換擋機構(gòu)、布置和同步器的設(shè)計

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附錄9. 換擋機構(gòu)、布置和同步器的設(shè)計Changing connections 車輛變速器需要特定裝置，以使傳動比及發(fā)動機動力與經(jīng)常行駛工況相匹配。動力匹配是車輛變速器四大主要功能之一。對于手動變速箱，駕駛員控制操縱換擋。而全自動變速箱，變速控制單元實現(xiàn)傳動比變化。半自動變速箱可以減輕駕駛員的工作強度，這取決于其自動化程度（見章節(jié) 6.6 和 6.7） 。就自動變速器而言，駕駛員使用轉(zhuǎn)換開關(guān)或變速桿控制一定功能，如空擋、倒檔。在這里，不考慮 CVT 變傳動比裝置。換擋裝置在駕駛員和車輛間起了重要作用。是決定操縱舒適性的關(guān)鍵因素。換擋裝置的部件很大程度上取決于換擋時是否中斷動力傳遞。所以我們同樣見到章節(jié) 6.3.1---動力中斷時換擋和 6.3.2---動力不中斷時換擋。在下面的討論中，我們加以區(qū)分如下：? 內(nèi)部換擋元件：變速器內(nèi)部換擋機構(gòu)有換擋選擇桿、撥叉、同步器、帶剎等? 外部換擋元件：變速器外部換擋機構(gòu)有變速桿、四連桿機構(gòu)、 遠程控制轉(zhuǎn)換軸和纜索操縱裝置。圖 9.1 表示了內(nèi)部換擋元件，齒輪嚙合參與動力傳動。區(qū)別在于形面鎖止離合器（如牙嵌離合器）和摩擦式離合器（如多片離合器） 。事實上，由于內(nèi)外部機構(gòu)設(shè)計和聯(lián)接種類是無限的，在本章只講述基本組成部分。章節(jié) 12.1 至 12.4 考察了一些現(xiàn)有設(shè)計的典型例子。本章主要介紹同步器的設(shè)計和結(jié)構(gòu)。圖 9.1 變速器內(nèi)部換擋機構(gòu)a) 滑動齒輪b) 牙嵌離合器接合c) 銷接合d) 無鎖止結(jié)構(gòu)的同步器e) 帶鎖止結(jié)構(gòu)的同步器f) 伺服鎖定同步器機構(gòu)（波爾舍系統(tǒng)）g) 動力轉(zhuǎn)換變速器中液壓驅(qū)動的多盤離合器h) 行星齒輪中液壓驅(qū)動的多盤制動器【9.1】9.1 換擋元件的系統(tǒng)分類下面的形態(tài)表給出了換擋元件的概況（表格 9.1）參數(shù) 結(jié)構(gòu)（換擋元件）換擋力驅(qū)動形式 人力機械式 電控-液壓式 電控-氣壓式 電磁式 簧儲動力式范例 變速桿 自動變速器 圖 9.1h商用車變速單元 圖12.8電磁離合器 “按鈕”選擋機構(gòu) 選擋塊選擋桿 球鉸四連桿裝置 選擋軸回轉(zhuǎn)軸 控制拉線 線控換擋范例3-滑塊式換擋機構(gòu)（MB）020 變速箱（ VW）圖9.4圖12.2（ZF）圖12.11（ZF）MQ 變速箱（VW）圖12.5AS-TRONIC(ZF)圖 12.18移位 換擋叉 變速撥叉 活塞范例 圖 12.7(ZF)圖12.2（ZF）圖12.5（VW）可變式自動變速器圖12.12（MB）摩擦聯(lián)接 單錐/多錐式 擴張環(huán) 多盤式 帶 制輪木范例 錐式同步器 波爾舍同步 器離合器、制動器 圖6.27帶圖 6.24自由輪(自動) 圖 6.27剛性鎖止 牙 銷 滑動齒輪 牽引銷范例 圖 9.1b,d,e,f 圖 9.1c 圖 9.1a 摩托車變速 箱表格 9.1 換擋元件形態(tài)表對于不同的換擋裝置，我們區(qū)分為下面兩種：? 直接操縱機構(gòu)變速桿在變速箱機體上（尤其常見于商用車）?間接操縱機構(gòu)變速桿和變速器空間上相分離， “遠程換擋”。― 機械式或纜索連接― 輔助動力換擋（如氣動、液壓、電動/線控換擋）隨著半自動變速箱日益增多，間接換擋控制裝置會越來越普遍。如此“ 線控換擋 ”裝置據(jù)預測到 2010 年會占西歐半自動和全自動變速器市場的 20%份額。 【9.15】9.1.1 動力中斷狀態(tài)下齒輪變速器換擋元件最簡單的變速器類型是滑動齒輪（圖 9.1a） 。這種齒輪不總是嚙合狀態(tài)，而是在需要時轉(zhuǎn)入動力流中?；瑒育X輪應用于乘用車和商用車變速器的倒擋上。圖 9.2 非同步裝置的嚙合牙形a)全齒 形 ZF b)ZF 齒形 c)貝利埃齒形 d)偏轉(zhuǎn)齒形（ 邁巴赫超越離合器）非同步常嚙合傳動常見于商用車變速器。常嚙合齒輪對由球軸承和滾子軸承支承運動，經(jīng)由滑動犬牙套筒（接合套） （圖9.16）與變速器軸齒形鎖止聯(lián)接。凹割形齒形（圖9.2）用以防止齒輪分離（掉擋） 。換擋包括選擋和掛擋兩個動作。選擋時，選擇目標擋位的換擋套筒。掛擋時，移動目標擋位齒輪進行動力傳遞。圖9.3表示直接操縱式三位置同步器式變速器，就是這種換擋的例子。變速桿1和球鉸鏈2用于選擇擋位、傳遞操縱力。圖9.3變速桿推動換擋套筒，這片空間被認為門開關(guān)。當門開關(guān)選定時，變速桿選擇指3進入撥叉軸4的凹槽中。撥叉軸4在變速桿縱向力作用下軸向移動，從而擋位改變。叉形選擋桿6與換擋接合套7相聯(lián)接。由于每個叉形選擋桿能掛上兩個空套齒輪9的任何一個，撥叉軸4上的三個位置（兩個終止位，一個中間位） ，由鎖止裝置5保證。如圖所示，叉形選擋桿能軸向雙向移動，并且繞一固定樞軸旋轉(zhuǎn)。這被稱為換擋撥叉。靠選擇變速桿長度，換擋力可以減小，卻要以增加換擋沖擊為代價（見圖12.2） 。在半自動和全自動變速器中，必須要保證，只有需要的擋位齒輪才參與動力傳遞。如鼓式換擋器就是為此用于半自動賽車變速箱。這種換擋器能繞兩個方向旋轉(zhuǎn)，操縱撥叉沿曲線路徑運動。這種裝置廣泛應用于摩托車上。圖9.4所示為外部換擋元件，和一些乘用車安裝好的變速器橫截面的內(nèi)部換擋元件。遠程控制為機械式四連桿結(jié)構(gòu)。展示的換擋布置現(xiàn)用于大眾--高爾夫 MK.Ⅲ和大眾--帕薩特 MQ 變速器（圖12.5） ，四連桿機構(gòu)為鋼索遠程換擋所取代，包括選檔纜索和掛擋纜索。圖9.4 5擋變速箱換擋裝置的正視/ 橫向裝配圖（VW020 變速箱）1.五檔撥叉； 2.選擋軸鎖； 3.五檔中止； 4.連接桿；5.前選擋連桿 6. 后選擋連桿；7.換擋控制桿； 8.延時控制桿；9.選擋桿軸承套； 10. 支承板； 11.變速桿支座； 12.五檔末端擋板； 13.一/二檔末端 擋板；在商用車多范圍變速器，在分離器單元和范圍轉(zhuǎn)換器單元需要額外控制來換擋。常常在變速桿手柄處安裝一個開關(guān)，控制氣動閥門。表格9.2所示為換擋可能發(fā)生12種可能狀態(tài)，強調(diào)了那些換擋時關(guān)鍵狀態(tài)。掛高檔 掛低檔動力型 超速型 動力型 超速型水平路面 ○ ○ ○ ○上坡 ● ○ ● ○下坡 ○ ○ ○ ●表格 9.2 12種換擋可能狀態(tài) 換擋時○ 是非關(guān)鍵狀態(tài) ●是關(guān)鍵狀態(tài)在重型商用車輛中，換擋常用伺服系統(tǒng)輔助以減少駕駛員操縱力?，F(xiàn)有的壓縮氣系統(tǒng)也用于出發(fā)終端控制機構(gòu)，轉(zhuǎn)換頻率由電子控制。駕駛員作用力減小的程度，取決于換擋的自動化程度（見表格6.12“自動化程度 ”和 13章“發(fā)動機和變速器管理”） 。在【9.2】中，我們區(qū)分：? 利用機械離合器觸發(fā)電子變速控制― 遠程電子換擋：外部裝置由伺服環(huán)路代替。― 順序換擋裝置：駕駛員只需選擇升擋和降擋；電子控制系統(tǒng)利用智能協(xié)調(diào)幫助駕駛員換擋。― 預選換擋裝置：電控單元確定最優(yōu)擋位，并且給出 換擋建議。換檔動作靠踩踏離合器踏板引發(fā)。? 自動離合器觸發(fā)和發(fā)動機管理的電子變速系統(tǒng)― 整個換擋過程都是電子控制的，換擋可以完全自動完成或由駕駛員初始控制。典型的換擋變速器動力中斷時換擋機構(gòu)設(shè)計將于12.1節(jié)“手動變速箱” 和12.2 節(jié)“ 半自動變速箱 ”講述。9.1.2 換擋伴隨動力非中斷時的齒輪變速器換擋元件常規(guī)自動變速器，由液力變矩器和行星齒輪構(gòu)成。換擋時，動力不中斷，如同用于乘用車的全自動中間軸式齒輪變速器。在動力轉(zhuǎn)換傳送過程中，欲掛擋位齒輪和變速箱軸以摩擦形式聯(lián)接。帶剎、多片剎、多片離合器這些換擋元件將在6.6.3節(jié)仔細考察。已有的設(shè)計也將在12.3節(jié)呈現(xiàn)和討論。利用摩擦，轉(zhuǎn)矩在離合器和剎片中傳遞：因此接合面的動摩擦因數(shù) μ對于變速系統(tǒng)運行和使用舒適性有很大影響。摩擦因數(shù)主要由以下因素影響：○ 運行速度○ 摩擦表面的溫度○ 摩擦襯套的類型○ 潤滑油和使用添加劑的種類專門的有機油，著名的如自動變速液（ATF） ，已經(jīng)發(fā)展應用到自動變速器中。圖 9.5 不同自動變速器潤滑液下離合器或制動器摩擦特性結(jié)果摩擦性能及由此的液力變速器特性，因選擇的摩擦襯片的種類及使用潤滑液的類型的不同而變化很大。圖9.5表示 μ 對于兩種不同類型潤滑液的特性曲線。當我們使用 a 類型時，μ 隨著行駛速度的增大而減小；在這里粘性因數(shù)要比滑動摩擦因數(shù)大。相反地，b類型中的添加劑卻導致動摩擦因數(shù) μ 隨行駛速度的增大而增大。對于 GM 規(guī)格，粘性因數(shù)要比滑動摩擦因數(shù)小。按照發(fā)動機性能所需的種類，車輛制造商選擇了具有這種特性的潤滑液。在動力換檔變速器中，擋位變換需要詳細的工程量，包括涉及的部件和摩擦潤滑狀況，以及軟件方面的工程量（控制算法） 。讀者相應參閱相關(guān)文獻【9.3】 。9.1.3 停車鎖當發(fā)動機動力斷開時，裝有手動變速器的車輛除了應用手剎保持靜止外，還可掛入高傳動比擋位來實現(xiàn)。這并不適用于裝有液力變矩器的車輛，因為在車輛和發(fā)動機制動動力間無任何聯(lián)系。因此帶有液力變矩器的車輛設(shè)置“停車鎖” ，以保證車輛靜止，甚至在極端工況下。停車鎖防止車輛的非人愿的運動，它是靠鎖緊連接至驅(qū)動輪的變速器輸出軸來實現(xiàn)。設(shè)計這樣一個鎖止系統(tǒng)需要：○ 防止從直至接近30%的坡度坡道上滾下；○ 安全功能：在 v≧3km/h 解除鎖緊；鎖止過程開始是由駕駛員操縱變速桿至空擋位置。在圖12.2所示的變速器可以作為范例來說明常規(guī)自動變速器上停車鎖的設(shè)計和功用。圖9.6所示所示停車鎖有一個徑向鎖止棘爪。移動變速桿1到空擋位置4有以下結(jié)果：1) 扇形棘輪板3繞軸線2與相連的變速桿同向旋轉(zhuǎn)，直到彎曲彈簧5上滾筒進入空擋位置4；2) 與3相連的推拉桿7，推動滾筒12（套于7上）沿與輸出軸8相平行的導軌13運動；3) 在導軌的末端，滾筒滾上圓筒支承14，向上壓緊棘爪斜背。棘爪向上移動克服回位彈簧10阻力，直至與與停車鎖止輪9嚙合。9可以旋轉(zhuǎn)，安裝在輸出軸上。4) 當車輛駐停時，或速度低于3km/h 時，棘爪11進入停車鎖止輪間隙中，強制鎖緊驅(qū)動輪，防止車輛移動。5) 當車輛速度高于3km/h 時，棘輪棘爪間由于牙側(cè)角阻止了嚙合，安裝于推拉桿7上的壓縮彈簧6被拉伸，只要車輛運動速度超過臨界值3km/h，這種“棘輪效應”就會發(fā)生。一旦速度回落至限值以下，棘爪會與棘輪嚙合，阻止車輪進一步的運動。6）當任一擋位選定時，棘爪是不能進入嚙合的，滾筒12回移入導軌，棘爪解除約束向下移動，脫離停車鎖止輪的咬合。這一過程由回位彈簧10協(xié)助完成。圖9.6 帶變矩器的自動變速器之輻狀嚙合鎖止爪式停車鎖1.自動選擋桿； 2.轉(zhuǎn)換軸； 3.凹口盤； 4.停車點； 5.撓曲彈簧；6.壓縮彈簧；7.推拉桿； 8.輸出軸； 9.停車鎖定輪； 10.回位彈簧； 11.鎖止爪； 12.圓輥；13.導向槽； 14.圓輥支座；9.2 同步器的功能條件這節(jié)介紹變速器同步器，這一最重要的內(nèi)部換擋元件。同步器換擋變速器換擋時動力中斷，所有手動變速器的乘用車都有同步器。1993年，接近60%的商用車裝備有同步器換檔變速器，這提高了道路安全性（掛擋可隨時實現(xiàn)）和使用舒適性。在高輸入轉(zhuǎn)矩大同步質(zhì)量的大變速器中，同步器的壽命很關(guān)鍵，它決定了系統(tǒng)工作壽命。回轉(zhuǎn)式換擋擋塊能在具有相同圓周速度時，強制鎖緊而無噪聲。因而要求同步裝置能在0.1--0.3秒內(nèi)，最小力作用下，使將要聯(lián)接部分的圓周速度相等，并阻止換擋，防止跳擋脫擋。多擋位的齒輪變速器可以以下面方式換擋同步:○ 每個單獨擋位設(shè)同步裝置○ 整體變速器設(shè)中央同步器（9.7節(jié)）○ 原動機實現(xiàn)速度同步（9.7節(jié)）省略不用同步器在技術(shù)上是可以的，如下情況：○ 擋位間有小的齒輪速比差（φ≦1.15）或者○ 擋位齒輪很小，例如摩托車的變速器商用車上，由于成本原因常取消同步器，且用以提高傳動可靠性。不帶同步器的變速箱工作粗暴。這是一個很重要的方面，尤其在第三世界的國家。機械嚙合部件如圖9.7所示，依靠摩擦，變速器軸（接合套在其上）和欲掛擋位的空轉(zhuǎn)齒輪1的速度相匹配。當他們速度同步時，換擋元件嚙合。這種同步器部件包含一個摩擦式常合離合器和一個強制鎖止離合器（又見圖4.3“主要離合器系統(tǒng)分類” ）圖9.7 單錐同步器（ZF-B ），又見圖9.121.空轉(zhuǎn)齒輪，滾針軸承支撐； 2.同步輪轂， 帶有齒圈和摩擦錐面；3.同步環(huán)，帶有相對錐面和鎖止齒；4.同步器主體，內(nèi)用花 鍵與軸連接，外與接合套常嚙合；5.接合套，有環(huán)形凹槽；6.變速器軸。9.2.1 掛擋過程本節(jié)講述換擋過程，以一抽象二檔中間軸式變速器車輛為例（圖9.8）圖9.8 換擋過程1、2、4、6為固定齒輪；3、5為空套齒輪； 7.帶齒的接合套；8.鎖緊機構(gòu)； 9.擋位齒圈； 10.摩擦表面； 11.同步器主體；IS—輸入軸；OS—輸出軸； CS—中間軸；二檔時，隨著車輛速度 v 降低，輸入軸 IS 有不同角速度。當主離合器全部接合時， 。直到換擋后一擋 小于 ，才可MISw?Mwmax,以低掛入一擋。 （見圖4.11“速度/發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線” ）車輛轉(zhuǎn)動慣量 J2比同步質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動慣量 Jred 大的多，因此OS 角速度在換擋周期內(nèi)（滑移時間）可認為不變，即 。這常 值?osw種簡化對于更精確的模型是不可接受的，例如上坡?lián)Q擋。圖圖9.9 同步過 程角速度曲線.ω 增加或減小取決于換的換擋力和摩擦因數(shù)依據(jù)特定規(guī)律理想 ω曲線：a)遞減的 b)線性的 c)遞增的換擋起始時刻為 t0（圖9.9） ，套裝于輸出軸的接合套7，以角速度 Wos 旋轉(zhuǎn)且欲嚙合齒輪空轉(zhuǎn)輪5以角速度 Ws,o 旋轉(zhuǎn)。角速度差為（圖9.9）.反應速度 t1-t0后，同步過程于 t1時刻發(fā)生。o,s1w-??當接合套7同步換擋時，換抵擋過程中空轉(zhuǎn)輪5和與其相連的物體加速，角速度 W5按一定規(guī)律增加直至與 Wos 相等。在滑移時間 tR=t2-t1區(qū)間中，摩擦表面10以相對速度 Wrel=Wos-W5滑擦。相似的結(jié)論也適用于有一檔高掛入二擋的過程。當角速度同步時，鎖止裝置8停止換擋動作，接合套7與接合齒圈9強制聯(lián)接，而無“棘輪效應” 。9.2.2 主要功能和輔助作用表格9.3表示了同步器的主要功能和輔助作用，以及可能的機械方案。9.2.3 滑動離合器式速度同步器機械同步器包括速度同步器，其摩擦表面是平面、錐面和柱面設(shè)計。摩擦錐裝置在乘用車和商用車變速器中都很常見。 （圖9.10）駕駛員換擋作用力經(jīng)由變速桿、撥叉和接合套，被錐環(huán)放大。圖 9.10 機械同步器的常見形式及尺寸主要功能 評價指標 機械方案1.同步速度低擋滑擦時間 tR表9.4利用能量儲存器 J2內(nèi)部能流傳遞，動力流動通過摩擦錐面2.速度差決定同步速度在所有工況下可靠工作 利用摩擦速度比較，作為相對速度3．不同步就鎖止未同步時換擋困難或不可能 在不同速度差下有同樣的性能4.正確嚙合，傳遞動力換擋沖擊盡可能小；防止跳擋 楔形牙型離合器輔助功能 評價指標 定量數(shù)據(jù)5.操縱舒適性 換擋力循環(huán) 表9.46.所有工況可靠工作低溫；快速換擋極寒溫度下；換擋時間小于0.1s7.過載能力 不能工作 疲勞試驗8．服務壽命 足夠的機械和熱承 受能力乘用車大于15萬公里商用車大于80萬公里9.效率同步質(zhì)量同步時間極限性能設(shè)計允許壓力值見表9.710.成本產(chǎn)品開發(fā)廢件維修11.重量和空間布置限制減小體積，縮短換擋行程表格9.3 同步器的主副功用下面部分集中討論錐式同步器。錐式同步器分為：○ 內(nèi)錐式同步器― 單錐式同步器，如 Borg-Warner 系統(tǒng)― 多錐式同步器○ 外錐式同步器使用摩擦錐的同步器是一種特殊的帶有光滑表面的摩擦離合器，所以應用相同的理論基礎(chǔ)。法向力由換擋作用力 F 引起： （9.1）摩擦轉(zhuǎn)矩 TR 由換擋作用力和動摩擦因數(shù) μ 導出：（9.2）這里 j 是摩擦面數(shù)，d/2=d0/2也常用于實際中。為了防止錐環(huán)自鎖，半錐角 α 必須滿足下式：tanαμ (9.3)等式9.2提供了一些提高效率減小換擋力的出發(fā)點。相應，比起單錐式同步器，多錐式同步器僅需較小換擋力，或能提供較大的轉(zhuǎn)矩容量。多片同步器有無磨阻的摩擦表面。有錐式裝置，就不會有換擋作用力的適應。隨著摩擦表面的增多，操控動力的能力增加，換擋作用力減小，但裝置的總尺寸卻增加。9.2.4 同步器尺寸圖9.11表示了同步器的主要尺寸，摩擦表面的磨損常常是決定同步器壽命的因素。接合套換擋位移大約10-13mm。允許磨損量 △Sper 一般為1-1.5mm。同步器裝置的磨損裕量由△Sper 扣除操作間隙而計算得到。對于錐式同步器，最大磨損△V 大約為0.15mm。圖9.11 尺寸關(guān)系圖 b0為全軸向長度； d0為名義直徑； dc 為齒圈直徑；△V 磨 損余量；△Sper 允許磨損量（包括余隙）； s 接合套行程；△V 同步環(huán)磨損量；α 錐環(huán)半錐角；