手动挡汽车换挡困难原因及改进方法
摘要：汽车换挡困难影响汽车性能的发挥和正常驾驶。文章从离合、离合操纵、变速器及变速操纵4个方面分析了换挡困难的影响因素，并针对各个影响因素提出改进方法，提出了可行的评价换挡操控性优劣的方法。在设计过程中，以上4个方面是逐一排查换挡困难的关键要素，并通过反复的主观评价和逐步优化，可以取得良好的效果。关键词：汽车；换挡；离合器；离合操纵；变速器；变速操纵
Improvement Method of Gear Shift Difficulty on Manual Shift Vehicle
Abstract: Gear shift difficulty influences the performance and normal drive of vehicles. This paper analyzes the effect of gear shift difficulty from four aspects including clutch, clutch control system, transmission and shift lever control system. Aiming at the four factors, this paper puts forward the improvement method and provides a feasible judging method for gear shift performance. During the design process, we can check the above-mentioned key factors aimed at the car of gear shift difficulty one by one, and then evaluate subjectively and optimize gradually. At last, good results can be achieved.
Key words: Vehicle; Gear shift; Clutch; Clutch control; Transmission; Shift lever control
随着乘用车进入寻常百姓家，人们越来越注重乘用车“人性化设计”的感受。我国目前使用的汽车绝驾驶员对于换挡操纵是否舒适十分敏感，此项性能直很多车型有换挡不畅、阻滞、挡位不清晰及无法换挡等问题。针对手动挡汽车挂挡困难的问题，文章从选换挡相关的各个系统进行分析，提出问题的症结所在和改善措施，并根据设计经验提出参数优化经验值。
离合器的后备系数（β）是离合器所能传递的最
大静摩擦力矩与发动机最大转矩之比，离合器的β必车辆加速缓慢，车速提升速度与发动机转速提升速度量的热量，严重时会导致离合器完全烧蚀，丧失分离和接合功能，车辆无法换挡。
β的选择有9点原则：1）为保证传递发动机最大转矩，β不宜选取太小；2）为减少传动系过载，保证操纵轻便，β又不宜选取太大；3）当发动机后备功率较大且使用条件较好时，β可选取小些；4）当使用条件恶劣，为提高起步能力、减少离合器滑磨，β应选取大些；5）汽车总质量越大，β也应选得越大；6）柴油机工作比较粗暴，转矩较不平稳，选取的β值应比汽油机大些；7）发动机缸数越多，转矩波动越小，β可选取小些；8）膜片弹簧离合器选取的β值可比螺旋弹簧离合器小些；9）双片离合器的β值应大于单片离合器。
根据汽车设计的标准，乘用车的β一般取1.2～1.75。家庭用轿车的β可相对选取小些，而商务车型及小型客货车的β应相对大些[1]。
β不足会导致车辆正常行驶时离合器打滑，大多数为手动变速器。手动变速器汽车由于换挡频繁，须大于1。接影响到驾驶员对车型的评价。而与人们的要求相反，失调。此时摩擦片、压盘及飞轮之间过度滑磨产生大
1 换挡困难的影响因素及改进方法
离合器和离合器操纵系统示意图，如图1所示。
1.1 离合器
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图1 离合器和离合操纵系统
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1.1.1 离合器后备系数
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此处需注意的是，由于受目前国内路况、国产零部件精度、车辆使用情况以及驾驶员水平的影响，离合器的实际后备系数将小于理论设计值。建议在设计国内市场销售的商务车型及小型客货车的后备系数时，根据实际情况增加一个传动系统效率损失系数（η），η一般取0.9（经验值）。1.1.2 离合器滑磨功
离合器的滑磨功是汽车起步时离合器接合一次所产生的总热量，而单位面积滑磨功则是指离合器接合一次单位面积摩擦片上产生的热量。单位面积滑磨功体现了离合器工作时的热量释放情况，该值应越小越好。离合器单位面积滑磨功过高将导致摩擦片碳化烧蚀，严重时同样导致离合器完全烧蚀，丧失分离和接合功能，车辆无法换挡。
离合器滑磨功和单位面积滑磨功主要是由整车参数决定的，想要减小它们最简单的方法是更改车辆的总速比、减小整车质量和轮胎半径。但是这些参数往往是在车辆设计初期就已设定，无法更改或是优化空间不多，此时需根据滑磨功的计算值合理地选择摩擦材料，保证其性能和寿命满足车辆使用要求。此外，在空间允许的情况下，可考虑适当增大离合器摩擦片的尺寸来减小单位面积滑磨功[2]。1.1.3 离合器压盘温升
离合器压盘温升是指离合器接合一次压盘温度升高值，它体现出离合器的散热性能，该值应越小越好。压盘温升过大会导致离合器散热不及时，同样会造成离合器烧蚀故障，丧失分离和接合功能，车辆无法换挡。
离合器一次接合的压盘温升不应超过8～10 ℃。为了使每次接合的温升不致过高，压盘应具有足够大的质量以吸收热量；为了保证在受热情况下不致翘曲变形，压盘应具有足够大的刚度且一般都较厚。此外，压盘的结构设计还应注意其通风冷却要好，例如在压盘体内铸出导风槽。1.1.4 摩擦材料的选择
各种摩擦片具有各自特定的使用温度、耐磨性能、抗压能力和摩擦因数，使用劣质的摩擦片会直接减短离合器寿命，造成烧蚀、分离不良和离合器破损等多种故障。
摩擦材料的好坏直接影响到离合器的寿命，同时也影响着离合器的成本。根据计算出的后备系数和滑磨功等值，选择适合的摩擦材料，达到性能和成本的平衡。
万方数据
离合器从动盘轴向压缩量是指从动盘自由状态和压紧状态下厚度的差值，它由从动盘的波形弹簧产生，用于缓冲离合器快速接合时产生的动载荷，使离合器接合平稳，既能保护摩擦片，又能提高车辆换挡舒适性。
轴向压缩量过小会导致换挡松，离合时车辆前后抖动，同时会有摩擦片破损的隐患。轴向压缩量过大则会导致离合器分离行程不足，离合器无法彻底分离，车辆挂不上挡。
离合器从动盘的波形弹簧使得从动盘拥有一定的轴向压缩量，保证从动盘在压紧过程中不会被压盘直接冲击。从动盘的轴向压缩量可以缓冲结合过程中的动载荷，使得接合过程平稳，使发动机传递给变速器的动力稳步提升，提高驾驶舒适性。但是在从动盘压缩的过程中，离合器处于半接合状态，摩擦片、压盘及飞轮直接产生滑磨。长时间的滑磨会导致离合器磨损和烧蚀，因此从动盘的轴向压缩量不可设计过大。
从动盘的轴向压缩量使得压盘与从动盘的分离间隙减小，该间隙过小会导致离合器无法彻底分离，因此设计时需保证轴向压缩量小于压盘升程。当从动盘使用怠速减振机构等易增大从动盘端跳的结构时，必须减小轴向压缩量来保证离合器可正常分离。建议在保证正常分离的前提下制作样件，对传动系振动情况实车试验后再对轴向压缩量进行调整优化。
1.2 离合操纵系统
液压离合操纵机构主要由主泵、分泵、油管、拨叉、分离轴承和离合踏板等组成。其主要故障表现形式有管路漏油、踏板行程不足、踏板力过大、踏板回位缓慢及分离轴承异响等。根据故障表现形式分析，液压离合操纵机构故障主要由以下原因造成。
1.2.1 管接头密封不良 拧紧扭矩不对
离合管路的接口处如存在毛刺，会划伤密封面，导致漏油。管路接口的拧紧扭矩过小会导致渗油，但扭矩过大则会划伤密封面，在接合面处形成台阶面，造成漏油故障。
1.2.2 离合主、分泵效率低
离合主、分泵效率分为力效率和行程效率。泵的力效率过低会导致离合踏板力偏大，影响操作舒适性。泵的行程效率过低则会导致离合器分离点偏低，严重时导致离合器无法彻底分离，造成车辆挂不上挡和离合器烧蚀故障。
主、分泵系统的行程效率和力效率直接影响分离
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行程和分离力。在设定了分离点位置和分离力之后，想要降低离合器分离力和增大离合器压盘升程，就必须要提高主、分泵系统的行程效率和力效率。
影响离合主、分泵效率的因素主要有缸体内壁圆度和粗糙度；皮碗的形状和加工精度；缸体内壁与皮碗的配合公差等。通过使用铸铝结构缸体提高缸体的加工精度、提高皮碗的精度以及优化缸体内壁与皮碗的配合公差等方法，可以有效地提高主、分泵系统的效率。
离合踏板分离点行程可用式（1）计算：
S =
s ×I 1×I 2×I 3
µ
+s 0 （1）
式中： S ——踏板实际分离点行程，mm ； s ——分离点时分离轴承的行程，mm ； I 1——拨叉杠杆比； I 2——液压助力比； I 3——踏板杠杆比；
μ——主、分泵系统行程效率；
s 0——踏板空行程，mm 。
离合踏板分离力可用式（2）进行计算：
F =
f ×I 1×I 2×I 3
η
（2）
式中： F ——最大离合踏板力，N ； × I 1f ×——I 2×离合器分离指的最大分离力，N ； η——主、分泵系统力效率。1.2.3 分离轴承破损或卡滞
离合系统的分离轴承直接承受着离合器的分离力，当离合器分离指不平或者离合器烧蚀、环境温度过高时就易造成分离轴承破损，从而产生异响故障。此外，分离轴承本身的卡滞故障会导致离合器分离指异常磨损，产生异响，严重时会造成分离指折断，产生离合器异响、离合器失效以及离合器破损等一系列故障。
1.2.4 离合操纵机构润滑差
离合操纵机构需要使用润滑脂减小其摩擦损耗。不加润滑脂或是润滑脂选用不当会导致分离轴承卡滞、踏板力偏大及离合踏板回位缓慢或不回位故障。同时缺少润滑脂的操纵机构也会产生异响故障。
分离轴承内圈、拨叉球窝、拨叉头、分泵推杆以及离合踏板助力弹簧等处都需要涂抹适量的油脂，以减小摩擦阻力。油脂的选择应当考虑到其粘度、挥发情况和使用温度等性能。
涂抹量必须严格控制，且需涂抹均匀，过量的油
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脂甩到摩擦片上会导致离合器烧蚀。1.2.5 离合踏板助力和回位力不合适
为减轻驾驶员踩踏板的操作力，离合踏板需增加助力弹簧，同时为保证离合踏板在离合器接合后快速回位，该弹簧同时需具备回位弹簧功能。离合踏板回位力选择不当将导致踏板回位缓慢、甚至不回位故障。同时回位力选择不当也可能造成踏板力过大，影响驾驶舒适性。最大助力点应当尽量靠近离合器压盘最大分离力点，以便保持离合踏板操作轻便。助力和回位力变换点应放在离合器接合点之后，以便离合器接合后踏板快速回位，减小半接合时间。1.2.6 优化踏板行程和分离点位置
离合踏板的分离点位置和分离力直接影响了驾驶员的操纵舒适性，一般要求轿车踏板力在（90±10） N的范围内，商务车及小型客、货车保持在（100±10） N的范围内。轿车离合踏板的分离点位置需控制在95～110 mm范围内，商务车及小型客、货车的后备行程（总行程—分离点行程）需控制在（35±5）mm 范围内。图2示出最佳离合器踏板行程和力的曲线图。
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1.3 变速器
图2 最佳离合踏板行程和力的曲线
变速器、同步器和选换挡机构，如图3所示。
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图3 变速器、同步器和选换挡机构
1.3.1 同步器性能
在手动机械式变速器中，为实现换挡操作迅速轻
便无冲击，有利于提高汽车的动力性和燃料经济性，在各挡位中多采用同步器来实现换挡操作。同步器中同步环的同步容量是衡量同步器性能的重要参数。同步容量满足设计要求，可以很容易的进挡，挂挡时间短，反之如果同步容量不足，就需要更长的时间使被挂入挡位齿轮和同步器齿套实现同步[3]
。同步器结构图，如图4所示。
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图4 同步器结构图
可以通过提高同步性能进行改进。同步器的优化方法可以参照表1的换挡性能和同步环参数的对应关系进行调整。另外，还可以增加同步环的摩擦面数量。试验证明，单锥环摩擦因数平均在0.1左右；双锥环的摩擦因数平均为0.17，比相同大小的单锥提高了70%；三锥同步器齿环使摩擦面数目增加到了3个，从而进一步增大了摩擦力矩，与相同大小的单锥齿环和双锥齿环相比，具有更大同步扭矩/容量，进一步减小换挡力。试验证明，双锥环摩擦因数平均在0.17左右，三锥环的摩擦因数平均为0.24，比相同大小双锥的提高了40%。图5～图7示出单锥环、双锥环及三锥环摩擦因数试验曲线。
万方数据
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图5 单锥环摩擦因数试验
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图6 双锥环摩擦因数试验
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1.3.2 选换挡机构的设计
图7 三锥环摩擦因数试验变速器内部通过换挡轴→换挡拨头→拨叉轴→拨叉进行换挡，并通过回位扭簧来实现选挡阻力。运动传递路线中配合公差和尺寸链是否合适，回位扭簧力的大小等，最终反映到驾驶者的选换挡力是否合适。1.4 换挡操纵系统
变速器的换挡操纵系统结构示意图，如图8所示。
1.4.1 换挡拉索运动不畅
图8 换挡操纵系统
拉索的作用就是作为媒介将驾驶员给操纵机构的换挡动作传递给变速器，以实现换挡。导致拉索运动不畅的主要原因有：拉索芯轴和护管的润滑不良，拉
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索芯轴和护管配合间隙过小或过大，拉索走向过于曲折。要求根据拉索使用车型选用合适的润滑脂，并保证芯轴和护管的间隙在0.5 mm左右，拉索走向尽量减少大角度的弯曲，拉索总成装配状态的效率在90％以上。图9示出换挡拉索结构图。
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Φ f Φ5. 6
Φ
1.4.2 操纵机构运动不良
图9 换挡拉索结构
能够正常挂挡是汽车的基本功能，而能否保证舒
操纵机构运动不良的主要原因有：操纵机构本身由于可靠性较差，运动件磨损导致间隙过大引起的换挡不畅；润滑不当引起的卡滞；操纵机构位置不符合人机工程引起的挂挡不适。
适、顺畅的挂挡，对驾驶者的影响却很大。所以，从价值工程的角度出发，对挂挡不太如人意的车辆，花点力气进行整改是值得的，从精致工艺角度出发也是必须的。
文章对挂挡故障进行了系统分析，找出了设计改进的要素，并指出了各个要素应当予以重视的关键点。并提出了评价选换挡性能优劣的方法，这种主观评价方法是最接近于使用群体和有效的。在实际应用过程中，针对换挡困难的汽车，逐一排查并解决排除离合器、离合操纵系统和变速器、变速操纵系统的各个关键要素的问题，并通过主观评价反复优化，可以取得很好的效果。
参考文献
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人民交通出版社.2001：511-512.
（收稿日期：2010-11-01）
2 评价方法
换挡操纵系统的动作是否顺畅、换挡是否准确将
直接影响汽车的操控舒适性和使用性能，同时也关系到行车安全。目前，评价车辆换挡操纵操控舒适性的方法尚无定量，因此推荐采用找几位经验丰富体态各异的驾驶员对汽车的各种工况进行实际操作，并要求他们分别对此车的换挡操纵情况发表各自的意见。对反映比较强烈的意见，加以设计改进，直到“用户”比较满意为止。具体评价指标可参考表2。
同时，还应对样车的选换挡性能进行试验，以检验挡位是否正确，操纵力和操纵行程是否达到了使用要求等，以验证设计的正确性。具体试验评价可参考文献[4]中变速杆操纵力的测定方法。
[4]
万方数据
手动挡汽车换档困难原因及改进方法
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
张栋杰， 毛世伟， 朱波， ZHANG Dongjie， MAO Shiwei， ZHU Bo安徽江淮汽车股份有限公司汽车工程师TIANJIN AUTO2011(2)
1. 王望予 汽车设计 20072. 刘维信 汽车设计 2001
3. 高维山;张思浦 变速器 1990
4. 《汽车工程手册》编辑委员会 汽车工程手册:试验篇 2001
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本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_tjqc201102010.aspx