某中型卡車型換擋困難分析與改進

吳江 趙培生 黃東東

摘 要：文章針對某中型卡車1/2擋難掛問題，對離合器系統、發動機轉速、變速器換擋力、操縱系統阻力、軟軸性能及其布置形式進行了實驗分析，發現換擋困難的根本原因為軟軸布置不合理和軟軸性能低。據此，提出了優化軟軸的結構和布置的改善方法，并對所提出的優化方案進行試驗驗證。結果表明所提出的優化方法解決了該車型1/2擋難掛的問題，提升了整車的換擋性能，并為以后的換擋系統設計提供了理論依據。

關鍵詞：離合器；換擋力；軟軸；換擋性能

中圖分類號：U462.3 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-139-04

Abstract： In this paper， an experimental analysis is carried out on the clutch system， engine speed， transmission gear shifting force， control system resistance， soft shaft performance and its layout of a medium-sized truck. It is found that the root cause of the shifting difficulty is the improper placement of soft shaft and low performance of soft shaft. Based on this， an improved method to optimize the structure and layout of the soft shaft is proposed， and the proposed optimization scheme is tested and verified. The results show that the proposed optimization method can solve the problem of gear shifting， improve the gear-shifting performance of the whole car， and provide a theoretical basis for the future gear-shifting system design.

Keywords： Clutch； Shift force； Soft shaft； Shift performance

CLC NO.： U462.3 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-139-04

前言

隨著社會經濟的快速發展。用戶對商用車駕駛舒適性要求越來越高，而換擋性能作為駕駛舒適性的一個關鍵評價指標，成為提升汽車駕駛體驗的重點難題。本文主要針對某中卡車型1/2擋難掛的問題通過進行系統性的分析及驗證。

1 問題描述

某款中卡市場反饋“擋位難掛”，通過對該公司市場故障反饋系統（DMS）反饋的擋位難問題進行梳理并走訪市場后確認，用戶新車主要主要存在起步1/2擋掛擋力大的問題。

根據客戶反饋的情況，隨機抽取4臺車輛進行1/2擋怠速換擋力進行測量，測試結果如表1。

由測試結果可以得出， 1/2擋換擋力均遠大于目標值（≤55N），由此可確認新下線車型存在1/2擋怠速掛擋力大的問題。

2 換擋原理及過程分析

如圖1所示，為某中卡車型變速系統結構圖。對于手動變速器，駕駛員在進行換擋操縱時，通過操作換擋手把進入指定擋位來實現。

上述換擋過程中，影響駕駛員操作力的主要有變速操縱座總成的阻力，操縱座的杠桿比，軟軸的阻力及變速箱本身的換擋力大小；怠速狀態下進行換擋操作，還需要對變速箱的動態換擋性能進行評價，可以基于下面的公式（1）對影響動態換擋性能的因素進行說明[3]：

式中：MC為同步力矩；F為作用在同步環上的軸向力；μC為同步環摩擦系數；Rc為同步環錐度半徑；θ為同步環錐度半角；Mg為慣性力矩；Jw為輸入端轉動慣量；?ω為轉速差；t為同步時間。

在適當的力F和同步時間t下，同步器提供的同步力矩MC必須大于或等于此時目標擋位的慣性力矩Mg，這樣才能順利換入目標擋位，否則會導致駕駛員感覺換擋力大或者換擋沖擊。

從公式（1）分析，除了排查同步器本身的設計因素外，影響動態換擋的要素主要為輸入端的轉動慣量Jw，其中關鍵是與其匹配的離合器從動盤的轉動慣量，一般要求在滿足整車使用的情況下從動盤的轉動慣量越小越好；同時必須保證換擋時，離合器分離徹底，否則會導致整體輸入端的轉動慣量劇增，嚴重影響換擋性能。其次是轉速差?ω，理論要求轉速差越小越好，而在怠速狀態下，由于車輛處于靜止狀態，影響轉速差的關鍵是發動機的怠速轉速。

利用質量管理工具中的故障樹，對可能導致變速操縱換擋力過大的的原因進行了多層次的詳細分析，其故障樹分析如圖3所示。

3 原因分析

3.1 離合器系統檢查

對離合器系統的從動盤慣量和離合器的分離兩個方面分別進行分析。

3.1.1 離合器從動盤轉動慣量檢查

從公式（1）可以看出，離合器從動盤的轉動轉量是決定換擋水平的一個重要因素。隨機抽取3個離合器從動盤進行轉動慣量的測試，測試結果如表2所示。

由表2測試結果可知所選的5個離合器從動盤符合設計要求（≤0.075kg·m2 ）。現將合格的離合器裝到故障車輛上，進行換擋實驗，換擋性能沒有變化，可以判斷從動盤轉動慣量為非主要原因。

3.1.2 離合器分離檢查

分析可知，當推桿行程≥23.1mm即可徹底分離。現對測試換擋力的10臺車進行推桿行程測試，測試結果如圖4所示。

由圖3可知，推桿行程測量最小值為24mm，均滿足要求。可以判定離合分離不是主要原因。

3.2 操縱系統桿杠比確認

通過對標桿及同類車型的手柄端換擋行程進行對比本車型換擋行程及杠桿比是合適的，判定操縱系統杠桿比不是主要原因。

3.3 發動機怠速檢查

由公式（1）可知怠速轉速可能對換擋力產生影響，對比同類車型在相同輸出扭矩下發動機的怠速狀態的轉速，從對比數據可以看出同一輸出扭矩的發動機怠速轉速基本相當，可以判定發動機怠速時的轉速不是主要因素。

3.4 變速器換擋力檢查

駕駛員手柄處換擋力為[4] 。

當系統效率η及操縱機構換擋比i比一定時，手柄端換擋力主要受變速器端換擋力影響，根據此公式計算，整車手柄端換擋力F≤55N時，變速器端換擋力F變≤155N，抽取不同批次的變速器進行臺架測試，測試數據滿足要求。更換檢測后的變速器進行評價：換擋性能無變化，可排除變速器換擋力大因素。

3.5 操縱系統阻力分析

3.5.1 操縱座檢查

隨機抽取5套操縱機構進行測試，對其操縱座的阻力分別進行測量，滿足標準要求。

3.5.2 軟軸阻力檢查

在如圖4所示的軟軸測試臺架上模擬整車布置對軟軸空載阻力進行測試[5]，測試結果如表3。

從測試數據可以看出軟軸空載阻力偏大，不滿足設計要求（阻力≤8N），軟軸阻力大的原因，一是軟軸布置不合理，二是軟軸性能差。

a）軟軸布置不合理

對整車軟軸布置進行檢查，發現軟軸彎曲半徑較小，且軟軸管夾固定過緊，對軟軸布置進行調整，換擋力下降，可判定其為主要原因。

b）軟軸性能檢查

抽取3套軟軸按行標《QC/T 29101 汽車用操縱拉索總成》對軟軸進行測試[6]。測試結果軟軸性能符合行標要求（效率≥85%，阻力≤8N）。

4 優化設計

根據上述分析可知換擋力過大的主要原因是軟軸布置不合理和軟軸性能差，現針對這兩個主要原因進行優化設計。

4.1 優化軟軸的布置

將軟軸固定位置從車架腹面改為上翼面固定，增大軟軸的轉彎半徑；固定方式由夾緊固定改為間隙固定如圖5所示，減小阻力。

經過以上對策實施，對整車換擋力進行測試及主觀評價，測試結果如表5所示。

從改進后的測試結果可以看出，改進軟軸布置后換擋力明顯降低，但未達到標準要求，說明分析排查過程存在問題，需要進行二次確認。經過臺架試驗軟軸布置和整車對比，發現軟軸測試標準軟軸布置和實車布置不一致，標準不能完全代替實際狀態；按整車布置狀態進行臺架測試，測試結果如表5所示。

從測試結果可以看出軟軸的空載阻力不滿足設計要求（阻力≤8N）。所以在整車布置條件下，軟軸性能差，不符合設計要求，也是1/2擋換擋力大的主要原因，軟軸性能需進一步提升。

4.2 優化軟軸結構

對軟軸進行改進。如圖10所示，內襯采用具有自潤滑性能的PTFE材料；芯軸表面增加注塑芯軸，減小摩擦面積，降低阻力；

將改進后的軟軸，模擬整車布置進行臺架測試，測試結果如表6所示。

改進后軟軸的空載阻力滿足要求（阻力≤8N）。

5 整車測試

現抽取安裝優化后的軟軸進行測試，測試結果如表7所示。

從測試結果可以看出，安裝優化后的軟軸，此款車型的換擋力都小于目標設定值55N以下。

6 結論

（1）通過逐步驗證的方法找到了影響某中卡車型1/2選換困難的原因是因為軟軸布置不合理和軟軸性能較差。

（2）優化設計了軟軸的結構和布置，有效解決了某中卡車型1/2選換困難的問題。

（3）優化后感受換擋力有明顯下降，且換擋手感較以前明顯變好，整車換擋性能大幅提升。

參考文獻

[1] 陳玉祥，臧孟炎，陳勇等.基于虛擬樣機技術的手動變速器換擋力分析[J].中國機械工程，2012， 23（8）：996-1000.

[2] 王霄鋒.汽車底盤設計[M]. 清華大學出版社， 2010.

[3] 陸靜靜，葉尚陽.汽車選換檔軟軸操縱的設計[J].汽車實用技術， 2017（5）：19-22.

[4] 馬巖.汽車換檔操控機構綜合性能試驗系統控制研究[D].長春理工大學， 2013.