【摘 要】变速器是汽车传动系统的重要部件，它直接影响到汽车的动力性、燃油经济性、换挡性能和动力传递可靠性，是决定现代汽车品质的关键零部件之一。换挡性能是乘用车性能的重要方面，与客户的驾驶乐趣和产品体验息息相关。文章从传统的机械式手动变速器出发，以同步器结构理论为基础，研究换挡性能中的平顺性部分。通过对几例卡滞失效的实例进行分析优化，为换挡系统集成开发工作提供参考和借鉴。
【关键词】手动变速器；同步器；换挡平顺性；换挡卡滞
【中图分类号】U463.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）06-0047-05
0 引言
近年来，随着人们生活水平的日渐提高，汽车工业迅猛发展。2015年，我国汽车市场销量达到2 459.76万辆，同比增长4.68%，汽车保有量达到历史最高的1.72亿辆。随着汽车的普及，各汽车生产企业的竞争越来越激烈。换挡性能作为整车感知质量的重要组成部分，直接影响到客户的满意度。因此，各汽车生产企业越来越重视换挡性能的开发研究。
1 同步器结构与建模
1.1 锁环式惯性同步器结构
锁环式惯性同步器依靠摩擦实现同步，因其结构紧凑的特点广泛地应用于轿车及轻型载货汽车。换挡时，施加在换挡球头上的换挡力经过换挡器、换挡拉锁及变速器内操纵机构的传递之后作用于同步器齿套。同步器齿套带动滑块推动同步环轴向移动，使同步环上的内锥面与接合齿上的外锥面接触。同步环与接合齿存在转速差，摩擦力矩使同步环旋转并超前接合齿转过一个角度，错开约半个齿厚。此时，同步器齿套的齿端倒角与同步环相应的齿端倒角正好互相抵触而不能进入啮合，即同步开始。由于摩擦力矩的作用，接合齿、空转齿轮的转速逐渐与同步环、同步器齿套的转速趋于一致。当摩擦力矩减小到一定程度后，同步器齿套拨开同步环与接合齿啮合，换挡完成。锁环式同步器结构如图1所示。
1.2 同步器力学模型建立
同步过程中，同步环在同步器齿套的推动下与接合齿接触并产生滑动摩擦。受力分析如下：
FN=
整理后，得：
（1）
公式（1）中：Fα为作用在同步器齿套上的换挡力；FN为换挡力垂直于摩擦面的法向分力；FR为锥面摩擦力；α为锥面角度；μs为工作锥面间的摩擦系数；Rs为锥面有效半径；TS为锥面上摩擦力矩。
同步器力学模型如图2所示。
同步过程中，同步器齿套上的倒角与同步环上的倒角相互接触，受力分析如下：
（2）
公式（2）中：F为径向拨环力；β为锁止角；Rt为锁止倒角花键有效半径；μt为锁止斜面间的滑动摩擦系数；Tt为同步拨环力矩。
根据同步器工作原理，同步未完成时拨环力矩不能大于摩擦力矩，即
TS /Tt≥1（3）
公式（3）被称为同步器锁止条件，是同步器功能实现的基础。
同步器容量定义为作用在同步器齿套上的单位轴向力所产生的同步力矩，是影响变速器动态换挡性能的重要设计指标。同步器容量越大，相同条件下需要作用于同步器齿套上的力就越小。根据公式（1）可得出同步器容量：
（4）
2 换挡平顺性分析
2.1 换挡性能分析方法
评价人员通过对样车的试乘试驾，从客户的角度对换挡性能进行评分并发现问题。换挡不平顺、换挡卡滞，是最常见的换挡性能问题之一，容易引发客户抱怨。换挡卡滞的类型繁多，原因复杂，表现却极其相似。有时，即使是汽车相关工程人员也难以通过表象进行辨识。
德国公司GIF开发的上汽通用五菱汽车股份有限公司GSA换挡分析系统及英国公司Ricardo开发的GSQA换挡性能评价系统广泛应用于变速器开发和换挡性能提升研究。在整车环境下，通过力与位移传感器从换挡球头位置收集客观数据，基于MATLAB和换挡原理进行系统分析。通常，分析项目按照整车是否运动分为静态换挡性能和动态换挡性能。静态换挡性能通常包括挡位位置、选换挡力、选换挡行程、刚度、间隙；动态换挡性能包括换挡冲量、换挡二次冲击、斜挂性能等。李益南工程师以GSQA系统为例，系统地介绍了换挡性能客观数据评价方法[3]。
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