重型卡車軟軸式變速操縱機構設計計算及優化

王凱峰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

重型卡車軟軸式變速操縱機構設計計算及優化

王凱峰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章闡述了重型卡車軟軸式變速操縱機構及其優勢，對機構的組成及設計要求進行了闡述，在滿足底盤總布置、人機工程學、駕駛的舒適和輕便性等前提下，詳細介紹了某8×4工程自卸車軟軸式變速操縱機構的設計計算、選型、試制驗證、安裝調整以及試驗驗證。從軟軸、換擋器總成、軟軸固定支架和機構的整體布置等方面，對換擋輕便性進行了優化。

重型卡車；軟軸；變速操縱機構；設計計算；優化

CLC NO.:U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-35-04

引言

重型卡車的變速器通常布置在距離駕駛員座位較遠處，因此需要在變速操縱桿與變速器選換擋搖臂間加裝一些輔助杠桿或一套傳動結構，從而構成遠距離操縱機構。遠距離操縱機構主要有兩種：桿式變速操縱機構（簡稱硬操縱）和軟軸式變速操縱機構（簡稱軟操縱），相比硬操縱，軟操縱具有結構簡單、布置靈活、換擋阻力及噪聲小、傳遞效率高、裝調和維修方便、不受車架變形及整車振動影響等優點，在重型卡車上得到了廣泛應用。

圖1 某重型卡車軟軸式變速操縱機構

軟軸式變速操縱機構以選換擋軟軸為傳遞媒介，駕駛員操控變速操縱桿手柄，將換擋意圖通過換擋器總成轉換為變速器的換擋操作，主要是由換擋器總成、選換擋軟軸、軟軸固定支架三大部分組成，如圖1所示：

1 軟軸式變速操縱機構的組成及設計要求

1.1 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，對系統的使用壽命和維護成本均產生決定性的影響。換擋器總成如圖2所示，一般由換擋撥叉、換擋座、選擋搖臂、換擋搖臂、軟軸固定座等組成。換擋座對整個總成起基礎支撐作用，固定在駕駛室地板上，換擋撥叉連接變速操縱桿，選換擋軟軸連接選擋和換擋搖臂固定在軟軸固定座上。根據整個系統的匹配和負載等因素來確定各組成零件的材料和制造工藝。駕駛員操縱的是變速操縱桿上的操縱手柄，主要實現選換擋操作，換擋器總成是根據杠桿原理設計的，換擋通常為一級杠桿，選擋是二級杠桿轉化。

圖2 換擋器總成

軟軸是機構中操縱力和行程的傳遞介質，一般由兩根軟軸組成：選擋軟軸和換擋軟軸，兩根軟軸的一端連接換擋器總成，另一端連接變速器選換擋搖臂，軟軸具體結構見圖3。

圖3 軟軸結構示意圖

在完成換擋器總成選型的同時，就已完成了軟軸的選型工作。軟軸的傳動效率理論上傳動效率越高越好，可以達到80%左右，目前較好提高軟軸的傳動效率的芯軸結構如圖4所示，由于該芯軸外表面涂覆了一層尼龍，使得它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。

圖4 芯軸示意圖

1.3 選換擋軟軸

選換擋軟軸在變速器端是通過固定支架連接選換擋搖臂，圖5中就是一種典型的雙桿操縱安裝方式。根據底盤布置以及擋位排布的需要，軟軸固定支架可以是一體式，也可以是分體式；軟軸固定支架的結構和強度直接影響軟軸的布置和走向，保證了整個系統可靠性，設計時要注意以下幾點：

圖5 雙桿操縱軟軸安裝方式

1）軟軸固定支架要保證在空擋位置時，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；

2）在安裝空間允許的情況下，軟軸固定支架的懸臂要盡量短，一是可以減少成本，二是保證軟軸工作時的強度，如果支架懸臂較長，務必在軟軸固定孔位之間增加加強筋，滿足強度要求；如圖6所示：

圖6 某一體式軟軸固定支架

3）軟軸固定支架一般為拼焊件，要充分考慮加工精度對安裝的影響，在結構允許和產量較大的前提下，建議使用鑄件固定支架。

2 軟軸式變速操縱機構計算

2.1 杠桿比的計算

軟軸式變速操縱機構因為省去了中間復雜的桿系機構，實際產生杠桿比的就是換擋器總成，換擋通常為一級杠桿，選擋是二級杠桿轉化。如圖7所示：

圖7 某換擋器總成示意圖

2.2 選換擋行程的計算

如圖1可看出，軟軸一端連接換擋器總成的選/換擋搖臂，另一端連接變速器總成的選/換擋搖臂，變速器總成的選換擋搖臂旋轉不同角度，實現不同擋位的功能。由于旋轉角度較小，弧長可以近似于弦長，于是可以得到：

變速器端選擋行程L1=2R5sin（α/2） （2-3）

操縱手柄端選擋行程：

變速器端換擋行程L2=2R6sin（β/2） （2-5）

操縱手柄端換擋行程：

式中：R5-變速器選擋搖臂旋轉半徑，α-變速器選擋搖臂旋轉角度。

R6-變速器換擋搖臂旋轉半徑，β-變速器換擋搖臂旋轉角度。

η1-軟軸效率，η2-換擋器總成效率，η3-軟軸布置效率。

2.3 選換擋力的計算

同理，選換擋力的傳遞也是通過軟軸實現的，可以得到：操縱手柄端選擋力N1’=N1/i1/(η1×η2×η3)（2-7）操縱手柄端換擋力N2’=N2/i2/(η1×η2×η3)（2-8）式中：N1-變速器選擋搖臂端的力，N2-變速器換擋搖臂端的力（此項一般由變速器廠家提供）。

3 軟軸式變速操縱機構的設計及優化

重型卡車中以8×4自卸車對變速操縱系統的要求最高，下面就以某8×4工程自卸車為例，介紹軟軸式變速操縱機構的設計及應用。根據整車設計任務書，可以得知以下相關信息：整車設計超載總質量為70T，國三EGR發動機（12L），采用12擋變速器，遠距離雙桿操縱，匹配寬體新造型半高頂駕駛室。對系統的要求如下：選擋力≤60N(倒擋≤80N)，換擋力≤60N，選擋行程≤120mm，換擋行程≤160mm。

由于匹配12L發動機，為了便于發動機艙底盤件布置，選用安裝高度低的換擋器總成，外形尺寸符合駕駛地板的安裝要求，通過三維校核和實物驗證裝車確定換擋器總成的裝配性，具體如圖8和圖9所示。

圖8 發動機艙視角圖

圖9 駕駛室內安裝示意圖

根據本公司人機工程校核和經驗值，確定了換擋操縱手柄的空間位置，從而確定了操縱桿的形狀和安裝角度，圖7是空擋狀態下，換擋器總成與操縱桿裝配示意圖。圖10和圖11分別是選擋和換擋狀態下的實物驗證情況，確保駕駛員實際操作過程中不與方向盤和儀表臺干涉，全擋位操作舒適輕便。

圖11 換擋狀態與儀表臺驗證

圖10 選擋狀態與方向盤驗證

換擋器總成選型后，實際是就確認了軟軸的固定尺寸，此例中軟軸兩端的固定尺寸均為216mm，如圖3。按照國際擋位，確認了變速器選擋搖臂和換擋搖臂的安裝方式后，擋位指示如圖12，實物安裝如圖13。

圖12 擋位指示圖

圖13 變速器端軟軸安裝圖

至此，該車型軟軸式變速操縱機構已經基本完成設計，過程中參看公式（2-1至2-6），通過理論計算校核了軟軸的工作行程、操縱手柄端選換擋行程，均滿足設計輸入要求。具體計算結果如表3所示（η1取80%，η2取90%，η3取95%，R5=80mm，R6=100mm，α=14.7°，β=10.4°，R1=342.7，R2=，R3=35，R4=50.5）：

表1 行程計算表

4 試驗驗證

按以上方案設計的整車，進行靜態參數測量試驗，選換擋力和行程測量數據見表2：

通過數據對比分析，理論計算值與試驗測量值存在一些差距，主要由于軟軸的效率和變速操縱結構的效率在一定范圍內變化，總體來看誤差＜5%。在可靠性試驗驗證中未出現軟軸失效、掛不上擋位、脫擋等故障模式。但是，1擋的掛擋力和倒擋的選擋力存在超標現象，要對實物進行優化。

根據計算公式可知，在不改變變速操縱機構的基礎上，力和行程大小與軟軸效率η1，換擋器總成效率η2，軟軸布置效率η3強相關，所以要提高換擋輕便性，要從提高軟軸效率、換擋器總成效率、軟軸布置以及優化軟軸固定支架設計入手。

1）把現有扁絲結構的軟軸芯軸改為圖4所示的芯軸結構，通過SM500多功能試驗機測量軟軸的行程效率由80%提高到85%，負載效率由80%提高到84%；

表2 選換擋力和行程測量數據

2）換擋器總成的潤滑型關節軸承改為自潤滑結構，不但提高了機械效率還便于后期的維護，由于相應的綜合臺架設備尚不具備，此次評價是通過主觀評價；

3）優化軟軸固定支架結構，CAE分析結果如圖14所示。選換擋軟軸固定支架的材料為Q235，加載情況：換擋加載推力為800N，選擋加載拉力為700N，從圖中可以看出，整改后應力值由233 Mpa降為190Mpa，位移值由1.2mm降為1.08mm。

圖14 （b）整改前位移分析

圖14 （a）整改前應力分析

圖14 （c）整改后應力分析

圖14 （d）整改后位移分析

經過以上優化處理，重新測量值如表2所示，所有力和行程指標均已達標。

5 總結

通過上面對于某8×4工程自卸車軟軸式變速操縱機構設計計算和優化，形成如下結論：

1）軟軸式變速操縱機構中軟軸的傳動效率和布置、換擋器總成的機械效率、軟軸固定支架設計對整個機構性能起決定性作用，通過優化，操縱力和行程的效率可以提高5%～10%左右。

2）理論計算值與試驗測量值存在一些差距，主要是因為測量方法和誤差以及機械效率誤差造成的，所以后期需要對換擋器總成進行相應臺架試驗。

3）動態驗證能力目前以主觀評價為主，優化評價方法以及動態測量設備的開發是下一步軟軸式變速操縱機構優化的方向。

[1] 王望予. 汽車設計. 機械工業出版社.

[2] 陳家瑞. 汽車構造. [J]人民交通出版社.

[3] 王玉平. 重型載貨汽車變速器遠距離操縱機構設計. 汽車技術.

Design Calculation and Optimization of Heavy Truck Flexible Shaft Transmission Control Mechanism

Wang Kaifeng
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper presents the mechanism and advantage of flexible shaft transmission control mechanism in heavy truck,describes the composition and design requirements of mechanism. This paper detailedly introduces the flexible shaft transmission control mechanism in 8×4 engineering vehicles：design calculate、selecting、trial-manufacture、adjusting and experiment,that satisfing chassis lay out、human factors engineering、driving comfortable and portable. Optimization of light operation in flexible shaft、transmission control mechanism、mounting brackets and transmission of lay out.

Heavy Truck; Flexible Shaft; Transmission Control Mechanism; Design Calculate; Optimization

U467.1

A

1671-7988 (2017)13-35-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.011

王凱峰（1980-），男，研究生，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，主要從事重卡底盤總布置及系統設計。