手動變速器的匹配設計方法

◎文/韋文勝（安徽星瑞齒輪傳動有限公司）

變速器是汽車傳動系的一部分，變速器與整車匹配包括：動力性經(jīng)濟性匹配設計，分離系統(tǒng)匹配設計，選換檔操縱匹配設計，發(fā)動機接口及懸置匹配設計，變速器輸出接口匹配設計，變速器輸出信號匹配設計等。

一、變速器與整車匹配

變速器與整車匹配的一項重要指標是車輛動力性與經(jīng)濟性，車輛動力傳動系統(tǒng)的匹配是否合理對車輛動力性、燃油經(jīng)濟性有直接影響。動力傳動系統(tǒng)的優(yōu)化就是根據(jù)車輛的行駛條件及要求，將發(fā)動機的運行特性、傳動系的速比和車輪半徑等系統(tǒng)參數(shù)進行合理匹配及優(yōu)化，使發(fā)動機經(jīng)常運行的工作區(qū)與理想工作區(qū)相接近，以獲得最佳的動力性及燃油經(jīng)濟性。

1.整箱邊界條件的設定

變速器在xA,yA,zA三個方向上的尺寸要根據(jù)整車底盤空間布置來約束,保證變速器的最大外形與車身空隙大于經(jīng)驗值25mm。

2.傳動系的匹配設計數(shù)學模型

汽車動力匹配的核心問題是傳動系的速比如何確定。需要確定高檔總速比igh、低檔總速比igl、中間檔速比。

式中，vp—最大功率車速，np—發(fā)動機最大功率轉(zhuǎn)速，r—車輪滾動半徑。

確定最低檔傳動比iT1時，要考慮汽車最大爬坡度、驅(qū)動輪與路面附著力、汽車最低穩(wěn)定車速及主傳動比等。一般最低檔傳動比越大越好，特別是越野汽車，但最低檔傳動比大也會增加傳動系零部件的負荷，增大汽車的總質(zhì)量。

式中，iT1——變速器的一檔速比，idl——分動器的低檔速比，i0——主傳動器的速比。

當變速器的主減速器速比i0、車輪滾動半徑r最大總負荷G等均已選定的情況下，變速器的檔數(shù)則是越多越好。具體取多少個檔位要因不同車種及不同的使用條件而定，特別是要考慮車輛比功率的大小，下式給出一種根據(jù)比功率大小計算變速器前進檔數(shù)n的方法：

式中，q——公比，q=0.025λP+1.15，λP——比功率，kW/t。

確定一檔傳動比iT1和檔數(shù)n后，可確定檔位數(shù)及中間各檔速比的分配，所確定速比的原則應保證發(fā)動機在工作過程中保持良好的工作狀態(tài)，保證加速時間最短、加速強度最大。理論上，汽車各檔傳動比大體按等比級數(shù)和等差級數(shù)分配。

等比級數(shù)法，相鄰兩個檔位速比之比是一個常數(shù)，公比q=ik/ik+1。

按等比級數(shù)法確定的變速比，其加速過程如圖1所示。

圖1 等比級數(shù)法確定的變速比的加速過程圖

由圖1可知，在忽略合理換檔時機的情況下，其理想加速過程是折線abcdefg。然而，實際的加速過程則為粗折線所示。這是因為換檔時，車輛雖集其平動質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量之動能而滑行，但由于道路阻力、空氣阻力及發(fā)動機以外的各傳動部件的摩擦阻力影響，車速將降低一個△vk。

所謂等差級數(shù)法，就是相鄰檔位加速終了的車速差恒等于一個常數(shù)，即

由此可解得中間檔位的速比為：

按等差級數(shù)法確定的變速比idk值比按等比級數(shù)法確定的要小，越到高檔小得越多，其加速過程如圖2所示。在車輛加速過程中，發(fā)動機在各檔的轉(zhuǎn)速區(qū)間從低檔到高檔變小，加速平均功率由小到大。因而，各檔平均加速度變化較小，有利于高檔加速及提高平均車速和燃油經(jīng)濟性，特別是可延長發(fā)動機的壽命。如果高速檔平均功率過大，不利于低檔位加速。低檔位在發(fā)動機轉(zhuǎn)速過快換檔時，會有可能熄火。

由上分析，中間檔速比按等差級數(shù)法確定的方案，適合惡劣環(huán)境駕駛，且比功率又較低的汽車。

圖2 等差級數(shù)法加速過程圖

二、變速離合分離系統(tǒng)匹配設計

1.離合器殼孔位與發(fā)動機孔位匹配

變速器和發(fā)動機的連接是通過變速器前端的離合器殼上的安裝孔進行連接的，根據(jù)主機廠提供的發(fā)動機與變速器前箱體或離合器殼連接孔的結(jié)構(gòu)、大小以及孔位置尺寸。

2.輸入軸花鍵與離合器從動盤匹配

依據(jù)離合器從動盤轂花鍵參數(shù)、花鍵有效長度、花鍵起始位置等條件設計輸入軸花鍵參數(shù)及軸前端的結(jié)構(gòu)。保證離合器從動盤花鍵位置在輸入軸花鍵中部進行尺寸匹配校核。

3.分離軸承初始位置匹配

非常接觸式分離軸承與分離杠桿之間的間隙為2mm±1mm較為合適，反映在離合器踏板上的自由行程為30～40mm，自由行程太小會使分離杠桿與分離軸承處于常接合狀態(tài)。分離行程一般5.5～8.5mm較為合適。同時還需校驗分離撥叉的后備行程，一般保證4mm以上。

4.離合器殼內(nèi)腔干涉校核

離合器殼的口部內(nèi)腔直徑、結(jié)構(gòu)、深度根據(jù)飛輪最大直徑、飛輪高度、離合器蓋最大直徑、離合器蓋高度、啟動機大小直徑、啟動機高度要求來匹配設計。

三、選換檔操縱匹配設計

變速器外換檔操縱機構(gòu)分桿式操縱和軟軸拉絲操縱，操縱機構(gòu)與變速的連接通過選換檔軸上銷進行連接，匹配設計時軟裝拉絲與銷最好成垂直狀態(tài)。

四、懸置點匹配設計

由于發(fā)動機是一個振動源，車體也會受到路面等外在的各種干擾振動，合理設計懸置系統(tǒng)可以明顯改善動力總成及車體振動，改善汽車乘坐舒適性，也可以延長發(fā)動機及其他部件的壽命。

懸置點的數(shù)量根據(jù)動力總成的長度、質(zhì)量、用途和安裝方式等決定，懸置系統(tǒng)可以有三、四、五點懸置。一般在汽車上采用三點及四點懸置系統(tǒng)，因為在振動比較大時，如果懸置點增多，當車體變形時，有的懸置點會發(fā)生錯位，使發(fā)動機或懸置支架受力過大而造成損壞。

發(fā)動機前置前輪驅(qū)動汽車懸置布置見圖3。A點懸置（左懸置）與變速器連接布置，起到動力總成限位及支撐作用；B點懸置（右懸置）與發(fā)動機連接布置，可隔離發(fā)動機燃燒激振、慣性力激振及路面激振等；C點懸置（后懸置）與變速器連接布置，具有縱向限位、承受扭矩、行駛狀況限位等；D點懸置（前懸置）與變速器連接布置，具有縱向限位、承受扭矩、行駛狀況限位等。三點懸置為布置ABC點，優(yōu)點是不論汽車如何顛簸、跳動，總能保證各支撐點在一平面上，改善了發(fā)動機體的受力情況。四點懸置為布置ABCD點,能克服大扭矩反作用力，但不利于隔離低頻振動。

圖3 發(fā)動機前置前輪驅(qū)動汽車懸置布置圖

五、動力輸出匹配設計

變速器動力輸出的連接類型有法蘭盤連接和花鍵連接。

法蘭盤連接常用于縱置變速器，連接的零件是凸緣，如圖4所示。凸緣連接的匹配設計考慮，內(nèi)花鍵與輸出軸的匹配，一般采用小過盈配合，凸緣壓緊面需高于輸出軸上臺階，保證凸緣壓緊可靠。為了便于和傳動軸的連接，凸緣螺栓裝配時需保證位置度。

圖4 法蘭盤連接

花鍵連接是將輸出軸花鍵和傳動軸直接連到一起，傳動軸外徑通過后殼體油封密封，如圖5所示。

圖5 花鍵連接

六、電器設備匹配設計

變速器安裝電器元件包括里程表傳感器、倒車燈開關(guān)、空檔開關(guān)、發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速傳感器。里程表傳感器分接觸式和非接觸式兩種，匹配設計時考慮插接件結(jié)構(gòu)和尺寸；倒車燈開關(guān)、空檔開關(guān)匹配設計時考慮開關(guān)通斷位置點、倒車燈線長、倒車燈插接件結(jié)構(gòu)和尺寸；發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速傳感器匹配設計時考慮傳感器在變速器上的安裝位置。