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）

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.Ⅲ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。