒輪內徑同軸套或軸承的匹配。

4、總成系統(tǒng)剛度保證： 無論檔位齒輪還是同步器總成都是安裝在軸總成上，軸總成上的軸承安裝位置選取，需要考慮其最大撓度校核和設計，布置在最大撓度位置附近的檔位，會面臨更大的倒錐面嚙合狀態(tài)不佳的挑戰(zhàn)，需考慮更多的容差。

6 總結

從論述可見，影響變速器倒錐面防脫檔設計的因素很多，其中很多因素是系統(tǒng)關聯(lián)因素，設計時需綜合考慮選取。如遇到車輛出現(xiàn)脫檔，需要根據(jù)實際情況做具體分析排查，并針對性提出解決措施。

參考文獻：

[1]Naunhei-mer，H.汽車變速器理論基礎、選擇、設計及應用 ?[M]. 宋進佳等譯.北京：機械工業(yè)初版社，2014.1.

[2]王望予.汽車設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]陳家瑞.汽車構造（下冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社·2006.