柳州上汽汽车变速器有限公司 广西 柳州 545006
【摘要】 汽车在行驶过程中发生变速器脱档故障，会瞬间失去动力，严重威胁驾乘人员的安全。在了解汽车变速器挂挡原理和换挡系统的基础上，对引发变速器脱档故障的常见原因进行分析，并提出几种针对性的应对策略，从而降低变速器脱档故障的发生率，保障汽车行驶安全。
【关键词】 变速器 脱档 倒锥 拨叉 汽车
引言
变速器由变速传动机构和操纵机构组成，可以实现动力的平稳传递，并且根据换挡操作，控制汽车完成起步、加速、减速等操纵。变速器脱档是指在正常行驶过程中，当前档位突然脱离并跳至空挡，此时动力无法完成传递。如果是在高速行驶或正在爬坡，变速器脱档将会引发严重的交通事故。近年来，国内汽车保有量不断增加，探究汽车变速器脱档故障原因及其防控对策，对保证驾乘人员安全，以及汽车行业的发展都有重要意义。
1、变速器挂档工作原理
变速器外操纵机构由驾驶员座位附近的变速操纵杆、铰链、限位及防护装置、中间连接杆件等构成。变速操纵杆以球形铰链为支点使中间连接杆件随之前后、左右直线摆动，进而操纵变速器内部的操纵机构。变速器换档系统由操纵盖总成、拨叉轴、拨叉、齿套等组成（结构如图1所示）。换档开始前，同步器齿套处于空档位置，拨叉在外力的推动作用下，拨动齿套向目标档位移动。
预同步阶段，滑块钢球受齿套上滑块槽的内斜面作用产生水平分力，但是由于摩擦力大于水平分力，此时滑块与齿套虽然同时向目标档位平移，但是两者之间没有发生相对运动。由于滑块在前，因此滑块会首先到达目标档位。一段时间后，齿套也会逐渐移动并到达滑块间隙。此时滑块在目标档位方向上没有轴向间隙，处于静止状态。而齿套则继续作轴向运动，直到齿套与同步环锁止面重合，才停止运动。此时完成预同步。
啮合阶段，拨叉可以提供一个指向性的动力，推动齿套沿着力的方向逐渐靠近目标档位。齿套前进一段距离后，嵌入到齿锁止面上。由于齿套从运动状态切换到静止状态，会对齿锁止面产生推动力。推动力作用于齿锁止面后，其切向分力会带动啮合齿轮进行一定角度的转动，直到齿套与齿花键啮合。
锁止阶段，完成啮合后，齿轮固定不动，但是齿套会沿原来的方向继续保持移动，最终到达换挡行程重点。齿套与结合齿花键上均设置了倒锥结构，可以防止齿套脱离档位。
防脱档原理分析
整个变速器换挡系统中，设置了三个防脱档结构，分别是：齿套与结合齿倒推锁止结构；“王”字槽定位防止脱档；增加接合齿啮合有效长度结构。以下对这三种防脱档结构进行详细分析。
2.1 倒锥锁止结构
每次顺利完成换挡操作后，齿套倒锥都会与结合齿倒锥完美啮合，形成互锁结构，如图2所示。倒锥面的背面直接与汽车传动装置连接，并在动力传递过程中受到一个持续的压力F。该压力在倒锥面的正面开始进行分解，产生轴向和径向的两个分力。在理想状态下，轴向分力与花键分度圆半径呈反比例关系（如公式1所示），通过适当降低花键分度圆半径，可以增大轴向分力，以防止齿套脱出档位。但是在汽车实际运行中，还必须考虑倒锥面摩擦带来的影响，此时档位保持力的计算公式如（2）所示。在这种情况下，需要额外提供一个与档位方向相同的拖入力，来抵消摩擦力。
2.2 “王”字槽限位及定位套铜防脱档结构
本变速器采用一种“王”字槽限位及定位套铜防脱档结构新型设计，取消全统拨叉轴定位槽防脱结构设计。拨叉处于空档位置时，定位套铜的钢球定位在选换档限位凸轮“M”字的中间凹槽位置上，起到空档定位的作用，如图3所示；继续操作拨叉，使其按照原方向继续向前移动，并最终到达目标档位。此时，钢球位于“M”字槽的两侧，并沿斜面产生两个分力。其中一个分力垂直向下，另一个分力与斜面平行。平行方向上的分力可以起到阻止拨叉向空挡方向移动的效果，防止变速器脱档。
2.3 增加接合齿啮合有效长度
通过分析变速器结构可以发现，接合齿啮合的有效长度越长，则变速器的传动力矩越短，两者正好是反比关系。保持较短的传动力矩，可以辅助完成快速换挡，并且起到一定的档位保持作用。尤其是在爬坡阶段，可以有效防止脱档故障。可以尝试按照以下方式来增加结合齿啮合的有效长度：首先，正常状态下同步器齿套的结合齿，在齿套端面以下。可以将齿套端面作为基准，适当增加同步器齿套的长度，使其超出齿套端面2-3mm。这样既不会影响同步器的正常运行，又可以起到加固效果，避免变速器操作过程中出现齿套与接合齿相互脱离的情况。其次，还需要在同步器的锥形圆环上，设置一圈凸起的限位台。限位台的作用是嵌入到接合齿中，避免转动过程中出现打滑、脱离的问题。限位台的密度和高度都应当根据配套的齿套参数进行确定，以确保两者能够完美结合。
3 结束语
在一些使用年限较长的汽车中，脱档是一类比较常见的故障，由于脱档故障多发生于汽车行驶状态，如果驾驶员的驾驶经验不足，或是路况较为复杂，就容易引发交通事故。本文结合变速器脱档原因分析，提出了三种防止脱档的技术措施。对比来看，设置倒锥止锁结构可以起到较好的防脱档效果，并且在提升变速器运行稳定性方面也发挥了一定作用。另外还可以根据实际情况，采用增加倒锥有效啮合长度等措施，也可以起到增加互锁稳定性，避免脱档故障的效果。
参考文献：
[1] 高维山. 变速器[M]. 北京：人民交通出版社，2004:40-77
[2] 沈永胜. 机械原理[M]. 北京：清华大学出版社，2006.6
[3] 刘维信. 汽车设计. 北京：清华大学出版社，2001
论文作者:韦克
论文发表刊物:《科技新时代》2018年7期
论文发表时间:2018/9/12
标签：变速器论文; 档位论文; 分力论文; 结构论文; 汽车论文; 换挡论文; 故障论文; 《科技新时代》2018年7期论文;