機械式變速器換擋品質評價方法研究

李尚 張志剛 馬戰勇

河南奔馬股份有限公司 重慶理工大學車輛工程學院 河南省長葛市 461500

1 引言

手動機械式變速器作為車輛傳動系關鍵部件之一，具有改變傳動比、實現倒車、切斷動力等功能，其操縱性能直接影響整車的駕駛舒適性[1]。作為整車性能不可或缺的部分，換擋品質的優劣有著至關重要的影響。傳統的換擋品質評價是依靠主觀打分進行等級劃分，一般采用五分制和十分制，其中描述較為詳細的是十分制，評估者給出從1到10（對應從差到好）的分數來對換擋品質進行評價，如表1所示[2]。

表1 主觀評價打分表

如果根據評價結果將變速器分為五個等級，其中9分和10分對應優秀，7分和8分對應良好，5分和6分對應合格，3分和4分對應較差，1分和2分對應極差。主觀打分評價操作簡單，易于實施，但其存在很多不足之處：

（1）只能粗略的對換擋品質進行等級劃分，不能確定導致影響換擋品質的具體因素，如換擋力或是二次沖擊；

（2）換擋品質的提高很難簡單地依靠1到10的評價得分，特別是對于同一得分等級；

（3）由于換擋過程中的可變因素，一個評估者很難準確確定換擋品質的評價等級，就需要足夠多的評估者進行評價以降低最小誤差，費時費力，同時又存在多種外在因素影響評估者的主觀評價。

因此，仍需要建立一種可計量化的、可靠的、具備重復性的客觀評價方法對換擋品質進行評價。本文從靜態和動態兩方面選取評價指標對換擋品質進行評價，利用靜態客觀評價指標評價非工作狀態下變速器換擋操作機構的換擋性能，又根據動態客觀評價指標建立了換擋品質評價體系。

2 靜態客觀評價指標

靜態換擋性能試驗是在室溫條件，變速器靜止，離合器分離狀態下進行的[3]。靜止狀態下進行換擋性能試驗更側重于測試變速器換擋操作機構的配合、傳力元件的傳遞效率、各零部件的材料屬性、制造精度和推拉軟軸的走向布置等因素對換擋品質的影響。本文選取了擋位自由間隙、換擋軌跡和選/換擋剛度三個指標作為靜態客觀評價指標對變速器換擋品質進行評價。

2.1 擋位自由間隙

擋位自由間隙，在擋位間隙試驗過程中通過對換擋位移和選擋位移的測量和記錄，得到各個擋位的變化范圍，從而評估各個擋位的擋位清晰度以及空間對稱性。擋位的清晰度和空間對稱性能夠幫助駕駛員準確的判斷是否掛入檔和是否掛對檔，同時，擋位自由間隙的大小也直接影響駕駛員的換擋手感，過大的自由間隙影響駕駛員判斷是否已經掛入擋位，過小的自由間隙則會影響駕駛員的換擋操作。通過對大量文獻的查閱，同時結合實際試驗操作，一般要求擋位的自由間隙范圍在10×10mm內。

擋位自由間隙并非是變速器最初的設計要求所決定的，而是由換擋定位方式決定的換擋操作機構一系列的公差累積。換擋定位方式的設計原則，簡稱三心對齊原則，即撥叉圓弧面的圓心須與接合套圓心對齊；在空擋位置時，自鎖銷的中心須位于撥叉軸上的自鎖銷銷槽的中心；在空擋位置時，還必須使得位于撥叉軸上的換擋撥塊槽中心和選擋軸中心對齊[4]。擋位間隙用來衡量變速器的設計要求和換擋操作機構零部件加工精度的優劣。

2.2 擋位軌跡

換擋軌跡，在換擋軌跡試驗中通過記錄換擋過程中換擋位移和選擋位移的變化，得到的各擋位的換擋路徑，用以評估各個擋位的選換擋行程、選換擋行程的空間對稱性、不同擋位間換擋路徑的一致性和重合度以及斜向換擋的平滑性和一致性。

選換擋行程的設計與變速器的安裝布置位置有關，為滿足駕駛員的換擋的舒適性，行程大小要在一定的設計范圍之內。換擋行程過大會增加駕駛員的操作強度，而換擋行程過小容易產生換擋的不適感，同時也增加變速器的設計制造難度，一般來說，換擋行程應在100mm之內，選擋行程應在60mm之內。

此外，擋位的選換擋行程要求具備空間對稱性，即理想狀態下Ⅰ擋、Ⅱ擋、Ⅲ擋、Ⅳ擋和Ⅴ擋的換擋行程相等，Ⅰ擋、Ⅱ擋和Ⅴ擋的選擋行程相等。選換擋行程的空間對稱性有利于提高駕駛員的換擋操作感和擋位感，一般駕駛車輛時即使不目測換擋桿位置也能清楚的感覺到換擋桿位置，掛入目標擋位，同時也能提高行駛安全性。

2.3 選/換擋剛度

選/換擋剛度，在選/換擋剛度試驗中通過試驗測得換擋力增量和相應的位移變形量，兩者的比值即為選/換擋剛度，用以評估操作機構的選/換擋可靠性。在選擋試驗接近選擋極限時，加大作用在換擋手柄上的作用力，測得變形位移，即可計算出選擋剛度。同樣的，在換擋試驗中，在換至Ⅲ擋以及Ⅳ擋之后，在擋位位置上沿著換擋方向加大作用力，即可完成換擋剛度的試驗。變速器操作機構剛度一般在5～10N/mm范圍內[5]。

選/換擋剛度的計算公式：

選/換擋剛度=△F/△S （式1）

式中：△F—換擋力增量；△S —換擋力增量對應的位移變形量。

3 動態客觀評價指標

動態換擋性能試驗，即在動態試驗條件下，N→Ⅰ檔，Ⅰ檔→Ⅱ檔，Ⅱ檔→Ⅲ檔，Ⅲ檔→Ⅳ檔，Ⅳ檔→Ⅴ檔每擋位反復多次試驗，測得換擋力、換擋位移、輸入轉速、輸出轉速等指標。動態換擋性能試驗通過對測得的換擋力和換擋位移的試驗數據進行分析處理，得到各個擋位的換擋特性曲線，從而分析每個擋位的換擋性能，最終評估整個變速器的換擋性能。

3.1 最大換擋力

最大換擋力即駕駛員完成換擋動作所需要施加在換擋手柄的最大操作力，一般發生在換擋過程中的同步階段，也叫最大同步力。駕駛員在進行換擋操作時，最直接的感受就是完成換擋動作所需施加的操作力的大小。因此，最大換擋力是最直觀的變速器換擋性能的評價指標。進行變速器設計時最大換擋力值應在一定范圍內，最大換擋力過大增加駕駛員的勞動強度，長時間的換擋操作易使駕駛員產生疲勞，最大換擋力過小則會降低駕駛員的換擋操縱感，降低換擋舒適性。根據關于人體操縱力的國家標準：GB/T14775-93操縱器一般人類功效學規定，最佳的操縱力范圍在5～20N之內。同時，通過查閱大量相關資料，結合實際試驗分析，對最大換擋力的大小進行等級劃分，具體等級劃分見表2。

表2 最大換擋力等級劃分

表3 同步時間等級劃分

表4 同步沖量等級劃分

表5 二次沖擊力比等級劃分

3.2 同步時間

換擋時間是指駕駛員開始操作換擋手柄到掛入目標擋位整個換擋過程所用的時間，而同步時間指的是在換擋過程中使待嚙合的同步環和接合齒圈兩部分轉速趨于一致所需要的時間。同步時間是反映同步器同步性能優劣的重要參數，與換擋力、同步環錐面摩擦系數、同步環錐面錐角等多方面參數有關，而且在變速器換擋性能試驗中對同步時間有明確的要求，直接關系變速器換擋品質的優劣。在實際試驗過程中，同步時間的定義是指換擋過程中變速器輸入端轉速開始變化到達到目標擋位轉速所經歷的時間，同步時間的具體等級劃分見表3。

3.3 同步沖量

同步沖量的定義是在同步時間內換擋力與時間的積分，在換擋過程中，當駕駛員施加的換擋操作力較大時，換擋時間短；當駕駛員施加的換擋操作力較小時，換擋時間長。而同步沖量作為同步器的固有特性，不隨駕駛員的操作或是其他外界因素的影響而變化，體現了換擋過程駕駛員完成換擋動作所消耗的能量。一般來講，同步沖量值越小說明同步器同步性能越好，換擋品質越優，關于其具體等級劃分見表4。

3.4 二次沖擊力比

在換擋過程中，同步階段完成后接合套越過同步環與接合齒圈接觸，產生二次沖擊。二次沖擊現象的產生嚴重影響了換擋舒適性，而且過大的二次沖擊也將影響換擋過程的平順性。在QC/T 568-2010《汽車機械式變速器總成臺架試驗方法》變速器換擋性能試驗中明確規定：變速器設計在滿足同步時間和同步力要求的情況下，二次沖擊力的峰值不高于同步力的70%。因此在實際研究中，用二次沖擊力比描述二次沖擊現象的程度，二次沖擊力比的定義是二次沖擊力與最大換擋力的比值，即：

具體等級劃分見表5。

4 綜合評價方法的建立

4.1 評價方法分析

目前，常用于建立換擋品質評價體系的方法有線性回歸分析法，神經網絡建模法和權重賦值法等。根據所選取的評價指標的特點，本文選取權重賦值法建立換擋品質評價體系。權重賦值法有多種，如專家調查法、模糊綜合評價法、層次分析法、關聯矩陣法和變異系數賦權法等，不同的方法具有各自的特點[6-10]。

4.1.1 專家調查法

專家調查法主要依據專家自身的理論知識和實踐經驗對問題進行分析、判斷和預測，進而對各個指標進行權重賦值。該方法集中了專家的理論知識和實踐經驗，適合缺乏大量參考標準和客觀數據的情況下，對問題進行分析預測，簡單方便，利于實施。但主觀性太強，受人為因素影響太大。

4.1.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法基于模糊數學的基本理論，利用模糊關系合成的原理，試圖用數學工具來解決一些模糊不清的問題，將一些不易定量、邊界不明的對象定量化，從而建立綜合評價體系。其特點在于每個評價指標有唯一的權重值，評價指標不被所處指標集合的改變而影響。

4.1.3 層次分析法

層次分析法是將目標系統分為多個互不相同的目標因子，再就這些目標因子之間不同的隸屬關聯關系劃分不同的組成層次，最終將目標系統變成具有遞進關系的多層次系統模型。將同一層次的目標因子與上一層次的目標因子兩兩進行重要性分析，從而根據分析結果得到兩兩比較判斷矩陣，對判斷矩陣進行歸一化處理得到各目標因子的權重值。該方法按照分解、構建多層次系統模型、建立判斷矩陣、歸一化處理的處理步驟建立了一個系統性、多層次的目標結構模型，清晰明確地分析每個目標因子對目標問題的影響程度，過程更系統化，結果明確。但該方法要求對判斷矩陣進行一致性分析，當判斷矩陣階數較大時一致性的分析往往就比較困難了。

4.1.4 變異系數賦權法

變異系數賦權法是根據評價指標在被測試對象上測量數值的變異大小的程度確定權重，變異程度大則權重值大，變異程度小則權重值小。其特點是評價指標權重值的確定更客觀，但實際操作中會因測試對象的不同和數據的測量范圍等因素而產生差異。

4.1.5 關聯矩陣法

關聯矩陣法又稱為逐級對比法或逐對比較法，也就是將各個指標兩兩進行重要性對比，然后打分，兩者中較重要者記1分，另外一個則記0.5分，完成所有指標的對比分析，將得分進行匯總再進行歸一化處理就可得到各個指標的權重值。關聯矩陣法應用的關鍵在于各個指標進行兩兩對比時的重要性分析，以及運用各個指標進行評價的尺度劃分，該方法結合了主觀和客觀分析，過程簡便易于操作。

通過分析不同權重賦值法的優缺點，結合實際操作應用，本文選擇采用關聯矩陣法作為評價變速器換擋品質的評價方法。

表6 各指標權重值表

4.2 各擋位換擋品質評價

本文選取最大換擋力、同步時間、同步沖量和二次沖擊力比作為評價指標，運用關聯矩陣法對四個評價指標進行權重計算，再結合每個指標的等級劃分得出評價尺度表，進而計算出某個擋位的評分值，具體方法如下：

（1）運用關聯矩陣法，將四個評價指標進行兩兩重要性分析，兩者中較重要的記1分，次重要者記0.5分，如同步時間和二次沖擊力比進行重要性分析，就換擋舒適性以及行業標準，二次沖擊力比對換擋品質的影響較同步時間大，因此二次沖擊力記1分，同步時間記0.5分，依次比較，記錄下評價指標兩兩比較下的得分。

（2）將各個指標的得分進行匯總統計，得到每個指標的總得分，進行歸一化處理得到每個評價指標的權重值，見表6。

（3）在分析各評價指標時將每個評價指標分為了優秀、良好、及格、較差和極差五個等級，每個評價等級所對應的分數見表 7。

（4）通過查閱大量文獻資料、行業標準、企業實際生產設計要求和實際試驗過程操作分析，確定了各個評價指標不同評價等級所對應的取值范圍，再結合評價等級分數表，得到綜合評價尺度表，見表8。

（5）結合各指標權重值表和評價尺度表，計算變速器某擋位的評分值W，公式如下：

式中：Wi—第i個評價指標的權重值；Ri—第i個評價指標的分值。

（6）參考主觀評價評分表，將變速器各擋位的換擋質量評分值分為5個等級，評分值所對應的評價等級見表9。

4.3 變速器換擋品質評價

為滿足車輛不同的行駛條件，變速器設有多個擋位，如低速擋、中速檔、高速擋和倒擋，而在實際使用過程中，每個擋位的使用頻率是不同的。因此，基于各擋位的使用頻率，運用關聯矩陣法對各擋位進行兩兩重要性對比分析，得出每個擋位的權重值，如表10所示。

表7 指標評價等級分數表

表8 評價尺度表

表9 各擋位換擋品質評價等級表

表10 各擋位權重表

表11 擋位評價等級分數表

上節中將各擋位的評分值分成了5個等級，各個等級所對應的分數見下表11所示。

結合各擋位權重值表和評價等級分數表，計算變速器的評分值W，公式如下：

式中：Wi—第i個擋位的權重值；Ri—第i個擋位的分值。

同樣，將變速器的換擋品質評分值分為5個等級，評分值所對應的評價等級見表12。

表12 變速器換擋品質評價等級表

5 結語

（1）本文介紹了傳統十分制評價細則，分析了傳統主觀評價的優缺點。

（2）從靜態和動態兩方面選取了擋位自由間隙、擋位軌跡、選/換擋剛度、最大換擋力、同步時間、同步沖量和二次沖擊力比等變量作為評價指標對換擋性能進行評價，其中將四大動態客觀評價指標分為五個評價等級并確定每個等級所對應的評價尺度。

（3）通過對比分析不同權重賦值法的優缺點，結合實際操作應用，選用關聯矩陣法對所選取的四大動態客觀評價指標以及各個擋位進行權重賦值。最后，建立了一套完整的換擋品質評價體系。