某乘用车用手动变速器性能提升
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1 原因分析
利用质量管理工具中的故障树分析法（FTA）， 对可能导致整车选换挡性能差的原因进行了多层 次的详细分析，其故障树分析如图 1 所示。
收稿日期：2015－04－03 修回日期：2015－04－13
整车选挡性能差
变速器换挡性能差
变速操纵机 构性能不稳
选换挡拉丝性能差
变变齿 速速轮 器器同 速选步 比换器 分挡设 配轴计 不设不 合计合 理不理
统布置图片。
表 1 测试设备 Tab.1 Test Equipment
序号 1 2 3 4
设备名称 3 平面位移传感器
3 方向力传感器 数据采集仪
GSA 分析软件
在车内安装 GSA 硬件 通过数据采集仪记录数据
0．7 0．73
0．58 1．2 1．5
滑移套结合齿 优化前
齿轮结合齿 同步器结合齿
0．36
0 引言
随着乘用车保有量的逐年增加， 人们越来越 注重乘用车“人性化设计”的感受，用户对选换挡 品质的要求也越来越高。 在城市工况下，由于换挡 频繁造成驾驶员的疲劳直接影响到行驶安全。 因 而驾驶员对于选换挡性能的舒适性十分敏感，此 项性能直接影响到驾驶员对某款车型的评价。 本 文主要是针对某款搭载 5 挡手动变速器乘用车在 实际使用过程中，存在选换挡性能差问题（主要表 现 为 ：1、换 挡 行 程 偏 大 ；2、选 挡 回 位 性 能 差 3、五 挡换挡吸入 感差；4、高挡 位二次冲击 明显），通过 改进变速器结构等相关措施，以及 GSA 选换挡性 能测试验证，最终改善整车换挡操纵性能。
齿轮结合齿
同步器结合齿
试，测试流程及测试原理如下： （1） 将 3 平面位移传感器及 3 方向力传感器
按图示位置进行安装。 （2） 将测试过程中数据通过数据采集仪进行
记录。 （3）GSA 采集软件将 测试数据转 变成可 直 接
读取的信息。 （4）GSA 分析软件对 换挡特性进 行分析 得 出
选换挡曲线[6]。 表 1 为测试设备， 图 8 为测试流程及测试系
1
3
5
1
3
5
显）。 图中曲线斜率表明吸入感大小程度，斜率值 越大，则吸入感越强。
（4）2、3、4、5 挡二次冲击 优化：将 2、3、4、5 挡 结合齿改为不对称齿后，二次冲击消除。 如图 12 所示。
64 mm 65 mm
63 mm
77 mm
79 mm
78 mm
二次冲击点
二次冲击消除
N
NLeabharlann Baidu
选挡力 ／ N
加位弹簧 1 选换挡轴
加位弹簧 2
图 4 弹簧回位结构 Fig.4 Spring return structure
换挡拨头
S1 S2
U 形凹槽 选换挡轴
壳体定位销 空挡位置
拨头行程 d
换挡拨块
图 2 换挡拨头、拨块配合示意图 Fig.2 The installation of selector fork
选挡力 ／ N
66 mm 68 mm
67 mm
86 mm
86 mm
86 mm
2
4
R
2
4
R
图 9 换挡行程测试 Fig.9 Shift schedule test
（2）选 挡 回 位 性 优 化 ，见 图 10。 根 据 设 计 经 验，选挡回位力大于零线表现为回位性能较好。 在 选挡回位力、行程曲线上可以看出，优化前回位力 处于零线以下，即选挡力为负值，回位性能较差。 优化后选挡回位力处于零线以上， 选挡回位性能 明显提升。
定位销结构，优化拨叉轴上定位凹槽角度，结合齿改为不对称齿等措施有效解决了问题，提升了整车换挡性能，
并为后期解决类似问题提供参考依据。
［关键词］ 变速器；选换挡机构；优化设计
［中图分类号］ U463．212
［文献标志码］ B
［文章编号］ 1673-3142(2015)07-0080-04
Performance Improvement of A Passenger Car Transmission
某乘用车用手动变速器性能提升
王志强，王涛，李光明，孙晋松，焦红莲，于尧
（230601 安徽省 合肥市 江淮汽车股份有限公司 技术中心）
［摘要］ 针对某乘用车换挡性能较差问题，通过对各种影响因素进行详细的故障树分析，其根本原因为变速器内
部选换挡机构和拨叉轴结构存在设计缺陷。 经过理论分析及试验验证，通过优化选换挡机构上拨头长度及选挡
回位力
回位力
零线
零线
选挡力 ／ N 选挡力 ／ N
选挡行程 ／ mm
选挡行程 ／ mm
改进前
改进后
图 10 选挡回位性能测试
Fig.10 Return performance test
（3）5 挡吸入感优化，见图 11。 根据 5 挡换挡 力、行程曲线可以看出，优化前 5 挡换挡力处于零 线以上，吸入感表现较差（换挡曲线换挡力位于零 线以上，则吸入感表现不明显）。 优化后吸入感提 升明显（换挡曲线换挡力为负值，则吸入感表现明
合
理
变变 速速 操操 纵纵 机机 构构 杠刚 杆度 匹差 配 不 合 理
图 1 故障树分析
选
选
换
换
挡
挡
拉
拉
丝
丝
走
润
向
滑
设
性
计
能
不
差
合 理
，内 部
阻
力
大
Fig．1 The analysis of fault tree
从图 1 可以看出， 对选换挡力和行程有影响 的主要零部件有变速器本身、 选换挡拉丝和变速 操纵机构等[1]。 通过对上面分析的各个因素进行分 析和调查， 发现选换挡拉丝的效率以及操纵机构 本 身 的 结 构 、 性 能 和 标 杆 车/竞 品 车 相 近 ， 故 认 为 选换挡拉丝以及操纵机构对整车的选换挡性能影
2．2 改进定位销凹槽结构优化选挡回位性能 原选挡回位结构为弹簧回位结构 （如图 4），
选换挡轴的轴向运动为选挡动作， 通过回位弹簧 1、回位弹簧 2 对于选换挡轴的推、拉力实现选挡 回位。 这种结构选挡手感一般，并且整车布置情况 下受选换挡轴自身的重力影响，整体性能较差。 优 化后选换挡轴上应用定位销凹槽配合结构， 通过 安装在变速器壳体上的定位销与选换挡轴上 U 形凹槽配合，定位销顶端钢球内部具有弹簧结构， 可以伸缩。 当钢球位于 U 形凹槽底部时，变速器 处于空挡位置， 当选换挡轴左右运动进行选挡动 作后，定位销钢球与 U 形凹槽的斜面配合，提供 回位力。 这种结构很好地提升了选挡回位性能，优 化后结构如图 5。
第 53 卷 第 7 期 Vol． 53 No． 7
农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL E农Q业UI装PM备EN与T车&辆V工EH程ICLE ENGINEERING
2015 年 7 月 Ju2ly012501年5
doi：10．3969 ／ j．issn．1673－3142．2015．07．018
1．2
1．5
通过 GSA 分析软件对 换挡特性进行分析
GSA 采集软件将模 拟信号转变成可直 接读取的信息
0．87
1．03
0．37
滑移套结合齿
优化后 图 7 结合齿倒角优化 Fig.7 The improvement of combining tooth
根据计算结果，相同情况下，齿轮结合齿的不 对称结构对空行程的减小影响很大。 同时，不对称 齿轮结合齿还能减小二次冲击发生面的接触面 积，从而减小二次冲击发生的几率。 优化高挡位二 次冲击。
二次冲击为换档过程中同步器结合后结合齿
82
农业装备与车辆工程
2015 年
图 6 拨叉轴凹槽形状优化 Fig.6 The improvement of fork shaft
相互啮合产生。 将 2、3、4、5 挡结合齿改为不对称结 构来减轻二次冲击现象。 如图 7，对齿轮结合齿[4]、 同步器结合齿及滑移套结合齿更改为不对称结 构，减小同步过程完成后滑移套的空行程。
针对各个挡位换挡行程偏大的问题， 对变速 器选换挡轴上换挡拨头长度尺寸加大（即尺寸 S1， 加大尺寸为 L)，见图 2。 加长后选换挡轴上换挡拨 头长度为(S1+L),同 样换挡行程 （即 拨 头 行 程 d）情 况 下 ， 加 长 换 挡 拨 头 后 的 选 换 挡 轴 摆 角 值 α2＜α1 （原状态换挡拨头摆角）， 即变速器上换挡摇臂摆 角相应减小， 同时换挡拨块上内凹槽尺寸做相应 加大，从而达到换挡行程减小的目的（见图 3）。
3 测试验证
测试系统采用德国 GIF 公司生产的换挡分析 系 统 （GSA） 对 改 进 前 后 的 变 速 器 进 行 换 挡 性 能 测
3 平面位移传感器
3 方向力传感器
图 8 测试系统布置及测试流程 Fig.8 The assembly of test system and test process
第 53 卷第 7 期
王志强 等： 某乘用车用手动变速器性能提升
81
响不大，不做整改。 所以变速器本身的选换挡性能 是本次整改的重点。 经过分析造成选换挡性能不 好的主要原因为变速箱内部选换挡机构和同步器 结 构 存 在 缺 陷[2]。
2 制定措施
通过调查标杆车、竞品车的选换挡数据，设定 整 改 目 标 ：（1） 解 决 换 挡 行 程 偏 大 问 题 ；（2） 优 化 选 挡 回 位 性 能 ；（3）改 善 五 挡 换 挡 吸 入 感 ；（4）优 化 高 挡位二次冲击。 通过 FTA 分析可以得知，对选换 挡性能的主要影响因素是变速器本身， 故我们对 变 速 器 进 行 整 改 [3]。 2．1 增加换挡拨头长度，减小整体换挡行程
α1 α2
S1
L
图 3 原理图 Fig.3 Schematic diagram
图 5 定位销 U 形槽回位结构 Fig.5 Positioning pin return structure
2．3 优化五挡拨叉轴上凹槽角度改善五挡换挡吸入感 吸入感是由拨叉轴上凹槽角度与换挡轴上 M
槽角度共同作用决定的[5]，如图 6。 由于 M 槽角度 设置是对所有挡位都统一的， 所以只调整 5 挡吸 入感时，须单独调整 5 挡拨叉轴凹槽。 拨叉轴凹槽 角度对整车换挡曲线斜率有较大影响， 对拨叉轴 上 5 挡凹槽下沉尺寸进行加大，提升 5 挡吸入感。 2．4 优化结合齿结构减轻二次冲击
Wang Zhiqiang， Wang Tao， Li Guangming， Sun Jinsong， Jiao Honglian， Yu Yao （Technology Center，Anhui Jianghuai Automobile Co．， Ltd．，Heifei City，Anhui Province 230601，China） ［Abstract］ Aiming to the poor shift performance problems of a car， through fault tree analysis of various influence factors in detail， the fundamental reason is that the inside shift mechanism of the gearbox and fork shaft structure design have flaws． Through theoretical analysis and test， by measures such as increasing the locating pin structure and changing the length of the selector fork，and improving the groove angle of the fork shaft， using the asymmetric combining tooth， the problems are effectively solved． The transmission performance of the vehicle is improved and reference basis is provided to solve similar problems in future． ［Key words］ transmission； shift mechanism； optimization design
应 用 上 述 GSA 设 备 进 行 整 车 选 换 挡 性 能 对 比测试，优化前后改进效果如下。
（1）整车换挡行程优化，见图 9。 整车换挡行
第 53 卷第 7 期
王志强 等： 某乘用车用手动变速器性能提升
83
程设计标准值 65±10 mm，由换挡行程测试结果可 以看出，优化前换挡行程偏大，优化后换挡行程表 现明显减小，整体表现满足设计要求。
利用质量管理工具中的故障树分析法（FTA）， 对可能导致整车选换挡性能差的原因进行了多层 次的详细分析，其故障树分析如图 1 所示。
收稿日期：2015－04－03 修回日期：2015－04－13
整车选挡性能差
变速器换挡性能差
变速操纵机 构性能不稳
选换挡拉丝性能差
变变齿 速速轮 器器同 速选步 比换器 分挡设 配轴计 不设不 合计合 理不理
统布置图片。
表 1 测试设备 Tab.1 Test Equipment
序号 1 2 3 4
设备名称 3 平面位移传感器
3 方向力传感器 数据采集仪
GSA 分析软件
在车内安装 GSA 硬件 通过数据采集仪记录数据
0．7 0．73
0．58 1．2 1．5
滑移套结合齿 优化前
齿轮结合齿 同步器结合齿
0．36
0 引言
随着乘用车保有量的逐年增加， 人们越来越 注重乘用车“人性化设计”的感受，用户对选换挡 品质的要求也越来越高。 在城市工况下，由于换挡 频繁造成驾驶员的疲劳直接影响到行驶安全。 因 而驾驶员对于选换挡性能的舒适性十分敏感，此 项性能直接影响到驾驶员对某款车型的评价。 本 文主要是针对某款搭载 5 挡手动变速器乘用车在 实际使用过程中，存在选换挡性能差问题（主要表 现 为 ：1、换 挡 行 程 偏 大 ；2、选 挡 回 位 性 能 差 3、五 挡换挡吸入 感差；4、高挡 位二次冲击 明显），通过 改进变速器结构等相关措施，以及 GSA 选换挡性 能测试验证，最终改善整车换挡操纵性能。
齿轮结合齿
同步器结合齿
试，测试流程及测试原理如下： （1） 将 3 平面位移传感器及 3 方向力传感器
按图示位置进行安装。 （2） 将测试过程中数据通过数据采集仪进行
记录。 （3）GSA 采集软件将 测试数据转 变成可 直 接
读取的信息。 （4）GSA 分析软件对 换挡特性进 行分析 得 出
选换挡曲线[6]。 表 1 为测试设备， 图 8 为测试流程及测试系
1
3
5
1
3
5
显）。 图中曲线斜率表明吸入感大小程度，斜率值 越大，则吸入感越强。
（4）2、3、4、5 挡二次冲击 优化：将 2、3、4、5 挡 结合齿改为不对称齿后，二次冲击消除。 如图 12 所示。
64 mm 65 mm
63 mm
77 mm
79 mm
78 mm
二次冲击点
二次冲击消除
N
NLeabharlann Baidu
选挡力 ／ N
加位弹簧 1 选换挡轴
加位弹簧 2
图 4 弹簧回位结构 Fig.4 Spring return structure
换挡拨头
S1 S2
U 形凹槽 选换挡轴
壳体定位销 空挡位置
拨头行程 d
换挡拨块
图 2 换挡拨头、拨块配合示意图 Fig.2 The installation of selector fork
选挡力 ／ N
66 mm 68 mm
67 mm
86 mm
86 mm
86 mm
2
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R
2
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图 9 换挡行程测试 Fig.9 Shift schedule test
（2）选 挡 回 位 性 优 化 ，见 图 10。 根 据 设 计 经 验，选挡回位力大于零线表现为回位性能较好。 在 选挡回位力、行程曲线上可以看出，优化前回位力 处于零线以下，即选挡力为负值，回位性能较差。 优化后选挡回位力处于零线以上， 选挡回位性能 明显提升。
定位销结构，优化拨叉轴上定位凹槽角度，结合齿改为不对称齿等措施有效解决了问题，提升了整车换挡性能，
并为后期解决类似问题提供参考依据。
［关键词］ 变速器；选换挡机构；优化设计
［中图分类号］ U463．212
［文献标志码］ B
［文章编号］ 1673-3142(2015)07-0080-04
Performance Improvement of A Passenger Car Transmission
某乘用车用手动变速器性能提升
王志强，王涛，李光明，孙晋松，焦红莲，于尧
（230601 安徽省 合肥市 江淮汽车股份有限公司 技术中心）
［摘要］ 针对某乘用车换挡性能较差问题，通过对各种影响因素进行详细的故障树分析，其根本原因为变速器内
部选换挡机构和拨叉轴结构存在设计缺陷。 经过理论分析及试验验证，通过优化选换挡机构上拨头长度及选挡
回位力
回位力
零线
零线
选挡力 ／ N 选挡力 ／ N
选挡行程 ／ mm
选挡行程 ／ mm
改进前
改进后
图 10 选挡回位性能测试
Fig.10 Return performance test
（3）5 挡吸入感优化，见图 11。 根据 5 挡换挡 力、行程曲线可以看出，优化前 5 挡换挡力处于零 线以上，吸入感表现较差（换挡曲线换挡力位于零 线以上，则吸入感表现不明显）。 优化后吸入感提 升明显（换挡曲线换挡力为负值，则吸入感表现明
合
理
变变 速速 操操 纵纵 机机 构构 杠刚 杆度 匹差 配 不 合 理
图 1 故障树分析
选
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换
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润
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设
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能
不
差
合 理
，内 部
阻
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大
Fig．1 The analysis of fault tree
从图 1 可以看出， 对选换挡力和行程有影响 的主要零部件有变速器本身、 选换挡拉丝和变速 操纵机构等[1]。 通过对上面分析的各个因素进行分 析和调查， 发现选换挡拉丝的效率以及操纵机构 本 身 的 结 构 、 性 能 和 标 杆 车/竞 品 车 相 近 ， 故 认 为 选换挡拉丝以及操纵机构对整车的选换挡性能影
2．2 改进定位销凹槽结构优化选挡回位性能 原选挡回位结构为弹簧回位结构 （如图 4），
选换挡轴的轴向运动为选挡动作， 通过回位弹簧 1、回位弹簧 2 对于选换挡轴的推、拉力实现选挡 回位。 这种结构选挡手感一般，并且整车布置情况 下受选换挡轴自身的重力影响，整体性能较差。 优 化后选换挡轴上应用定位销凹槽配合结构， 通过 安装在变速器壳体上的定位销与选换挡轴上 U 形凹槽配合，定位销顶端钢球内部具有弹簧结构， 可以伸缩。 当钢球位于 U 形凹槽底部时，变速器 处于空挡位置， 当选换挡轴左右运动进行选挡动 作后，定位销钢球与 U 形凹槽的斜面配合，提供 回位力。 这种结构很好地提升了选挡回位性能，优 化后结构如图 5。
第 53 卷 第 7 期 Vol． 53 No． 7
农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL E农Q业UI装PM备EN与T车&辆V工EH程ICLE ENGINEERING
2015 年 7 月 Ju2ly012501年5
doi：10．3969 ／ j．issn．1673－3142．2015．07．018
1．2
1．5
通过 GSA 分析软件对 换挡特性进行分析
GSA 采集软件将模 拟信号转变成可直 接读取的信息
0．87
1．03
0．37
滑移套结合齿
优化后 图 7 结合齿倒角优化 Fig.7 The improvement of combining tooth
根据计算结果，相同情况下，齿轮结合齿的不 对称结构对空行程的减小影响很大。 同时，不对称 齿轮结合齿还能减小二次冲击发生面的接触面 积，从而减小二次冲击发生的几率。 优化高挡位二 次冲击。
二次冲击为换档过程中同步器结合后结合齿
82
农业装备与车辆工程
2015 年
图 6 拨叉轴凹槽形状优化 Fig.6 The improvement of fork shaft
相互啮合产生。 将 2、3、4、5 挡结合齿改为不对称结 构来减轻二次冲击现象。 如图 7，对齿轮结合齿[4]、 同步器结合齿及滑移套结合齿更改为不对称结 构，减小同步过程完成后滑移套的空行程。
针对各个挡位换挡行程偏大的问题， 对变速 器选换挡轴上换挡拨头长度尺寸加大（即尺寸 S1， 加大尺寸为 L)，见图 2。 加长后选换挡轴上换挡拨 头长度为(S1+L),同 样换挡行程 （即 拨 头 行 程 d）情 况 下 ， 加 长 换 挡 拨 头 后 的 选 换 挡 轴 摆 角 值 α2＜α1 （原状态换挡拨头摆角）， 即变速器上换挡摇臂摆 角相应减小， 同时换挡拨块上内凹槽尺寸做相应 加大，从而达到换挡行程减小的目的（见图 3）。
3 测试验证
测试系统采用德国 GIF 公司生产的换挡分析 系 统 （GSA） 对 改 进 前 后 的 变 速 器 进 行 换 挡 性 能 测
3 平面位移传感器
3 方向力传感器
图 8 测试系统布置及测试流程 Fig.8 The assembly of test system and test process
第 53 卷第 7 期
王志强 等： 某乘用车用手动变速器性能提升
81
响不大，不做整改。 所以变速器本身的选换挡性能 是本次整改的重点。 经过分析造成选换挡性能不 好的主要原因为变速箱内部选换挡机构和同步器 结 构 存 在 缺 陷[2]。
2 制定措施
通过调查标杆车、竞品车的选换挡数据，设定 整 改 目 标 ：（1） 解 决 换 挡 行 程 偏 大 问 题 ；（2） 优 化 选 挡 回 位 性 能 ；（3）改 善 五 挡 换 挡 吸 入 感 ；（4）优 化 高 挡位二次冲击。 通过 FTA 分析可以得知，对选换 挡性能的主要影响因素是变速器本身， 故我们对 变 速 器 进 行 整 改 [3]。 2．1 增加换挡拨头长度，减小整体换挡行程
α1 α2
S1
L
图 3 原理图 Fig.3 Schematic diagram
图 5 定位销 U 形槽回位结构 Fig.5 Positioning pin return structure
2．3 优化五挡拨叉轴上凹槽角度改善五挡换挡吸入感 吸入感是由拨叉轴上凹槽角度与换挡轴上 M
槽角度共同作用决定的[5]，如图 6。 由于 M 槽角度 设置是对所有挡位都统一的， 所以只调整 5 挡吸 入感时，须单独调整 5 挡拨叉轴凹槽。 拨叉轴凹槽 角度对整车换挡曲线斜率有较大影响， 对拨叉轴 上 5 挡凹槽下沉尺寸进行加大，提升 5 挡吸入感。 2．4 优化结合齿结构减轻二次冲击
Wang Zhiqiang， Wang Tao， Li Guangming， Sun Jinsong， Jiao Honglian， Yu Yao （Technology Center，Anhui Jianghuai Automobile Co．， Ltd．，Heifei City，Anhui Province 230601，China） ［Abstract］ Aiming to the poor shift performance problems of a car， through fault tree analysis of various influence factors in detail， the fundamental reason is that the inside shift mechanism of the gearbox and fork shaft structure design have flaws． Through theoretical analysis and test， by measures such as increasing the locating pin structure and changing the length of the selector fork，and improving the groove angle of the fork shaft， using the asymmetric combining tooth， the problems are effectively solved． The transmission performance of the vehicle is improved and reference basis is provided to solve similar problems in future． ［Key words］ transmission； shift mechanism； optimization design
应 用 上 述 GSA 设 备 进 行 整 车 选 换 挡 性 能 对 比测试，优化前后改进效果如下。
（1）整车换挡行程优化，见图 9。 整车换挡行
第 53 卷第 7 期
王志强 等： 某乘用车用手动变速器性能提升
83
程设计标准值 65±10 mm，由换挡行程测试结果可 以看出，优化前换挡行程偏大，优化后换挡行程表 现明显减小，整体表现满足设计要求。