機動車塑料換檔操縱機構分總成設計

鄧加尊

（柳州市金元機械制造有限公司，廣西 柳州 545007）

機動車塑料換檔操縱機構分總成設計

鄧加尊

（柳州市金元機械制造有限公司，廣西 柳州 545007）

由于汽車工業快速發展的需要，當今中國家庭汽車已進入千家萬戶，人們對汽車操縱系統的靈活性的要求越來越高，所以設計開發一款采用塑料操縱機構替鐵件操縱機構總成，有較解決操縱機構間隙過大，檔位不清析，掛檔困難的問題。而選換檔軟軸總成的鉚接采用八方扣鉚工藝，有效解決了卡滯、卡死等問題，降低售后索賠率，提高產品壽命。公司在這種背景下承擔某中外合資公司新車型換檔操縱機構分總成的設計研制任務，并為該公司配套供貨，取得較好的社會和經濟意義。

機動車；塑料；操縱機構總成；選檔軟軸總成；換檔軟軸總成；設計

隨著我國汽車工業技術的發展，近年來采用塑料材料代替鋼鐵材料制造操縱機構總成是汽車技術發展的需要，在國外，塑料換檔操縱機構分總成的開發已在汽車配件行業中廣泛應用。在技術水平上，日本與美國、德國的水平接近，但由于原材料及加工工藝等原因，限制了塑料換檔操縱機構分總成在我國的發展，目前，我國的該項技術水平與日本、美國、德國等國家的差距較大。

國內也有一些廠家生產塑料換檔操縱機構分總成，但基本都是使用在高檔橋車上，成本高，大部份塑料換檔操縱機構分總成是通過國外設計然后在國內生產的，或者是從國外購買配件在國內組裝的。國內企業自主開發能力不足，產品的強度等性能較低，不符合微車的使用特點，而鐵件操縱機構總成存在球座與球頭配合間隙過大，檔位不清析，掛檔困難等問題。

同時原汽車整車廠也存在著操縱機構總成及選換檔軟軸總成由于分別由不同供應商提供給整車廠進行裝配，這種裝配方式存在制造誤差，在整車廠進行裝配時，經常發生操縱機構總成與選換檔軟軸總成無法裝配或裝配后配合不當從而引發生產線停線等嚴重問題，這種供貨方式，既存在產品在配送過程中生產的質量問題也增加了整車裝配成本[1]。

針對上述缺點：設計一款塑料換檔操縱機構分總成，該項產品將采用塑料操縱機構替鐵件操縱機構總成，該產品同時也是以模塊化的方式進行設計，即以操縱機構總成、選換檔軟軸總成整合成大模塊換檔操縱機構分總成[2]。該設計方案使產品更加緊湊、，安裝方便、結構工藝簡單、過渡接頭少，裝配連接簡捷方便，易于維修，有較解決操縱機構間隙過大，檔位不清析，掛檔困難的問題。而選換檔軟軸總成的鉚接采用八方扣鉚工藝，有效解決了卡滯、卡死等問題，降低售后索賠率，提高產品壽命。

1 設計主要內容及創新點

1.1 主要內容及技術路線

1.1.1 主要內容

設計開發的主要內容是：根據前期研究塑料換檔操縱機構分總成的情況，以及市場使用情況，有針對性地對產品進行結構優化，根據微車配件市場需求，進一步穩定產品性能，調整鉚接方式，提高負載效率。

本項目的關鍵技術在于：一是塑料材料配制技術。該技術提高了塑料材料強度，提高了產品的抗高、低溫性。特別是在-40°低溫下的能夠正常使用，不產生斷裂，以達到以塑代鋼的目的；二是塑料操縱機構鑄射工藝技術。是負載效率性能提高的關鍵，針對不同產品尺寸，設計調試模具，重點對模腔進行改進，提高產品性能及尺寸精度，降低售后索賠；三是選換檔軟軸生產裝配中的八方扣鉚工藝。該工藝是利用柳州市金元機械制造有限公司自行開發的鉚接技術，具有行業先進性。

1.1.2 技術特點

本項目的技術特點有：

（1）采用塑料材料針對微型車的結構特點進行模塊化設計，有效整合塑料操縱機構總成、選換擋軟軸總成兩部份成為一個模塊；

（2）選換檔軟軸總成的管接頭鉚接工藝采用自主研發的八方圓形扣鉚工藝，完全解決了六方沖鉚工藝因管接頭受力和變形不均勻導致的軟軸軟管鋼絲排列不均勻引起的卡滯、卡死等質量問題；

（3）提高換檔操縱機構分總成負載效率，原負載效率為65%，更改后軟軸負載效率為80%，提高了15%；

（4）原鐵制換檔操縱機構分總成的重量為2.36Kg，塑料換檔操縱機構分總成的重量為1.425Kg，重量減輕了39.6%。

1.1.3 設計流程圖

設計流程圖：變速器參數→軟軸參數→操縱機構參數→人機學原理數據→空間布局參數→三維數模設計→CAE分析→結構優化→輸入驗證→快速成型件→空間布局實車驗證→模件制作→臺架試驗→實車路試→小批試制→批量生產

1.1.4 裝配工藝流程

產品的裝配工藝流程如下：

（1）部裝連動板組合件，并在連動板內孔涂上適當的潤滑脂；

（2）將滑套及換檔拉桿球頭座套入操縱桿鉚合件；

（3）將操縱桿套入操縱桿球頭座，再將球頭座套入操縱機構底座；

（4）將彈簧套入底座焊合件的固定軸，裝好彈簧支腳，并安裝已經部裝好的連動板組合件；

（5）安裝選檔軟軸總成；

（6）安裝換檔軟軸總成及密封膠套；

（7）裝配緩沖膠墊及套銅。

1.2 技術創新點

（1）理論創新：塑料換檔操縱機構分總成設計是集操縱系統、軟軸傳動技術、變速器相關標準參數、人機學原理等技術于一體，塑料換檔操縱機構分總成技術的創新點在于提高傳動效率的優點，提高傳動效率解決了換檔操縱機構操縱手感差、售后質量問題多等問題，達到目前國內領先水平。

（2）應用創新：塑料換檔操縱機構分總成針對微車成本低、銷量大、使用路況差、公用性強、少保養等使用特點，以提高操縱舒適感和使用壽命、降低售后問題和整車重量、節約油耗為目的，綜合操縱系統、軟軸傳動技術、變速器相關標準參數、人機學原理等技術，實現參數化設計的產品。采用可回收的塑料作為原材料，產品重量僅為1.425Kg，比原鐵制產品重量減輕了39.6%，從而降低整車重量及成本，符合汽車材料技術輕量化和環保化發展趨勢。產品結構工藝簡單，連接裝配方便，具有售后維修成本低等優點，符合當今汽車特別是微車配件行業技術發展趨勢。

1.3 技術創新

（1）采用塑料材料針對微型車的結構特點進行模塊化設計，有效整合塑料操縱機構總成、選換擋軟軸總成兩部份成為一個模塊；

（2）管接頭的鉚接工藝采用自主研發的八方圓形扣鉚工藝，完全解決了六方沖鉚工藝因管接頭受力和變形不均勻導致的軟軸軟管鋼絲排列不均勻引起的卡滯、卡死等質量問題。

（3）采用自主研發的塑料成型材料及繞制推拉式軟軸外管和軸芯技術，提高軟軸負載效率，更改后軟軸負載效率為80%，提高了15%左右，同時，更改了選換檔軟軸總成的安裝方式，提高了生產效率，降低了售后工時費用，縮短5%的裝卸時間。

（4）產品是鑄塑料操縱機構是射成型，成型尺寸、性能比較穩定，減少了安裝、焊接等多道工序，降低10%的制造成本。

目前，世界汽車材料技術發展的主要方向是輕量化和環?；?。汽車塑料相對密度低，以塑代鋼制作外裝件，可減輕汽車自重，達到節能目的。減輕汽車自身質量是降低汽車排量、提高燃燒效率最有效的措施之一。據測算，汽車自身質量每減輕10%，燃油消耗就可降低6%～8%。在安全方面，單位質量的塑料抗沖性不遜于金屬，有些工程塑料、碳纖維增強塑料還遠高于金屬。用可吸收沖擊能量和震動能量的彈性體、發泡塑料制造儀表板、座椅、頭枕等制品，可以減輕碰撞時對人體的傷害，提高汽車安全系數。結構件則多采用高強度工程塑料，以減輕質量，降低成本，簡化工藝，如用塑料做燃油箱、發動機和底盤上的一些零件。 所以采用輕型材料替代鑄鐵的材料生產汽車零部件是發展的大趨勢。

2 塑料操縱機構結構設計

圖1 塑料操縱機構總成

塑料操縱機構結構設計如圖1所示。塑料換檔操縱機構分總成底座強度驗證內容如下：

（1）模型分析

圖2 模型分析圖

（2）最大應力分布圖

圖3 最大應力分布圖

（3）最大變形分布圖

圖4 最大變形分布圖

（4）分析情況

表1 分析情況

3 操縱機構底座與操縱桿球頭座配合尺寸設計

表2 操縱機構底座與操縱桿球頭座配合尺寸設計

序號 方向 　名稱 　設計尺寸 　配合 　結論操縱機構球頭座與操縱桿組件設計球頭座.　徑向組件（-0.2）-（-0.35）=+0.15（間隙配合）（-0.25）-（-0.3）=+0.05（間隙配合）操縱機構球頭座與操縱桿組件設計合理操縱機構底座、操縱機構球頭座與操縱桿組件配合積累公差最大（+0.15）+（+0.2）+（+0.38）=+0.73（間隙配合）4 　縱向最小 　（+0.05）+（-0.1）+（+0.05）=0（無間隙）無間隙配合公差合理，但+0.73間隙太大，考慮到塑料零件的彈性及制造工藝水平，應在過程中采用分組裝配，以控制其配合間隙不超過0.5連動板與底座設計底座5連動板（+0.2）-（-0.1）=+0.3（間隙配合）0-0=0（無間隙配合）存在無間隙配合，無法裝配。更改：底座尺寸φ10（+0.2，0）改為φ10（+0.2，+0.05）配合：（+0.05）-0=+0.05（間隙配合）連動板與接頭設計連動板6接頭 　φ8無公差按未注尺寸公差要求，接頭φ8處應為負公差，則接頭與連動板應為間隙配合，合理。連動板與滑套設計滑套7連動板 　φ16處無公差無法核算更改：連動板尺寸φ 16應為φ16（+0.07，0）配合：（+0.07）-（-0.08）=+0.15（間隙配合）0-（-0.03）=+0.03（間隙配合）操縱桿組件與滑套設計滑套8組件（+0.05）-（-0.05）=+0.1（間隙配合）0-0=0（無間隙配合）合理操縱桿組件、連動板與滑套配合積累公差最大 ?。?0.15）+（+0.1）=+0.25（間隙配合）9最小 ?。?0.03）+0=+0.03（間隙配合）能夠滑動配合，合理。換檔拉桿球頭座、換檔連接拉桿組件及限位彈簧配合積累公差球頭座10 　徑向尺寸 　拉桿組件0-0=0（無間隙配合）（+0.1）-（-0.1）=+0.2（間隙配合）球頭座 　4±0.1 11 　縱向尺寸 　拉桿組件（+0.1）-（-0.1）=+0.2（間隙配合） 0-（+0.1）=-0.1（過盈配合）12球頭座、拉桿組件13.　彈簧 　φ1.4（　2+0.1　?。?1.4=0.6+0.1-----最 大0.7，最小0.5三者配合： 　最大 ?。?0.2）+（+0.7）=+0.9（間隙配合）14最小 ?。?0.1）+（+0.5）=+0.4（間隙配合）最大間隙為+0.9，最小間隙為+0.4，合理操縱桿組件與換檔連接拉桿球頭座球頭座15 　（0，-0.045） 　組件（+0.05）-（-0.045）=+0.095（間隙配合）0-0=0（無間隙配合）合理操縱桿組件、換檔桿球頭座及換檔連接拉桿組件配合積累公差最大 　（+0.095）+（+0.2）=+0.295（間隙配合）16最小 　0-0=0（無間隙配合）在無間隙配合時，由于塑料零件的彈性變形，操縱桿組件與換檔桿球頭座還是可以滑動配合，最大間隙+0.295 合理

4 換檔操縱機構分總成結構設計

換檔操縱機構分總成結構設計如圖5，分別由塑料操縱機構總成、選檔軟軸總成、換檔軟軸總成組成。

圖5 換檔操縱機構分總成

5 操縱機構分總成設計輸入及其數據

操縱機構分總成設計輸入，具體輸入數據如下：

5.1 變速器數據

（1）變速器端選檔搖臂R1：50mm,θ1=θ2=12.2°±2°換檔搖臂R2：47mm,θ1=θ2=14.1°±2°

（2）靜態選換檔平均力：選檔 47.5±10N

換檔 86±10N

5.2 操縱機構數據

（1）手柄端靜態選/換檔力≤20N

（2）行程：選檔手柄行程=35～55mm

換檔手柄行程=60～80mm

5.3 布局限制條件

（1）換檔機構底座的安裝位置符合座椅下架上的螺栓孔；

（2）換檔桿的極限運動范圍距離副儀表板框開口邊緣≥10mm；

（3）與各關聯體之間的間隙距離≥25mm。

5.4 性能數據

（1）選換檔軟軸行程效率≥90%

（2）選換檔軟軸負載效率≥80%

（3）高低溫循環試驗：按實車布線及負載，低溫-40℃，高溫+120℃，頻次為10次/分，次數60萬次

（4）鹽霧試驗144小時

（5）選換檔軟軸管接頭拉脫力≥1500N

（6）選換檔軟軸軸芯拉脫力≥2000N

（7）選換檔軟軸軸芯承載推力≥500N

（8）選換檔軟軸軸芯極限推力≥700N

（9）選換檔軟軸軸芯破壞推力≥1000N

（10）在選換檔軟軸安裝面施加1500N的力，底座無損壞；

（11）換檔平順、選換檔力度適中、無沖擊/卡滯、精確、可靠、故障低。

5.5 手柄作用力計算

已知F1=56.29N，F2=90.32.N,a1=3.4,a2=5.76；

選檔：1/2和5/R在計算時，增加5N的回位彈簧力，換檔從1到R檔計算時,都增加5N的回位彈簧力。所以：

選檔手柄作用力F3=F1/a1+5=56.29/3.4+5=21.55N接近目標值20N,符合；

換檔手柄作用力 F4=F2/a2+5=90.32/5.76+5=20.68N接近目標值20N,符合；如圖6。

圖6 手柄檔位示意圖

6 選換檔軟軸總成的結構設計[2]

選換檔軟軸由軸芯組件和耐壓軟管組件及其它部件組成，如圖 7所示。它的軸芯是由多股鋼絲構成，是傳遞動力的部件，有的軸芯外面還纏有一層扁鋼帶，以提高軸芯的承載動力[1]。軸芯的處面是耐壓軟管中的內襯管，為軸芯運動起引導作用，再外層是由多根鋼絲纏繞而成起支承作用的軟管，鋼絲的外層還有起保護作用的塑料層[1]。選換檔軟軸總成的結構設計，因其具有柔軟性和可彎曲性，是推拉式軟軸總成進行檔位操縱代替剛性桿系操縱的重要部件。

圖7 選換檔軟軸構成示意圖

7 軟軸接頭結構

軟軸接頭結構如圖8所示。

圖8 軟軸接頭結構

對于圖8所示的軟軸接頭，無需依照實車布局構建模型。需將軟軸變速器端的限位件、導向套及其與底座的相關連接件進行仿真分析。

（1）換擋端的載荷傳遞到變速器端會有一定的傳遞損失，可提供傳遞損失的測試值；

（2）上述結構在工作狀態下的受力方向及其力值。

尼龍換檔操縱機構分總成模件化、參數化設計，采用輕量化推拉式軟軸直接連接變速器進行擋位轉換原理，具有分塊組裝變成模塊化、設計參數化、減輕車身重量、裝配簡單、操縱方便靈活、節約能源、促進環保等特點。操縱機構總成用尼龍材料鑄射成型代替金屬沖壓成型，使產品更加簡單，占用空間小，方便主機廠安裝。提高了操縱舒適感和使用壽命、降低售后問題和整車重量，產品結構工藝簡單，連接裝配方便，具有售后維修成本低等優點，符合當今汽車特別是微車配件行業技術發展趨勢，對汽車行業的技術進步有一定的推動作用，對汽配行業產品結構調整也有一定的促進作用。因此可說是有較高的學術價值，市場前景非常廣闊。

[1] 孫衛平.汽車變速器軟軸操縱機構的設計[J].汽車技術, 2002,(6):3.

[2] 鄧加尊,馬春文,潘子清.汽車換檔操縱機構分總成設計[J].企業科技與發展,2014,(4):32-35.

Vehicle plastic shift control mechanism sub-assembly design

∶With the rapid development of automobile manufacturing, millions of Chinese families have owned their own cars. Higher and higher requirement for auto control flexibility are raised. Therefore,.flexible cable instead of rod-connected control subassembly is developed to supply.better part of control assembly. By selecting cable and shift cable to the main plant, suppliers can improve vehicle quality and production efficiency as well as cut down the cost. It meets requirements of.mass supply to main plant and effectively prevent tremble interference from power and meanwhile obtain an excellent controlling, the gearshift flexible shaft assembly using octagon buckle riveting process, to effectively solve the catching, stuck and so on, and to reduce the rate of sale of claims, increase product life. Whether in.slow speed state or.normal when assembly this new cable-connected controller. Under the circumstance, our company conducts.research supported from sino-foreign joint venture to developing and supplying this new shift control mechanism subassembly, which achieves.better social and economic significance.

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1008-1151(2015)08-0056-05

2015-07-08

中小企業國家創新基金項目“尼龍換檔操縱機構分總成”（09C26214505312）。

鄧加尊（1965－），男，廣西南寧人，柳州市金元機械制造有限公司副總經理兼技術中心主任，高級工程師，研究方向為產品設計、開發、技術管理、項目管理工作。