換擋機(jī)構(gòu)、布置和同步器的設(shè)計

1、附錄9.換擋機(jī)構(gòu)、布置和同步器的設(shè)計Changingconnections車輛變速器需要特定裝置，以使傳動比及發(fā)動機(jī)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(qiáng)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

2、-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(jī)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(jī)構(gòu)有變速桿、四連桿機(jī)構(gòu)、遠(yuǎn)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(jī)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(jī)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

3、鎖止結(jié)構(gòu)的同步器f）伺服鎖定同步器機(jī)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19.19.1換擋元件的系統(tǒng)分類F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(jī)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(jī)構(gòu)選擋塊選擋桿球較四連桿裝置選擋軸回轉(zhuǎn)軸控制拉線線控?fù)Q擋范例3-滑塊式換擋機(jī)構(gòu)（MB020變速箱(VW圖9.4圖12.2(ZF)圖12.11(ZF)M凝速箱（VW圖12.5AS-TRONIC(ZF)圖12.18移位換擋叉變速撥叉活塞范

4、例圖12.7(ZF)圖12.2(ZF)圖12.5(wy引艾式自動變速器圖12.12（MB摩擦聯(lián)接單錐/多錐式擴(kuò)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(jī)構(gòu)變速桿在變速箱機(jī)體上（尤其常見于商用車）間接操縱機(jī)構(gòu)變速桿和變速器空間上相分離，遠(yuǎn)程換擋”。一機(jī)械式或纜索連接一輔助動力換擋（如氣動、液壓、電動/線控?fù)Q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?fù)Q擋”

5、裝置據(jù)預(yù)測到2010年會占西歐半自動和全自動變速器市場的20%份額?！?.159.1.1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(yīng)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77777777a）全齒形ZFb）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

6、目標(biāo)擋位的換擋套筒。掛擋時，移動目標(biāo)擋位齒輪進(jìn)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和球錢鏈2用于選擇擋位、傳遞操縱力。9門廣、YJT11/x、/IfXIf12Select變速桿推動換擋套筒，這片空間被認(rèn)為門開關(guān)。當(dāng)門開關(guān)選定時,變速桿選擇指3進(jìn)入撥叉軸4的凹梢中。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?？窟x擇變速

7、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(yīng)用于摩托車上。13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(yuǎn)程控制為機(jī)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.m和大眾-帕薩特MQ變速器（圖12.5）,四連桿機(jī)構(gòu)為鋼索遠(yuǎn)程換擋所取代，包括選檔纜索和掛擋纜索。圖9.45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.

8、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(qiáng)調(diào)了那些換擋時關(guān)鍵狀態(tài)。U掛身檔掛低檔超速型動力超速型水平路面OOOO上坡OO下坡OOO表格9.212種換擋可能狀態(tài)換擋時O非關(guān)鍵狀態(tài)吸關(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(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換頻率由電子控制

9、。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(jī)和變速器管理在【9.2中，我們區(qū)分:利用機(jī)械離合器觸發(fā)電子變速控制一遠(yuǎn)程電子換擋：外部裝置由伺服環(huán)路代替。一順序換擋裝置：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。一預(yù)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(jī)管理的電子變速系統(tǒng)一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(jī)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

10、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(xì)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)w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(jī)油，著名的如自動變速液（ATF）,已經(jīng)發(fā)展應(yīng)用到自動變速器中。b-通用專用類型a-福特專用類型b行駛速度v|

11、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w對于兩種不同類型潤滑液的特性曲線。當(dāng)我們使用a類型時，w隨著行駛速度的增大而減?。辉谶@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(dǎo)致動摩擦因數(shù)W隨行駛速度的增大而增大對于GME格，粘性因數(shù)要比滑動摩擦因數(shù)小。按照發(fā)動機(jī)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(xì)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(yīng)參閱相關(guān)文獻(xiàn)【9.3】。9.1.3

12、停車鎖當(dāng)發(fā)動機(jī)動力斷開時，裝有手動變速器的車輛除了應(yīng)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(jī)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vi3km/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

13、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(jìn)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(dǎo)軌13運動；3）在導(dǎo)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(dāng)車輛駐停時，或速度低于3km/h時，棘爪11進(jìn)入停車鎖止輪間隙中，強(qiáng)制鎖緊驅(qū)動輪，防止車輛移動。5）當(dāng)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(yīng)”就會發(fā)生。

14、一旦速度回落至限值以下，棘爪會與棘輪嚙合，阻止車輪進(jìn)一步的運動。6）當(dāng)任一擋位選定時，棘爪是不能進(jìn)入嚙合的，滾筒12回移入導(dǎo)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。1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.圓輻;13.導(dǎo)向槽；14.圓輻支座;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。199許，

15、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?；剞D(zhuǎn)式換擋擋塊能在具有相同圓周速度時，強(qiáng)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(jī)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（0三1.15）或者。擋位齒輪很小，例如摩托車的變速器商用車上，

16、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(jī)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(dāng)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(qiáng)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)

17、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)TheoreticalTheoreticalrotatingmassQISofthepartstobeaccelerated/Jreddecelerated,e.g.一Clutchplate,- ISwith1F- CSwith2h4and6t- Idlergears3and5rotatingmassy|1ofthevehicle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(jī)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

18、軸IS有不同角速度。當(dāng)主離合器全部接合時，=。直到換擋后一擋WM小于WM,max,才可以低掛入一擋。（見圖4.11“速度/發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線”）因此OS這種簡Shiftingdown21Acceleraterotatingmasses也占_U00>>號6仁<SAloca>E-nE仁父由03Shiftingup1>2Deceleraterotatingmasses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,角速度在換擋周期內(nèi)（滑移時間）可認(rèn)為不變，即Wos=常值化對于更精確的模型是不可接受的，例如上坡?lián)Q擋。圖upv,qdown.Timet12圖9.9同步過程角

19、速度曲線.3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3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w1=Wos-Ws,。（圖9.9）.反應(yīng)速度t1-t0后，同步過程于t1時刻發(fā)生。當(dāng)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(dāng)角速度同步時，鎖止裝置8停止換擋動彳接合套7與接合齒圈9

20、強(qiáng)制聯(lián)接，而無“棘輪效應(yīng)”。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(jī)械方案。9.2.3 滑動離合器式速度同步器機(jī)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。FGearshifteffortFnNormalforceaTaperangle/FrictionsurfacesdEffectivediameterdqNominaldiameterdeClutchdiameter1Clutchbody2Synchroniserring

21、withcounterfrictionsurfaceSlngle-1aperMulti-taperMulti-disc/=1,j>2a=6-7°-a=9-12力a=90口圖9.10機(jī)械同步器的常見形式及尺寸主要功能評價指標(biāo)機(jī)械方案1.同步速度低擋滑1«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啟工況卜口靠工作利用摩擦速度比較，作為相對速度3./、同步就鎖止未同步時換擋困難或耳、可能在/、同速度差卜有同樣的性能4.止確嚙合，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(biāo)定量數(shù)據(jù)5.操縱舒適性換擋力循環(huán)表9.46.所有工況口靠工作低溫；快速換擋極寒溫度卜；換擋時間小于0.1s7.