换挡机构、布置和同步器的设计

附录9. 换挡机构、布置和同步器的设计Changing connections 车辆变速器需要特定装置，以使传动比及发动机动力与经常行驶工况相匹配。动力匹配是车辆变速器四大主要功能之一。对于手动变速箱，驾驶员控制操纵换挡。而全自动变速箱，变速控制单元实现传动比变化。半自动变速箱可以减轻驾驶员的工作强度，这取决于其自动化程度（见章节 6.6 和 6.7） 。就自动变速器而言，驾驶员使用转换开关或变速杆控制一定功能，如空挡、倒档。在这里，不考虑 CVT 变传动比装置。换挡装置在驾驶员和车辆间起了重要作用。是决定操纵舒适性的关键因素。换挡装置的部件很大程度上取决于换挡时是否中断动力传递。所以我们同样见到章节 6.3.1-动力中断时换挡和 6.3.2-动力不中断时换挡。在下面的讨论中，我们加以区分如下： 内部换挡元件：变速器内部换挡机构有换挡选择杆、拨叉、同步器、带刹等 外部换挡元件：变速器外部换挡机构有变速杆、四连杆机构、 远程控制转换轴和缆索操纵装置。图 9.1 表示了内部换挡元件，齿轮啮合参与动力传动。区别在于形面锁止离合器（如牙嵌离合器）和摩擦式离合器（如多片离合器） 。事实上，由于内外部机构设计和联接种类是无限的，在本章只讲述基本组成部分。章节 12.1 至 12.4 考察了一些现有设计的典型例子。本章主要介绍同步器的设计和结构。图 9.1 变速器内部换挡机构a) 滑动齿轮b) 牙嵌离合器接合c) 销接合d) 无锁止结构的同步器e) 带锁止结构的同步器f) 伺服锁定同步器机构（波尔舍系统）g) 动力转换变速器中液压驱动的多盘离合器h) 行星齿轮中液压驱动的多盘制动器【9.1】9.1 换挡元件的系统分类下面的形态表给出了换挡元件的概况（表格 9.1）参数 结构（换挡元件）换挡力驱动形式 人力机械式 电控-液压式 电控-气压式 电磁式 簧储动力式范例 变速杆 自动变速器 图 9.1h商用车变速单元 图12.8电磁离合器 “按钮”选挡机构 选挡块选挡杆 球铰四连杆装置 选挡轴回转轴 控制拉线 线控换挡范例3-滑块式换挡机构（MB）020 变速箱（ VW）图9.4图12.2（ZF）图12.11（ZF）MQ 变速箱（VW）图12.5AS-TRONIC(ZF)图 12.18移位 换挡叉 变速拨叉 活塞范例 图 12.7(ZF)图12.2（ZF）图12.5（VW）可变式自动变速器图12.12（MB）摩擦联接 单锥/多锥式 扩张环 多盘式 带 制轮木范例 锥式同步器 波尔舍同步 器离合器、制动器 图6.27带图 6.24自由轮(自动) 图 6.27刚性锁止 牙 销 滑动齿轮 牵引销范例 图 9.1b,d,e,f 图 9.1c 图 9.1a 摩托车变速 箱表格 9.1 换挡元件形态表对于不同的换挡装置，我们区分为下面两种： 直接操纵机构变速杆在变速箱机体上（尤其常见于商用车）间接操纵机构变速杆和变速器空间上相分离， “远程换挡”。 机械式或缆索连接 辅助动力换挡（如气动、液压、电动/线控换挡）随着半自动变速箱日益增多，间接换挡控制装置会越来越普遍。如此“ 线控换挡 ”装置据预测到 2010 年会占西欧半自动和全自动变速器市场的 20%份额。 【9.15】9.1.1 动力中断状态下齿轮变速器换挡元件最简单的变速器类型是滑动齿轮（图 9.1a） 。这种齿轮不总是啮合状态，而是在需要时转入动力流中。滑动齿轮应用于乘用车和商用车变速器的倒挡上。图 9.2 非同步装置的啮合牙形a)全齿 形 ZF b)ZF 齿形 c)贝利埃齿形 d)偏转齿形（ 迈巴赫超越离合器）非同步常啮合传动常见于商用车变速器。常啮合齿轮对由球轴承和滚子轴承支承运动，经由滑动犬牙套筒（接合套） （图9.16）与变速器轴齿形锁止联接。凹割形齿形（图9.2）用以防止齿轮分离（掉挡） 。换挡包括选挡和挂挡两个动作。选挡时，选择目标挡位的换挡套筒。挂挡时，移动目标挡位齿轮进行动力传递。图9.3表示直接操纵式三位置同步器式变速器，就是这种换挡的例子。变速杆1和球铰链2用于选择挡位、传递操纵力。图9.3变速杆推动换挡套筒，这片空间被认为门开关。当门开关选定时，变速杆选择指3进入拨叉轴4的凹槽中。拨叉轴4在变速杆纵向力作用下轴向移动，从而挡位改变。叉形选挡杆6与换挡接合套7相联接。由于每个叉形选挡杆能挂上两个空套齿轮9的任何一个，拨叉轴4上的三个位置（两个终止位，一个中间位） ，由锁止装置5保证。如图所示，叉形选挡杆能轴向双向移动，并且绕一固定枢轴旋转。这被称为换挡拨叉。靠选择变速杆长度，换挡力可以减小，却要以增加换挡冲击为代价（见图12.2） 。在半自动和全自动变速器中，必须要保证，只有需要的挡位齿轮才参与动力传递。如鼓式换挡器就是为此用于半自动赛车变速箱。这种换挡器能绕两个方向旋转，操纵拨叉沿曲线路径运动。这种装置广泛应用于摩托车上。图9.4所示为外部换挡元件，和一些乘用车安装好的变速器横截面的内部换挡元件。远程控制为机械式四连杆结构。展示的换挡布置现用于大众-高尔夫 MK.和大众-帕萨特 MQ 变速器（图12.5） ，四连杆机构为钢索远程换挡所取代，包括选档缆索和挂挡缆索。图9.4 5挡变速箱换挡装置的正视/ 横向装配图（VW020 变速箱）1.五档拨叉； 2.选挡轴锁； 3.五档中止； 4.连接杆；5.前选挡连杆 6. 后选挡连杆；7.换挡控制杆； 8.延时控制杆；9.选挡杆轴承套； 10. 支承板； 11.变速杆支座； 12.五档末端挡板； 13.一/二档末端 挡板；在商用车多范围变速器，在分离器单元和范围转换器单元需要额外控制来换挡。常常在变速杆手柄处安装一个开关，控制气动阀门。表格9.2所示为换挡可能发生12种可能状态，强调了那些换挡时关键状态。挂高档 挂低档动力型 超速型 动力型 超速型水平路面 上坡 下坡 表格 9.2 12种换挡可能状态 换挡时 是非关键状态 是关键状态在重型商用车辆中，换挡常用伺服系统辅助以减少驾驶员操纵力。现有的压缩气系统也用于出发终端控制机构，转换频率由电子控制。驾驶员作用力减小的程度，取决于换挡的自动化程度（见表格6.12“自动化程度 ”和 13章“发动机和变速器管理”） 。在【9.2】中，我们区分： 利用机械离合器触发电子变速控制 远程电子换挡：外部装置由伺服环路代替。 顺序换挡装置：驾驶员只需选择升挡和降挡；电子控制系统利用智能协调帮助驾驶员换挡。 预选换挡装置：电控单元确定最优挡位，并且给出 换挡建议。换档动作靠踩踏离合器踏板引发。 自动离合器触发和发动机管理的电子变速系统 整个换挡过程都是电子控制的，换挡可以完全自动完成或由驾驶员初始控制。典型的换挡变速器动力中断时换挡机构设计将于12.1节“手动变速箱” 和12.2 节“ 半自动变速箱 ”讲述。9.1.2 换挡伴随动力非中断时的齿轮变速器换挡元件常规自动变速器，由液力变矩器和行星齿轮构成。换挡时，动力不中断，如同用于乘用车的全自动中间轴式齿轮变速器。在动力转换传送过程中，欲挂挡位齿轮和变速箱轴以摩擦形式联接。带刹、多片刹、多片离合器这些换挡元件将在6.6.3节仔细考察。已有的设计也将在12.3节呈现和讨论。利用摩擦，转矩在离合器和刹片中传递：因此接合面的动摩擦因数 对于变速系统运行和使用舒适性有很大影响。摩擦因数主要由以下因素影响： 运行速度 摩擦表面的温度 摩擦衬套的类型 润滑油和使用添加剂的种类专门的有机油，著名的如自动变速液（ATF） ，已经发展应用到自动变速器中。图 9.5 不同自动变速器润滑液下离合器或制动器摩擦特性结果摩擦性能及由此的液力变速器特性，因选择的摩擦衬片的种类及使用润滑液的类型的不同而变化很大。图9.5表示 对于两种不同类型润滑液的特性曲线。当我们使用 a 类型时， 随着行驶速度的增大而减小；在这里粘性因数要比滑动摩擦因数大。相反地，b类型中的添加剂却导致动摩擦因数 随行驶速度的增大而增大。对于 GM 规格，粘性因数要比滑动摩擦因数小。按照发动机性能所需的种类，车辆制造商选择了具有这种特性的润滑液。在动力换档变速器中，挡位变换需要详细的工程量，包括涉及的部件和摩擦润滑状况，以及软件方面的工程量（控制算法） 。读者相应参阅相关文献【9.3】 。9.1.3 停车锁当发动机动力断开时，装有手动变速器的车辆除了应用手刹保持静止外，还可挂入高传动比挡位来实现。这并不适用于装有液力变矩器的车辆，因为在车辆和发动机制动动力间无任何联系。因此带有液力变矩器的车辆设置“停车锁” ，以保证车辆静止，甚至在极端工况下。停车锁防止车辆的非人愿的运动，它是靠锁紧连接至驱动轮的变速器输出轴来实现。设计这样一个锁止系统需要： 防止从直至接近30%的坡度坡道上滚下； 安全功能：在 v3km/h 解除锁紧；锁止过程开始是由驾驶员操纵变速杆至空挡位置。在图12.2所示的变速器可以作为范例来说明常规自动变速器上停车锁的设计和功用。图9.6所示所示停车锁有一个径向锁止棘爪。移动变速杆1到空挡位置4有以下结果：1) 扇形棘轮板3绕轴线2与相连的变速杆同向旋转，直到弯曲弹簧5上滚筒进入空挡位置4；2) 与3相连的推拉杆7，推动滚筒12（套于7上）沿与输出轴8相平行的导轨13运动；3) 在导轨的末端，滚筒滚上圆筒支承14，向上压紧棘爪斜背。棘爪向上移动克服回位弹簧10阻力，直至与与停车锁止轮9啮合。9可以旋转，安装在输出轴上。4) 当车辆驻停时，或速度低于3km/h 时，棘爪11进入停车锁止轮间隙中，强制锁紧驱动轮，防止车辆移动。5) 当车辆速度高于3km/h 时，棘轮棘爪间由于牙侧角阻止了啮合，安装于推拉杆7上的压缩弹簧6被拉伸，只要车辆运动速度超过临界值3km/h，这种“棘轮效应”就会发生。一旦速度回落至限值以下，棘爪会与棘轮啮合，阻止车轮进一步的运动。6）当任一挡位选定时，棘爪是不能进入啮合的，滚筒12回移入导轨，棘爪解除约束向下移动，脱离停车锁止轮的咬合。这一过程由回位弹簧10协助完成。图9.6 带变矩器的自动变速器之辐状啮合锁止爪式停车锁1.自动选挡杆； 2.转换轴； 3.凹口盘； 4.停车点； 5.挠曲弹簧；6.压缩弹簧；7.推拉杆； 8.输出轴； 9.停车锁定轮； 10.回位弹簧； 11.锁止爪； 12.圆辊；13.导向槽； 14.圆辊支座；9.2 同步器的功能条件这节介绍变速器同步器，这一最重要的内部换挡元件。同步器换挡变速器换挡时动力中断，所有手动变速器的乘用车都有同步器。1993年，接近60%的商用车装备有同步器换档变速器，这提高了道路安全性（挂挡可随时实现）和使用舒适性。在高输入转矩大同步质量的大变速器中，同步器的寿命很关键，它决定了系统工作寿命。回转式换挡挡块能在具有相同圆周速度时，强制锁紧而无噪声。因而要求同步装置能在0.1-0.3秒内，最小力作用下，使将要联接部分的圆周速度相等，并阻止换挡，防止跳挡脱挡。多挡位的齿轮变速器可以以下面方式换挡同步: 每个单独挡位设同步装置 整体变速器设中央同步器（9.7节） 原动机实现速度同步（9.7节）省略不用同步器在技术上是可以的，如下情况： 挡位间有小的齿轮速比差（1.15）或者 挡位齿轮很小，例如摩托车的变速器商用车上，由于成本原因常取消同步器，且用以提高传动可靠性。不带同步器的变速箱工作粗暴。这是一个很重要的方面，尤其在第三世界的国家。机械啮合部件如图9.7所示，依靠摩擦，变速器轴（接合套在其上）和欲挂挡位的空转齿轮1的速度相匹配。当他们速度同步时，换挡元件啮合。这种同步器部件包含一个摩擦式常合离合器和一个强制锁止离合器（又见图4.3“主要离合器系统分类” ）图9.7 单锥同步器（ZF-B ），又见图9.121.空转齿轮，滚针轴承支撑； 2.同步轮毂， 带有齿圈和摩擦锥面；3.同步环，带有相对锥面和锁止齿；4.同步器主体，内用花 键与轴连接，外与接合套常啮合；5.接合套，有环形凹槽；6.变速器轴。9.2.1 挂挡过程本节讲述换挡过程，以一抽象二档中间轴式变速器车辆为例（图9.8）图9.8 换挡过程1、2、4、6为固定齿轮；3、5为空套齿轮； 7.带齿的接合套；8.锁紧机构； 9.挡位齿圈； 10.摩擦表面； 11.同步器主体；IS输入轴；OS输出轴； CS中间轴；二档时，随着车辆速度 v 降低，输入轴 IS 有不同角速度。当主离合器全部接合时， 。直到换挡后一挡 小于 ，才可MISwMwmax,以低挂入一挡。 （见图4.11“速度/发动机转速曲线” ）车辆转动惯量 J2比同步质量等效转动惯量 Jred 大的多，因此OS 角速度在换挡周期内（滑移时间）可认为不变，即 。这常 值osw种简化对于更精确的模型是不可接受的，例如上坡换挡。图图9.9 同步过 程角速度曲线. 增加或减小取决于换的换挡力和摩擦因数依据特定规律理想 曲线：a)递减的 b)线性的 c)递增的换挡起始时刻为 t0（图9.9） ，套装于输出轴的接合套7，以角速度 Wos 旋转且欲啮合齿轮空转轮5以角速度 Ws,o 旋转。角速度差为（图9.9）.反应速度 t1-t0后，同步过程于 t1时刻发生。o,s1w-当接合套7同步换挡时，换抵挡过程中空转轮5和与其相连的物体加速，角速度 W5按一定规律增加直至与 Wos 相等。在滑移时间 tR=t2-t1区间中，摩擦表面10以相对速度 Wrel=Wos-W5滑擦。相似的结论也适用于有一档高挂入二挡的过程。当角速度同步时，锁止装置8停止换挡动作，接合套7与接合齿圈9强制联接，而无“棘轮效应” 。9.2.2 主要功能和辅助作用表格9.3表示了同步器的主要功能和辅助作用，以及可能的机械方案。9.2.3 滑动离合器式速度同步器机械同步器包括速度同步器，其摩擦表面是平面、锥面和柱面设计。摩擦锥装置在乘用车和商用车变速器中都很常见。 （图9.10）驾驶员换挡作用力经由变速杆、拨叉和接合套，被锥环放大。图 9.10 机械同步器的常见形式及尺寸主要功能 评价指标 机械方案1.同步速度低挡滑擦时间 tR表9.4利用能量储存器 J2内部能流传递，动力流动通过摩擦锥面2.速度差决定同步速度在所有工况下可靠工作 利用摩擦速度比较，作为相对速度3不同步就锁止未同步时换挡困难或不可能 在不同速度差下有同样的性能4.正确啮合，传递动力换挡冲击尽可能小；防止跳挡 楔形牙型离合器辅助功能 评价指标 定量数据5.操纵舒适性 换挡力循环 表9.46.所有工况可靠工作低温；快速换挡极寒温度下；换挡时间小于0.1s7.过载能力 不能工作 疲劳试验8服务寿命 足够的机械和热承 受能力乘用车大于15万公里商用车大于80万公里9.效率同步质量同步时间极限性能设计允许压力值见表9.710.成本产品开发废件维修11.重量和空间布置限制减小体积，缩短换挡行程表格9.3 同步器的主副功用下面部分集中讨论锥式同步器。锥式同步器分为： 内锥式同步器 单锥式同步器，如 Borg-Warner 系统 多锥式同步器 外锥式同步器使用摩擦锥的同步器是一种特殊的带有光滑表面的摩擦离合器，所以应用相同的理论基础。法向力由换挡作用力 F 引起： （9.1）摩擦转矩 TR 由换挡作用力和动摩擦因数 导出：（9.2）这里 j 是摩擦面数，d/2=d0/2也常用于实际中。为了防止锥环自锁，半锥角 必须满足下式：tan (9.3)等式9.2提供了一些提高效率减小换挡力的出发点。相应，比起单锥式同步器，多锥式同步器仅需较小换挡力，或能提供较大的转矩容量。多片同步器有无磨阻的摩擦表面。有锥式装置，就不会有换挡作用力的适应。随着摩擦表面的增多，操控动力的能力增加，换挡作用力减小，但装置的总尺寸却增加。9.2.4 同步器尺寸图9.11表示了同步器的主要尺寸，摩擦表面的磨损常常是决定同步器寿命的因素。接合套换挡位移大约10-13mm。允许磨损量 Sper 一般为1-1.5mm。同步器装置的磨损裕量由Sper 扣除操作间隙而计算得到。对于锥式同步器，最大磨损V 大约为0.15mm。图9.11 尺寸关系图 b0为全轴向长度； d0为名义直径； dc 为齿圈直径；V 磨 损余量；Sper 允许磨损量（包括余隙）； s 接合套行程；V 同步环磨损量； 锥环半锥角；