汽車手動換擋系統換擋力優(yōu)化研究

曾慶強 魏強 苗芮 劉宇男 劉慶鵬

摘 要：換擋操縱性能是評價汽車行駛優(yōu)越性和平順性的重要指標，換擋過程中的換擋力是換擋操縱性能的一項關鍵環(huán)節(jié)。文章通過對轎車換擋性能進行分析，分解換擋操縱性能的各種因素，得到影響換擋力性能的主要原因。并對影響換擋力性能的變速箱和換擋機構等關鍵部件進行優(yōu)化改進，將優(yōu)化前后的零部件進行試驗對比分析，驗證優(yōu)化措施的有效性。為汽車手動換擋系統的開發(fā)和應用研究提供理論指導。

關鍵詞：換擋性能;換擋力;變速箱;換擋機構

中圖分類號：U463.22? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2019）04-71-04

前言

汽車的換擋輸入過程要靠變速箱操縱機構來實現。變速箱操縱機構應保證駕駛員能準確而可靠地使變速箱掛入需要的任一檔位工作，并隨時使之推到空擋，從而完成選檔和實現換擋或推到空擋^[1-2]。變速箱操縱機構應當滿足如下主要要求：換擋時只能掛入一個檔位，換擋后應使齒輪在全齒上嚙合，防止自動脫檔或自動掛檔，防止誤掛倒檔，換擋平順輕便、無發(fā)滯、發(fā)卡現象^[3]。換擋力過大或過小都將影響換擋操縱性能^[4]。因此駕駛員在行駛過程中對換擋操縱性能有較高的技術要求。

在新車型開發(fā)和認可過程中，對于換擋性能會進行各種測試與驗證，不僅對單個零件的尺寸、材料和性能進行檢驗，而且還需要通過整車驗收對換擋系統進行測試和評價，從而確保換擋系統的操縱性能滿足設計要求。本文以某手動擋汽車換擋系統為研究對象，通過分析影響換擋困難的各種因素，對影響換擋力特性的關鍵部件進行優(yōu)化改進，對優(yōu)化前后進行試驗對比分析，并通過整車換擋性能對比分析及評價，驗證措施有效性。因此通過深入分析和評價換擋操縱性能，為汽車手動換擋系統的開發(fā)及應用具有一定的指導意義。

1 換擋系統模型建立

駕駛員在換擋過程中，通過直接操縱換擋手柄，經外換擋機構和變速箱內換擋機構完成檔位輸入，并通過結合齒輪實現變速箱換擋功能。當變速器在汽車上的布置離駕駛員座位較遠時，需要在變速桿與撥叉軸之間加裝一套傳動機構或輔助杠桿，實現對變速器的遠距離操縱。此時，操縱機構由外部操縱機構和內部操縱機構兩部分構成，變速箱操縱機構分外換擋機構和內換擋部件兩部分組成^[1]。外換擋機構主要包括換擋機構本體、換擋拉索、拉索支架、前換擋桿總成及回轉臂總成等組成。內換擋部件主要由換擋軸、換擋撥叉以及與換擋相關的結合齒輪等組成。

1.1 換擋功能原理分析

駕駛員在換擋時只能掛入一個檔位，換擋后應使齒輪在全齒上嚙合，防止自動脫檔或自動掛檔，防止誤掛倒檔，要求換擋平順輕便、無發(fā)卡、發(fā)滯等現象。本文以某五檔手動變速箱車型為研究對象，外換擋系統與內換擋系統的連接靠Z軸的直線運動和繞Z軸的轉動完成選檔和換擋，研究和分析外換擋與變速箱之間的連接方式，如圖1所示。

1.2 選檔行程模型

駕駛員在行駛過程中，通過操縱換擋手柄，實現在Y向選檔和X向換擋輸入。通過分析選檔和換擋過程，將選檔行程和換擋行程單獨進行分解分析。圖2為Y向選檔傳遞路線模型。

1.3 換擋行程模型

利用同樣分析方法，可得到換擋行程傳遞路線模型，如圖3所示。

通過分析整個換擋過程各零部件之間連接關系，假設換擋和選檔拉索為剛性體，并利用系統自由度計算方程（1）可以求得選檔行程的系統自動度DOF=1，即在換擋桿1處施加X向移動，在換擋軸位置6處可以實現變速箱換擋軸的繞Z向轉動，從而帶動換擋撥叉和同步器進行換擋和倒檔動作。

2 換擋性能影響因素分析

由于換擋性能涉及整個變速箱內換擋系統和外換擋系統，根據建立的換擋系統模型，本文從五個方面對影響換擋性能因素進行了分析。

2.1 裝配線檢查

整車在裝配線安裝時，需嚴格按照各部件工藝裝配技術要求執(zhí)行。變速箱與外換擋機構之間的連接是否準確裝配，直接關系到整個系統的換擋性能優(yōu)越性及平順性。若換擋機構未按照設計要求進行裝配，致使變速箱換擋撥叉不能按照駕駛員的意愿準確實現功能，從而易造成換擋困難、發(fā)卡或發(fā)滯等現象。

2.2 潤滑系統檢查

潤滑系統可降低各零部件之間連接產生的磨損，提高零件使用壽命。同時可以使連接件之間的相對運動保持良好的運行狀態(tài)。因此在總成件及整車裝配線的生產工藝實施過程中，對潤滑系統提出了明確規(guī)定。通過對建立的整車選檔和換擋行程模型進行分析，換擋操縱系統的潤滑系統主要包含零部件之間鉸接副、移動副及球型副等連接位置組成。

2.3 零部件檢查

對于換擋系統的零部件檢查主要分變速箱和換擋機構兩個主要組成部分。對于不同模塊下的零件需要對總成件和單個散件分別進行分析，重點分析與傳遞運動和動力相關的關鍵部件。針對變速箱主要對換擋軸、換擋撥叉、同步器進行檢查。對于外換擋機構主要對換擋桿、換擋球型支座、殼體轉臂、銷軸、拉索、前換擋桿及回轉臂進行檢查。依據圖紙和相應標準要求對關鍵部件進行尺寸、材料測試，同時對不同總成件進行換擋力測試。檢查各零部件的性能是否符合標準要求。

2.4 換擋系統性能試驗

汽車換擋操縱性能要求各零部件滿足設計要求，裝配線安裝完畢后，需要進行整車驗收。換擋性能評價和試驗是整車驗收的一項重要環(huán)節(jié)。整車驗收通常分主觀評價和客觀試驗兩部分組成。對汽車手動換擋系統進行優(yōu)化分析，要從整體角度進行分析，將相應關聯的零部件需要進行優(yōu)化改進，并非只針對某單一零件進行改進。優(yōu)化改進要從多個因素進行綜合分析，并制定相應措施。

3 變速箱內部優(yōu)化

根據建立的選檔和換擋行程模型，以及對影響換擋力的各零部件進行拆檢，檢查各零部件之間匹配、結構及尺寸。本文是某車型開發(fā)過程的換擋性能優(yōu)化為案例，從如下三個方面對變速箱內部優(yōu)化進行了分析。

3.1 換擋軸總成優(yōu)化

通過拆檢變速箱內部零部件，對換擋軸內部直臂處存在毛刺進行表面優(yōu)化處理。通過對直臂處進行拋光處理，提高表面光潔度，降低零部件直接的接觸摩擦。

3.2 換擋撥叉總成優(yōu)化

對影響換擋操縱力的換擋撥叉總成進行優(yōu)化。通過對面換擋撥叉進行測試和分析，可以對撥叉總成配合孔邊緣處拋光處理，提高光潔度，降低接觸表面之間的摩擦。

3.3 換擋齒輪結合齒監(jiān)控優(yōu)化

針對變速箱內部齒輪加強生產工藝監(jiān)控，對影響換擋性能較大的一檔和二檔結合齒輪和換擋齒輪在焊接和熱處理在線過程監(jiān)控，保證相應尺寸滿足要求。對一檔和二檔換擋齒輪齒形公差/倒錐角/單周節(jié)周累/周累的進行精確測量，并對跨棒距和徑向跳動進行在線測量。

對于在線監(jiān)控的齒輪可以使用熱后檢具檢測成品相關尺寸，在檢驗卡上添加相關尺寸，按一定頻次進行日常監(jiān)控。保證批量生產加工過程中的齒輪各尺寸及產品性能滿足設計要求。

4 外換擋機構優(yōu)化

根據建立的選檔和換擋行程模型，對影響換擋力較明顯的外換擋機構各零部件進行分解檢查，并通過對換擋機構進行換擋摩擦力對比試驗可知。針對換擋機構，影響換擋系統換擋力特性的主要因素為拉索的摩擦力，本文可以從如下三個方面對換擋拉索進行優(yōu)化改進。

4.1 外拉索優(yōu)化

換擋拉索主要由內拉索和外拉索兩部分組成，外拉索靠兩端接口保持固定連接，內拉索在外拉索內部來回滑動形成移動副。若兩端接口在生產工藝實施過程中壓合過緊，在內拉索與外拉索之間便產生較大摩擦力，進而使換擋過程中的換擋力加大。

對優(yōu)化前的外拉索進行壓合前后尺寸檢測可知，壓合后的外拉索內徑尺寸要求的下限附近，因此需要調整壓合過程中的生產工藝，擴大外拉索內徑，使內外拉索之間的相對滑動摩擦力保持在較低的水平。

4.2 內拉索優(yōu)化

通過分析內外拉索之間的換擋傳遞關系以及對比內拉索在自然狀態(tài)下的直線度，研究表明內拉索的直線度同樣可以影響換擋摩擦力。直線度越好，換擋摩擦力越小。相反，彎曲程度越大，內拉索與外拉索內襯管之間的摩擦程度越強。

造成內拉索直線不理想的原因可能來自三個不同方面：首先是鋼絲繩芯直線度不佳;其次是鋼絲纏繞時纏繞力不均勻;最后是成品內拉索使用圓盤處理產生彎曲影響。因此在生產加工時通過增加一道矯直工藝，同時將成品內拉索切斷后放置，避免園盤狀態(tài)在物流過程中造成對鋼絲繩形態(tài)的改變。通過改善拉索直線度降低內外拉索因彎曲產生的額外摩擦。

4.3 終端在線檢測

為保證批量階段的換擋機構總成摩擦力100%滿足設計要求，需要在換擋拉索生產裝配線的終端增加一套選檔和換擋方向摩擦力檢測設備。將每臺換擋機構進行編號處理，并將所有下線的換擋機構摩擦力值進行記錄，并儲存在數據庫中，后續(xù)可以查詢任一件換擋機構的拉索換擋力數據。換擋力不合格的零件設置警示標識，禁止流通到成品庫中。在進行100%終端檢測時，要求測試臺架的按照整車換擋系統的安裝位置搭建，保證測出的試驗結果與整車換擋過程的實際狀態(tài)一致。通過加強在線管理與控制，從而保證所有出廠的外換擋機構換擋力合格。

5 優(yōu)化驗證分析

本文重點對外換擋機構進行優(yōu)化前后試驗對比，驗證措施的有效性。同時將優(yōu)化后的變速箱和換擋機構安裝整車上進行評價與驗收，通過整車主觀和客觀評價，驗證優(yōu)化措施的可行性。

5.1 換擋機構優(yōu)化驗證

為保證優(yōu)化前后的零件測試狀態(tài)一致，將換擋機構置于溫度箱進行熱存放，待零件冷卻到常溫狀態(tài)進行測試。圖4為換擋機構選檔力和換擋力優(yōu)化比例結果。

通過試驗對比分析可知，優(yōu)化后相比優(yōu)化前換擋機構在換擋力X向和選檔力Y方向均明顯改善。這說明增加壓合之后的內拉索直徑，?可以增大內拉索與外拉索之間的間隙，降低了內外拉索之間的摩擦力，同時通過增加內拉索校直工序，可以將內拉索彎曲變形引起的摩擦力減小到最低，降低了在選檔和換擋方向的摩擦力。

5.2 整車換擋性能驗證

整車終端檢測是驗證優(yōu)化措施有效性的末端評價環(huán)節(jié)，優(yōu)化改進的措施是否可行，需要在整車上進行驗證和評價。將優(yōu)化前后的變速箱和換擋機構安裝到整車上進行靜態(tài)和動態(tài)主觀換擋對比評價，通過人機工程學進行整車性能驗收，評價換擋力和人體之間配合優(yōu)越性，以產品是否順手和方便為評價標準。

6 結論

研究表明，通過分析汽車手動換擋系統工作原理，建立選檔行程和換擋行程傳遞模型，有助于清晰分析換擋過程中的動力和運動傳遞關系。對換擋系統換擋力影響因素進行逐一分析和排查，可準確找到影響換擋力的關鍵因素。對相關零部件進行優(yōu)化改進和試驗對比分析，并通過換擋系統性能評價，驗證優(yōu)化措施的有效性。通過本文研究及分析，為今后汽車換擋系統的開發(fā)及應用起到一定的指導作用。

參考文獻

[1] 陳家瑞.汽車構造（下冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：61-66.

[2] 王望予.汽車設計（第四版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：108 -209.

[3] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000：170-213.

[4] 陳玉祥，臧孟炎，陳勇，胡志華.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. 04. 23（8）：996-1000.

[5] 高中庸.機械原理[M].武漢：華中科技大學出版社，2011，10-50.