轻型商用车手动变速器研制

熊永森1   高  磊2 俞冠豪2    陆江燕2    杨杭旭1   刘凯成2

【摘要】针对目前商用车市场现状，为更好满足及适应现有轻型商用车及其手动变速器实际市场需要。运用齿轮设计专家分析软件、有限元分析软件，研发了具备轻量化、高燃油经济性、操控性能优越的轻卡变速器。采用集成式可左右置的新型变速器顶盖总成、超大螺旋角斜齿、齿轮鼓型修形设计、内滚针轴承安装和连接结构以及输出端锁紧结构等创新设计与应用，实现了该手动变速器更高的轻量化、经济性与操控性。

【关键词】商用汽车；手动变速器；修形设计；锁紧结构

1  引言

据中汽协预测，随着经济的复苏，商用车市场上半年需求将触底反弹，2023年商用车总销量将为360万辆，从2月开始一直都是同比增长的状态，上半年市场累计销售197万辆。轻卡在商用车市场中都占有相当大的体量，随着新蓝牌法规过渡期结束，合规化发展大趋势愈发明显，市场销量结构在往良性发展。大城市群拉动的以城市物流为代表的消费和以县域市场为核心的双流驱动需求因素，将推动轻型货车市场稳步增长，预计明年将有20-25%的增速。商用车手动变速器市场前景可期。

国内轻型商用车变速器生产企业主要为万里扬，采埃孚，格特拉克，星瑞，法士特伊顿等公司。采埃孚等国际公司其产品凭借先进的制造技术、可靠的质量水平，对国内变速箱行业造成一定的竞争压力，特别是原材料齿轮钢技术、细高齿与螺旋齿的齿轮设计，以及同步器设计及制造技术均领先全球。但因其售价偏高，严重影响了国内自主品牌整车的推广和发展，造成整车企业利润水平的下降。同时，较高的维修和服务费用，也使得终端客户的经济成本压力增加。

国外轻卡变速器产品系列虽各有优点，但不能很好地适应目前国内复杂的实际道路情况及中国人的驾驶习惯，如其换挡沉重、重量重、安装长度长，这已成为困扰轻卡发展的首要问题。因此开发具备高效率、轻量化特征、操控性能优越的新型轻卡变速器显得尤为迫切。

2  轻型商用车手动变速器主要研究内容

产品运用齿轮设计专家分析软件、有限元分析软件，遵循 “平台化、系列化、模块化”模式研发的具备轻量化、高燃油经济性、操控性能优越的轻卡变速器产品。

2.1 轻型商用车手动变速器传动系统优化设计与轻量化应用

采用MASTA软件对齿轮齿形、齿向进行优化设计，齿轮超30°以上大螺旋角、重合度≥3，齿形及齿向多工况修形，修形鼓型0.002mm以上等，大幅提升齿轮强度，传动平稳，传动效率高，噪音低。基于三维仿真的多整机工况结构的一体化结构设计优化，并采用三段积木式结构，高压全铝合金壳体，重量轻，强度好，外形美观。

2.2 轻型商用车手动变速器高操纵性换挡机构

采用4+1组合式换挡叉轴结构，新型W型互锁结构，换挡叉轴带线性轴承，采用叉轴及同步器结合齿组合式双限位结构，换挡刚度好，换挡更轻便，提高汽车的整体操作性能。

2.3 轻型商用车手动变速器高性能同步器

采用自主新型10mm短行程模块化同步器，实现双锥及三锥一体式设计，通用化率高，前进挡全同步；同步环采用钢基+热喷喷钼技术，钼层最大厚度≤10μm，同步器锥面摩擦系数大，同步容量大，可靠性高，使用寿命长。

2.4 轻型商用车手动变速器集成式操纵盖

该集成式操纵盖的研究，采用集成式组合设计，操纵轴浮动设计，采用镜像对称设计，可左右置互换，满足多车型的适配，操纵更方便，可靠性高。

该变速器也可满足其他配置需求，比如：可满足整车多功能布置需求，可匹配手制动器、取力器、分动器等专用部件，适用于各种车型需求。

3  轻型商用车手动变速器设计研制

3.1 超大螺旋角斜齿，齿轮鼓型修形设计

传动系统创新采用组合式大螺旋角斜齿齿轮，齿高系数1.22，单圆弧齿根的细高齿制设计，采用修形量在0.003mm以内的非对称式齿面鼓形修形设计，配以大齿宽，确保齿轮重合度3.2以上，可大幅提高齿轮强度，尤其是齿轮的接触疲劳强度和抗冲击能力，通过修形设计，如图1所示，确保齿轮在各个工况条件下齿面的受力接触，进一步提高承载能力，确保齿轮运转平稳，噪声小。

图1齿轮修形示意图

3.2 汽车变速器输出端锁紧结构

采用了新的锁紧结构，通过在螺纹连接件上设置30°-70°的V型，如图2所示，在螺纹连接件旋紧于转轴后，通过外力使得限位部发生形变，限位部部分嵌于凹槽内，凹槽对螺纹连接件相对于转轴的转动自由度进行限位，进而避免了螺纹连接件因振动而松动，由于限位部发生形变，嵌于凹槽中，确保了防松效果长期有效，进而使得变速器可稳定地将动力传递给汽车传递轴。

图2 汽车变速器输出端锁紧结构图

图3内滚针轴承安装和连接结构图

3.3 内滚针轴承安装和连接结构

采用了一种内滚针安装和连接结构，通过在第一轴和第二轴内的台阶面对滚针轴承进行限位，滚针轴承与第二轴轴肩位置有0.3mm至0.5mm间隙，所图3所示，将以往对滚针轴承的保持架部位进行限位，改为对滚针轴承的滚动部进行限位，滚动部的硬度、耐磨性比安装部要高，大大降低了滚针轴承的安装部磨损产生异响噪音和轴承故障率。

3.4 集成式、可左右置的新型变速器顶盖总成研制

创新设计集成式、可左右置互换的模块化变速器顶盖总成，顶盖壳体上设有两个左右对称的换挡支撑座安装孔，换挡机构包括设置于两个换挡支撑座安装孔中任意一个上的换挡拨头，以及与换挡拨头匹配的换挡轴，换挡轴设有对应于两个换挡支撑座安装孔的两个连接部，安装在换挡支撑座安装孔中的换挡拨头通过与其安装位置对应的连接部与换挡轴连接。换挡机构还包括与换挡轴连接的换挡臂和选挡拨块，与选挡拨块匹配的选挡轴，以及与选挡轴连接的选挡臂，如图4所示。采用上述技术方案，可以根据需求将换挡拨头安装于两个换挡支撑座安装孔的任意一个中，从而实现顶盖总成的左右互换，进而实现整车拉线布置效率最大化，满足顾客换挡舒适性要求。

图4 顶盖总成结构图

4  结束语

综上，本文的研究实现如下效果：（1）采用MASTA软件对齿轮齿形、齿向进行优化设计，大幅提升齿轮强度，传动平稳，传动效率高，噪音低；（2）基于三维仿真的多整机工况结构的一体化结构设计，实现了轻量化且强度好，外形美观；（3）采用4+1组合式换挡叉轴结构，新型W型互锁结构，换挡刚度好且更轻便，提高了操控性。

基金项目：2022年度金华市重点科技计划项目 新能源汽车“芯动力”智能驱动系统关键技术研发（项目编号：2022-1-075）；2023年金华市科技计划项目轻型商用车用手动变速器研发。

参考文献：

[1]2023年下半年商用车市场展望[J].汽车与配件,2023(16):33-35.

[2]吴荣华,汪滋润,李小建,周家浩.某轻卡变速器壳体深度轻量化设计[J].汽车零部件,2022,(03):36-42.

[3]冯殿军.轻卡AMT变速器中间轴制动器关键参数及性能试验方法研究[J].汽车实用技术,2021,46(16):82-85+90.

[4]任杰锶.基于某轻卡变速箱有限元分析及试验研究[J].汽车实用技术,2020,45(23):113-117.

作者简介：熊永森（1969—），男，浙江金华人, 工学硕士，教授，研究方向为产品设计与装备技术应用研究。