2024年4月5日发(作者：凯美瑞2023新款报价图片)
?
设计?计算?研究?
桑塔纳轿车变速器换挡机构分析改进
冯 立
（上海汽车变速器有限公司）
【摘要】研究了桑塔纳轿车５挡手动变速器换挡机构结构，通过对换挡机构相关零件的力学分析和模拟整车状
态下的换挡力测试，验证了在静态换档阶段同步器弹簧的弹力和定排销的定排力对整个换挡力有直接影响，从而提
出了变速器两种结构改进方案。对改进后变速器进行的台架测试结果表明，１／２挡、５挡通过定排销结构改进后，变
速器选换挡轴处的换挡力下降２０ Ｎ左右；３／４挡通过定排销结构、同步器弹簧改进后，变速器选换挡轴处的换挡力
下降４０Ｎ左右。
主题词：变速器换挡机构换挡力
中图分类号：Ｕ４６３．２１２文献标识码：Ａ文章编号：１Ｏｏ０～３７Ｏ３（２００８）０６－００２７－０３
Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｈｉｆｔｉｎｇ
Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｃａｒ Ｓａｎｔａｎａ
Ｆｅｎｇ Ｌｉ
（Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｇｅａｒｂｏｘ Ｗｏｒｋｓ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ５ＭＴ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｈｉｔｆｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｃａｒ Ｓａｎｔａｎａ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ
ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｒ ｓｐｒｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｉｎ ｆｏｒｃｅ ｏｎ ｓｈｉｔｆｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｗｅｒｅ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅｌａｔｅｄ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｓｈｉｔｆｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅａｒ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ
ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｔｈｕｓ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｐｒｏｐｏｓａｌｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｂｅｎｃｈ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｐｉｎ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ １／２ ａｎｄ ５ｔｈ ｓｐｅｅｄ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｈｉｔｆｉｎｇ ｓｈａｆｔ ｄｅｃｒｅａｓｅ ２０ Ｎ，ｈｔｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｐｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ
ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｒ ｓｐｒｉｎｇ ｏｆ ３／４ｔｈ ｓｐｅｅｄ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｓｈａｆｔ ｄｅｃｒｅａｓｅ ４０ Ｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，Ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ
１前言 萋萎 粪
变速器的换挡舒适性是用户对于变速器乃至 高的舒适性要求，他们期望着桑塔纳变速器的操作
表５ ＣＶＳ系统数据
稀释系数 ＣＶＳ体积／
ｍ ＣＶＳ流量／ｍ ?ａｒｉｎ ＣＶＳ进气压力／ｋＰａ 最小值
ＣＶＳ进气温度／
平均值 最大值
３５．８５３ １６３．４０ １１．７１ ９８．５６ ２７．６５ ２７．９６ ２８．２５
配研究．合肥工业大学学报（自然科学版），２００７，３０（５）：
５结束语
５９１－５９３．
对ＢＳＧ混合动力轿车动力系统参数进行了设
４钟绍华，祁俊荣，毛春升．４２ Ｖ混合动力汽车动力元件的选
计，并对轿车在ＢＳＧ电机不参与工作和参与工作两
型与参数设计．机械设计与制造，２００７（２）：５０－５２．
种状态下的动力性、燃油经济性和排放性能进行了
５海涛，万钢，孙泽昌．燃料电池汽车动力系统结构配置及参
数优化匹配．汽车工程，２００６，２８（８）：７２９￣７３３．
对比试验。试验结果表明，动力系统参数设计合理，
６刘惟信．汽车设计．北京：清华大学出版社，２００１．
ＢＳＧ电机参与工作使轿车动力性、燃油经济性和排
７方锡邦．汽车检测技术与设备．北京：人民交通出版社，
放性能都有了显著改善。
２ｏ０５．
参考文献
８ Ｗｉｎｋｅｌ Ｒ，Ｈｅｎｄｒｉｋｅｎ Ｐ，Ｖｅｒｍｅｕｌｅｎ Ｒ，Ｆｏｓｔｅ Ｄ．Ｒｅａｌ—Ｗｏｄｄ
１秦大同，舒红，胡建军，等．轻度混合动力汽车动力性能仿真
Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｌａ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＥＶＳ一１８，
及动力系统参数匹配研究．机械工程学报，２００４，４０（２）：７８—
Ｂｅｒｉｌｉｎ，２００１．
８２．
（责任编辑帘青）
２余志生．汽车理论．北京：机械工业出版社，２０００．
修改稿收到日期为２００８年２月３日。
３刘灵芝，张炳力，汤仁礼．某型纯电动汽车动力系统参数匹
２００８年第６期
一
２７—
?
设计?计算?研究?
舒适性不断提高。本文研究了桑塔纳５挡手动变速
器换挡机构的结构，通过换挡机构力学分析和换挡
力测试，发现变速器定排销的定排力和同步器弹簧
的弹力对桑塔纳变速器的换挡力有着明显的影响，
为此对定排销定排力和同步器弹簧的弹力对变速
器换挡力的影响进行了测试，并推荐了一种可行的
改进方案。
２换挡机构简介
桑塔纳变速器是手动“二轴五速”变速器，其换
挡结构和大部分手动变速器的换挡结构类似，即通
过选换挡轴进行选挡，由拨叉轴、拨叉、同步器总
成、挡位齿轮结合齿实现挂挡。在桑塔纳变速器换
挡机构中，１／２挡拨叉轴控制１挡和２挡，３／４挡拨
叉轴控制３挡和４挡，５／倒挡拨叉轴控制５挡和倒
挡。本文通过对桑塔纳变速器３／４挡换挡机构的结
构剖析，进一步了解变速器的换挡过程。
桑塔纳手动变速器换挡过程经过如下几个步
骤（图１和图２）：操作者通过操纵杆和外部连杆机
构作用选换挡轴一选换挡轴推动拨叉轴一拨叉轴
带动拨叉一拨叉推动同步器齿套一同步器齿套推
动同步器滑块，同时压缩同步器弹簧一同步器滑块
推动同步器齿环一同步器齿环受滑块的推力在齿
轮的锥面上形成摩擦力矩，使得齿轮转速与同步器
齿套转速等同（同步过程）一同步器齿套通过同步
器齿环梅角和挡位齿轮梅角ｌ的引导，滑人挡位齿轮
结合齿实现挂挡。
１ ２ ３ ４ Ｓ
， ６
１．选换挡轴２．输入轴３．３挡主动齿轮４．
３／４挡同步器总成５．４挡主动齿轮６．拨叉
７．拨叉轴８．定排销
图１变速器换挡机构结构示意
整个换挡过程中主要经历了两个阶段：第一阶
段是从“选换挡轴受外部连杆机构作用”到“同步器
齿套推动同步器滑块”，这一过程的作用力与输入
轴转速无关，称它为静态换挡阶段；第二阶段是从
“同步器齿环受滑块的推力在齿轮的锥面上形成摩
一
２８一
擦力矩”到“同步器齿套滑人齿轮结合齿”，这一过
程的作用力与输入轴的转速有关，称它为动态同步
阶段。本文着重对改善静态换挡阶段换挡力进行了
分析研究。
１ ２ ３ ４ ５
９ ８ ７ ６
１．３挡主动齿２、４．同步器齿环３．同步器齿
套５．４挡主动齿６．输入轴７． 同步器齿
毂８．同步器滑块９．同步器弹簧
图２同步器总成剖面示意
３静态换挡阶段换挡力力学分析
拨叉轴受力分析（将拨叉轴视为质点，未计人
重力）如图３所示。图中， 为拨又轴的移动方向；Ｆ
为外部连杆机构的作用力（选换挡产生的摩擦力所
占比例较小，在此未计人）；Ｐ为定排销的定排力
为拨叉轴和定排销间的摩擦力；Ｎ１为壳体对拨叉轴
的支持力 为拨叉轴和壳体间的摩擦力；Ｎ２为轴
承箱对拨又轴的支持力 为拨又轴和轴承箱间的
摩擦力；Ｔ为同步器产生的阻力。
是静态换挡阶段换挡力的重要组成
部分，其关系式如下：
－
－
ｔｔｐ￣Ｐ （１）
。－ｉｔ?Ｎ１ （２）
＝Ｍ?Ｎ２ （３）
Ｐ＝ＮＩ＋Ｎ２ （４）
式中，ｕ 、ｕ为摩擦系数。
一一
图３拔叉轴受力分析
同步器滑块受力如图４所示。图中Ｔｅｏｓａ为同
步器产生的阻力 的分量， 为同步器滑块斜面角
度ｉ厂为同步器齿套和同步器滑块相对移动时的摩
擦力（垂直方向分量所占比例较小，在此忽略）；Ｒ
为同步器弹簧的弹力。
且有：Ｔｅｏｓａ ｓｉｎｏ￣＝２Ｆｋ （５）
Ｔ＝４Ｆｋ／ｓｉｎ２ａ （６）
汽车技术
?
设计?计算?研究?
图４ Ｉ司步器滑块受力不恿
综上所述，影响静态换挡阶段换挡力的主要因
素是：定排销的定排力Ｐ、同步器弹簧的弹力 、同
步器滑块斜面角度 。静态换挡阶段同步器齿套和
１．钢丝直径为１．５ ｍｍ ２．钢丝直径为１．６ ｍｍ
图５不同直径的同步器弹簧示意
同步器齿毂的相对摩擦力可忽略不计。
４静态换挡阶段换挡力台架测试
试验在换挡性能临时试验台架上进行。试验设
备包括拉压传感器（型号：ＪＬＢＳ；规格：０～１００ ｋｇ）、波
形分析仪等。
针对同一台桑塔纳变速器总成，采用２种状态
连续换挡，采集２０组数据，去掉２个最大值和２个
最小值所得平均值见表１所列。表中，状态１为静
态、桑塔纳变速器中装入３／４挡同步器但去除了３
挡、４挡齿轮和３挡、４挡同步器齿环的梅角（排除
静态换挡时梅角切人时产生的附加力）；状态２为
静态、桑塔纳变速器中未装入３／４挡同步器条件下
所进行的测试。表中数据由换挡力曲线图谱的电压
值换算得到。
表１ 静态阶段变速器换挡力台架测试结果 Ｎ
３挡 ４挡
状态 作用力
进挡力 退挡力 进挡力 退挡力
１ ，Ｐ 。 、 １４６．３ ９１．２ １３９．０ ８７．９
２ ７７．３ ８３．８ ７６．６ ８ｌ｜１
差值 ６９．０ ７．４ ６２．４ ６．８
从表１中可看出，静态换挡阶段同步器产生的作
用力占整个静态换挡阶段换挡力（进挡力）的４５％。
依据表中数据，从下面２个环节进行改进。
５静态换挡阶段换挡力改进
５．１ 同步器弹簧直径改进方案
如前所述，同步器产生的作用力来自于同步器
弹簧的弹力。查阅相关资料可知，ＰＯＬＯ和赛欧等车
辆的手动５挡变速器同步器弹簧均采用直径为１．５
ｍｍ的钢丝。考虑此种情况，本文分别对 １．５ ｍｍ
的钢丝和 １．６ ｍｍ的钢丝所制成的同步器弹簧（图
５）的换挡力进行了台架测试，测试结果见表２所
列。
２００８年第６期
表２静态换挡阶段不同钢丝直径的同步器
弹簧换挡力台架测试结果 Ｎ
３挡 ４挡
状态 作用力
进挡力 退挡力 进挡力 退挡力
１．６ｍｍ弹簧 、ＥＬ， １４６．３ ９１．２ １３９ ８７．９
１．５ｍｍ弹簧 、 １１５．２ ８４．７ １０６．１ ８１．１
差值 ３１．１ ６．５ ３２．９ ６．８
从表２可知，在静态换挡阶段，采用钢丝直径
为１．５ ｍｍ的同步器弹簧相比钢丝直径为１．６ ｍｍ的
同步器弹簧可降低换挡力达３０ Ｎ，占同步器产生作
用力的５０％左右。但需要注意的是，根据前面静态
换挡阶段换挡力力学分析所述，弹簧弹力的变化会
增加动态同步阶段的同步力，为此在动态换挡阶段
（保证同步时间基本一致）对 １．５ ｍｍ和 １．６ ｍｍ
的同步器弹簧换挡力进行了台架测试，结果见表３
所列。
表３动态换挡阶段下不同钢丝直径的同步器
弹簧换挡力台架测试结果 Ｎ
３挡 ４挡
状态
进挡力 退挡力 进挡力 退挡力
１．６ｍｍ弹簧 １７２．１ １００．５ １７３．７ １０４
１．５ｍｍ弹簧 １５１．４ ９６．６ １５２．３ ９９．８
差值 ２０．７ ３．９ ２１．４ ４．２
对试验数据进行分析可知，钢丝直径为１．５ ｍｍ
的同步器弹簧比钢丝直径为１．６ ｍｍ的同步器弹簧
动态同步阶段的同步力提高近ｌ０ Ｎ左右。
综上所述，使用钢丝直径为１．５ ｍｍ的同步器弹
簧相比钢丝直径为１．６ ｍｍ的同步器弹簧可降低进
挡力２１ Ｎ左右，并对整个换挡性能无附加影响。
５．２定排销改进方案
如前所述，定排销的定排力是影响静态换挡阶
段换挡力主要因素之一，但考虑到定排销在桑塔纳
变速器中所起的作用——定排，若降低其定排力会
导致变速器跳排的可能。为此，如何不降低定排销
的定排力，但又能改善变速器的换挡性能，是此改
一
２９—
?
设计?计算?研究?
相关尺寸计算，保证定排力Ｐ不变），测试结果见表
４所列。由表４可知，采用组合式定排销比本公司桑
进方案的关键。通过查阅相关变速器结构如巴西产
的桑塔纳变速器、赛欧的Ｆ１５变速器、ＰＯＬＯ的变速
器，可知其定排销的结构于本公司桑塔纳变速器的
定排销结构（图６）不同。图６中，编号１定排销为本
公司桑塔纳变速器所用，编号２为广泛用于赛欧变
速器、ＰＯＬＯ变速器的组合定排销，其主要区别为组
塔纳变速器定排销可降低换挡力１８ Ｎ左右。
表４静态换挡阶段２种定排销换挡力的台架测试结果Ｎ
３挡 ４挡
型式 作用力
进挡力 退挡力 进挡力 退挡力
合式定排销的定排头是钢珠，可滚动；而本公司桑
桑塔纳变速器定排销 ， ｔ ７７３ ８３．８ ７６．６ ８１．１
塔纳变速器的定排销不可滚动。
赛欧变速器定排销 √ ６０．２ ６５．７ ５８．１ ６３．１
一
（ａ）
Ｌ，－ｆ￣ １７．１ １８．１ １７．５ １８
将上述２种结构改进应用于桑塔纳变速器，并
对各挡位换挡力进行了测试，测试结果见表５所
列。表中，状态Ａ为静态、未改进的桑塔纳变速器，
并去除了各挡位齿轮和各同步器齿环的梅角（排除
静态换挡时梅角切入时产生的附加力）；状态 为
静态、改进后的桑塔纳变速器（１／２挡、３／４挡、５挡
（ｂ）
图６不同结构定排销示意
原理其实很简单，如前面静态换挡阶段换挡力
力学分析所述ｆｐ￣－Ｕｐ￣Ｐ，在定排力Ｐ不变的情况下，
要降低拨叉轴和定排销间的摩擦力．厂Ｐ，则降低摩擦
系数 即可实现。
如图６所示，组合式定排销的摩擦形式是滚动
定排销改为组合式；３／４同步器弹簧钢丝直径为１．５
ｍｍ）。
由表５可知，１／２挡、５挡通过定排销结构改进
后，选换挡轴处的换挡力下降２０Ｎ左右。３／４挡通过
定排销结构和同步器弹簧的改进可降低桑塔纳变
速器选换挡轴处的换挡力４０ Ｎ左右（试验状态和变
速器在整车上的换挡工况存在一定差异，此数据仅
作参考）。根据桑塔纳轿车换挡连杆机构的杠杆比，
换算至操作者的换挡力，可降低操纵杆球头处的换
挡力１０ Ｎ左右。通过上述改进后，桑塔纳变速器的
换挡更轻便、灵活，提高了变速器的换挡舒适性。
摩擦，而本公司桑塔纳变速器的定排销是滑动摩
擦，按理论力学中的论述，滚动摩擦力比滑动摩擦
力要小。同时在轴承知识中这样提到：“一般滑动轴
承的摩擦系数为０．０８￣０．１２，而滚动轴承的摩擦系数
为０．００１—０．００５。”因此，钢球的滚动摩擦系数远小于
本公司桑塔纳变速器定排销的滑动摩擦系数。
对上述２种定排销进行了台架对比试验（根据
状态
Ａ
曰
表５结构改进前、后静态换挡阶段变速器各挡位换挡力测试结果
１挡
ｌ１０．１
９１
８３．８
６８．５
２挡
１０６．４
８５
８０．５
６３．６
３挡
１４６．３
９７．６
９１－２
７３３
１３９
９０－４
４挡
８７．９
６９．６
１５０．５
１２９．７
５挡
８５．６
７０．４
进挡力／Ｎ 退挡力／Ｎ 进挡力／Ｎ 退挡力／Ｎ 进挡力／Ｎ 退挡力／Ｎ 进挡力／Ｎ 退挡力／Ｎ 进挡力／Ｎ 退挡力／Ｎ
差值
降低比例
１９．１
１７
参
１５－３
１８
考文
２１．４
２０
献
１６．９
２０
４８．７
３３
１７．９
２０
４８．６
３５
１８－３
２１
２０．８
１４
１５．２
１８
工业出版社，１９９７．
１余志生．汽车理论．北京：机械工业出版社，１９９７．
２陈家瑞．汽车构造．北京：人民交通出版社，１９９７．
３ Ｊ．厄尔贾维克．汽车手动变速器和变速驱动桥．北京：机械
（责任编辑
修改稿收到日期为２００８年３月２９日。
学林）
《汽车技术》杂志扩版告知
为进一步满足国内汽车行业广大作者和读者希望加速技术信息交流的需求，本刊内文已从４８页扩容到６４页。为此，竭诚欢迎
新、老作者广为利用这一扩展平台，向业内同行展示你们的研究成果和工作业绩；同时，更加期望关注本刊的广大读者，能够从中获取
更多的信息支持。
为进一步加强报道的针对性与实用性，欢迎广大读者来函，告知您希望我们更多地刊登哪些专业领域文章，以便酌情加强。让我
们共同携手，把《汽车技术》杂志扩版工作做好！
《汽车技术》杂志编辑部
２００８年６月
一
３０一 汽车技术
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