軟軸變速操縱系統的選型設計與驗證

張榮瑾

安徽江淮汽車股份有限公司 安徽合肥 230601

1 前言

隨著人們生活水平的提高，特別是近幾年中國基礎設施建設的迅速發展，對重型卡車產品的可靠性、電子控制技術、人性化設計、產品結構精細化、節能減排等方面提出了更高的要求。變速操縱系統的可靠性和舒適性已成為新生代用戶對重型卡車的一個重要評價指標[1]。

眾所周知，駕駛員主要是通過轉向、變速控制、制動、離合、加速等動作實現車輛在道路上的行進。很顯然，變速控制是在對車輛控制過程中出現頻率較高的動作，特別是城市短距離運輸和惡劣工況下，需要頻繁變換擋位和長時間操控。如果變速操縱系統的設計和選用不合理，會使駕駛員換擋困難、操縱沉重或出現掉擋等情況；變速操縱桿及手柄表面處理的色澤和造型也會影響到駕駛區域的整體內飾效果，這些都直接影響到人們對重型卡車變速操縱系統的評價。

目前大部分重型卡車使用機械式變速操縱機構，機械式操縱系統選換擋力和行程傳遞結構復雜，并要求各連接桿件有足夠的剛性且間隙不能過大，同時裝配時要保證裝配質量，否則換擋手感不明顯，且增加了變速操縱桿顫動的可能。此外，由于車架變形等汽車振動對各桿件的影響較大，不利于駕駛員操縱。因此，考慮采用軟軸式變速操縱機構替代機械式操縱機構。

2 軟軸式變速操縱系統的組成及優勢

軟軸式變速操縱系統由變速操縱桿、換擋器總成、選換擋軟軸及軟軸固定支架組成，如圖1所示。當駕駛員操縱變速桿選換擋時，通過換擋器推動或拉動選換擋軟軸，即可實現變速器的選換擋。軟軸操縱系統不但結構簡單、操縱輕便、軟軸傳遞效率高，零件數量少，可靠性好，而且非常容易布置，裝調和維修方便，并且不受車架變形及汽車振動的影響[2]。因此，軟軸式變速操縱系統在安裝布置、調整維護和成本控制方面均具有一定的優勢。

3 軟軸式變速操縱系統的選型設計

3.1 換擋器總成

換擋器總成是軟軸式變速操縱機構的核心部件，其結構合理與否，對系統的選換擋性能、使用壽命和維護成本均產生決定性的影響。

3.1.1 一般要求

換擋器總成的選型需綜合考慮駕駛室的總體設計，如駕駛室地板開口尺寸、儀表臺和方向盤的位置、軟軸的空間走向，如避免與發動機艙的底盤件干涉、選換擋行程滿足設計要求等，換擋器總成本身還要滿足以下要求：

a. 在滿足軟軸走向的前提下，換擋器總成的安裝高度要盡量低，給發動機艙的底盤件預留更大的布置空間；

b. 換擋器總成選型完成后，應根據GB/T 15705《載貨汽車駕駛員操作位置尺寸》的相關規定，充分考慮選換擋力和行程的要求、儀表臺和方向盤的空間位置，設計合適的變速操縱桿，以滿足人機工程校核[3]。

3.1.2 選型設計

換擋器總成由換擋撥叉、換擋座、選擋搖臂、換擋搖臂、軟軸固定座等組成，如圖2所示。換擋器總成根據杠桿原理設計，換擋為一級杠桿，選擋為二級杠桿轉化；關節軸承采用自潤滑結構，降低在選換擋過程中的阻力，使系統選換擋操縱輕便；優化表面處理工藝，采用達克羅處理，增強耐腐蝕性；同時對軟軸固定座的開孔進行擴大，可減輕總成的質量；通過優化鎖緊螺栓裝配工藝，提高工作可靠性強度。具體參數如表1所示。

表 1 換擋器總成技術參數

3.2 選換擋軟軸總成

軟軸是變速操縱系統中操縱力和行程的傳遞介質，一般由選擋和換擋兩根軟軸組成。軟軸的一端連接換擋器總成，另一端連接變速器端的選換擋搖臂。

3.2.1 一般要求

軟軸總成根據與換擋器總成和變速器端的搖臂匹配，以及系統的整體布置，具體軟軸設計需滿足以下要求：

a. 確保軟軸的強度滿足拉脫力的要求；

b. 軟軸應長度適中，走向合理，懸掛部位適當布置支撐點，用以減少運動過程中的振動和磨損；

c. 軟軸應盡量避開熱源，若布置上有困難，務必要在軟軸外表面增加隔熱護套。

3.2.2 選型設計

選換擋軟軸總成包括軟軸主體、護套和球頭總成等，如圖3所示。球頭總成分別與換擋器總成和變速箱選換擋搖臂相連；軟軸總成為尼龍花鍵潤滑結構，花鍵型表面有溝槽，可以存留更多的潤滑脂，使選換擋阻力小，可以提高軟軸的標準效率；球頭總成為全包式結構，避免球頭內進入雜質引起的功能失效和性能減退。

軟軸主體由里向外是由索芯、襯管、內襯套、絞制鋼絲和外套管組成，如圖4所示。由于該芯軸外表面涂覆了一層尼龍，使得其與護管之間的摩擦力更小、磨損更少而獲得較高的負載效率，同時，由于花鍵型表面有溝槽，可以存留更多的潤滑脂，使芯軸能夠得到持久充分的潤滑。軟軸總成具體參數如表2所示。

表 2 軟軸總成技術參數

3.3 軟軸固定支架

在變速器端，選換擋軟軸是通過軟軸固定支架連接選換擋搖臂，需要一定的強度，根據底盤布置以及擋位排布的需要，軟軸固定支架可以選擇一體式，也可以選擇分體式，軟軸固定支架的結構和強度直接影響軟軸的布置和走向。

3.3.1 一般要求

為保證整個系統的可靠性，設計時要注意以下幾點：

a. 保證在空擋位置時，軟軸保持平直，并且軟軸與搖臂應盡量保持垂直，確保軟軸推拉過程中作用力矩最大，效率最高[4]；

b. 在安裝空間允許的情況下，軟軸固定支架應滿足強度要求。

3.3.2 選型設計

將支架設計為一體式鑄件結構，結構簡單且生產一致性好，如圖5所示。通過對選換擋軟軸固定支架進行CAE分析得出軟軸固定支架受力位移最大為1.1 mm，受力位移變小；局部應力集中點為212 MPa，不存在應力集中點，滿足強度設計要求，如圖6、7所示，安全系數高；且通過結構優化，質量減小為1.77 kg，輕量化效果明顯。

表 3 軟軸固定支架技術參數

3.4 系統布置

軟軸從駕駛室翻轉軸后面布置，增加彎曲半徑，彎曲率增大，可減小傳遞阻力；中間每隔1 000 mm設置固定點，可以降低負載和行程損失，提高傳遞效率；在后懸置處增加支架固定予以約束防止軟軸上竄，另通過支架設計將軟軸與周圍部件間隙控制在70 mm，有效防止軟軸通過排氣和制動相關附件的熱害問題。具體布置如圖8所示。

4 試驗驗證

4.1 主觀評價

目前對軟軸變速操縱系統沒有統一的定量評價標準，根據相關經驗，可以從以下幾個主要方面進行主觀評價，如表4所示。評價項目可以當作數據庫用來收集車型的換擋數據，同時也為技術原因的分解和技術改進提供了標準參照。

表 4 主觀評價項目

從主觀評價反饋結果可以看出，系統整體匹配良好，尤其在選換擋力和行程方面具有很好的控制，但在擋位間隙和擋位回位方面評價結果不是很理想，后期需要優化換擋器總成結構，解決此類問題。

4.2 試驗測量

按上述方案設計的變速操縱系統，整車搭載時進行靜態參數測量試驗、關鍵部件的臺架試驗和整車可靠性試驗，選換擋力和行程測量數據如表5所示。

表 5 選換擋力和行程測量數據（12擋為例）

通過以上數據對比分析，試驗測量值與理論計算值基本一致，符合設計要求，輕便性效果良好。在可靠性試驗驗證中，也未出現換擋困難、操縱沉重、跳擋、脫擋等故障。該類車型陸續完成了小批量生產并投入市場，通過半年的市場跟蹤驗證，無一例變速操縱系統問題反饋，用戶比較滿意。

5 結語

軟軸變速操縱系統較傳統的桿系操縱系統相比，零件數量少、可靠性好、通用化程度高；傳遞效率高，操縱輕便。該系統結構可在自卸車、吊車底盤、掛車等車型上應用，并可實現對整車的多樣化配置，以滿足不同用戶的需求。

[1] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2000.

[2] 劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社,2001.

[3] 周一鳴,毛恩榮.車輛人機工程學[M].北京:北京理工大學出版社,1999.

[4] 《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊設計篇[M]. 北京:人民交通出版社,2001.