乘用車手動變速箱外部換擋系統設計提升及試驗驗證

潘鵬 姜曉來 孫曉娜 王青海 孫天宇

摘 ?要：根據乘用車手動變速箱外部換擋系統的研究，對外部換擋系統的主要結構原理進行分析，找出系統結構和擋位品質的相關性，進而提出外部換擋系統品質提升方案，并通過主觀評價和客觀測試對提升方案在靜、動態擋位品質改善上的效果進行充分驗證。為外部換擋系統擋位品質提升，建立一套完整的設計開發、試驗驗證流程方法。

關鍵詞：外部換擋系統;擋位品質;評價指標;試驗方法

中圖分類號：U467.1 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2020）05-0059-06

Abstract： According to the research of manul transmission external shifting system on passenger car， the main structural principles of external shifting system was analysed， the correlation between system structure and gear quality was found， then the gear quality improvement scheme of external gear shifting system is put forward， subjective evaluation and objective observation test were used to fully verify the effect of the improvement scheme on improving static and dynamic gear quality. A complete design and test verification process method is established for the gear quality improvement of external gear shifting system.

Key Words： External Shift System; Gear Quality; Evaluation Index; Experiment Method

前言

隨著乘用車在市場上的不斷普及，以及消費者對車輛認知的不斷加深，人們也越來越重視車輛各個方面的質量品質，相應的針對車輛各零部件的研發和評估也越加細致和深入。換擋系統操作力在駕駛員的日常駕駛中可謂是至關重要，它直接影響到駕駛員的操作感受進而影響到駕駛員對車輛品質的判斷，因此，為了提高自身產品的品質，各大汽車廠家已逐漸加大了對換擋系統品質的研究。

換擋系統品質是由變速箱外部換擋機構品質和變速箱內部換擋機構品質兩部分共同組成的。其中，變速箱外部換擋機構是由換擋球頭、換擋器和換擋軟軸等零件構成的，這些零件的質量、杠桿比、曲率等相關參數都直接影響到外部換擋系統品質。因此，在外部換擋系統的研究中，如何合理的調整這些參數變量，提升外部換擋系統品質便成為了研究重點，同時如何通過主觀評價和客觀測試對提升方案進行驗證也十分必要。

1 ? ?外部換擋系統品質要素分析

乘用車手動變速箱外部換擋系統主要由平衡塊、選換擋軟軸、手球、換擋器總成四個部分組成，如圖1所示：

乘用車手動變速箱換擋品質優劣取決于動力總成系統和外部換擋系統，其中外部換擋系統換擋品質要素如下：

（1）平衡塊：平衡塊安裝在變速箱換擋支架上，可利用平衡塊旋轉慣量改善換擋吸入感、換擋平順性。平衡塊的旋轉慣量越大，則吸入感越強、平順性越好，但會導致換擋力增大。

（2）選換擋軟軸：選換擋軟軸的走向和剛性影響選換擋力和系統的振動噪聲，選換擋軟軸安裝后的最小曲率越大，選換擋軟軸的內阻越小，則選換擋力越小。選換擋軟軸的剛性越大，則振動噪聲越大;剛性越小，則選換擋系統剛度越小，對自由間隙和選換擋行程均有不利的影響。通過優化選換擋軟軸的安裝走向，提高曲率半徑，優化選換擋軟軸套管及芯線材質，使選換擋力得到下降。

（3）手球：手球的形狀、材質、高度匹配直接影響手動擋換擋品質友好性，通過采用適當的手球質量、整體高度，提升操作舒適性、美觀度及換擋吸入感。

（4）換擋器總成：換擋器中各摩擦副性能水平、各摩擦副的配合間隙、杠桿比、回位彈簧性能、換擋器結構、各部件剛度、緩沖材料性能，換擋器總成對換擋品質的影響如下表1所示。

2 ? ?外部換擋系統擋位品質提升方案

2.1 ? 平衡塊慣量匹配

平衡塊旋轉慣量合理匹配能很好的改善換擋吸入感、換擋平順性，本方案將平衡塊設計為調整式，通過調整安裝的平衡塊數量來改變旋轉慣量。如圖2所示：

以主觀評價為主，客觀測量為輔的測試方案，確定換擋吸入感、換擋平順性與換擋力綜合評價最優方案，最終確定選擇5個平衡塊的配重方案。

2.2 ? 選換擋軟軸匹配

軟軸的內阻與其走向密切相關，轉彎越少，曲率半徑越大，走向就越平順，其內阻也就越小。本方案通過調整變速箱換擋支架安裝固定點，進而調整軟軸布置，使其曲率半徑由130mm加大到200mm，進一步減小軟軸內阻。

軟軸內阻由套管和芯線結構、材料決定，本方案預制了由不同的套管、芯線材料制成的七種選換擋軟軸改善方案。結合平衡塊選擇方案，對七種選換擋軟軸方案進行客觀測量和主觀評價，綜合考慮性能水平及成本，最終確定選擇方案七。如圖3所示：

2.3 ? 換擋器總成改善

2.3.1 球襯改善方案

球襯由整體式改為兩半式，增加柔性墊。通過柔性墊預壓變形消除自由間隙，并在磨損后實現間隙補償。采用新摩擦副材料，摩擦阻力減小，表面加工精度要求提高。如圖4所示：

2.3.2 選擋搖臂改善方案

選擋搖臂轉軸兩端增加軸承，加大支撐跨距，提升轉軸穩定性，減小間隙。軸端增加波形墊片，提升壓緊力，消除轉軸軸向間隙。降低選擋回位彈簧剛度，減小選擋力。如圖5所示：

2.3.3 選擋搖臂改善方案

換擋桿、選擋搖臂處加裝柔性材料，降低振動噪聲。如圖6所示：

2.3.4 換擋器底座改善方案

換擋器底座加寬，優化換擋器結構，提升換擋器剛度。

3 ? ?外部換擋系統品質提升驗證

手動變速箱的擋位品質是由靜態擋位品質和動態擋位品質兩部分組成。其中靜態擋位品質是由擋位布置特性、靜態換擋特性、靜態選擋特性、換擋球頭自由間隙、斜向換擋性能和換擋系統剛度這六部分組成。動態擋位品質主要由動態換擋特性、結合分離特性和二次沖擊特性組成。

在手動變速箱的擋位品質驗證中采用客觀測試和主觀評價兩種驗證方式，從主、客觀兩個維度進行驗證，同時將外部換擋系統原方案、外部換擋系統改善方案和對標車三種狀態主、客觀測試結果進行對比分析，充分驗證外部換擋品質提升方案的改善情況。

3.1 ? 靜態擋位品質驗證

3.1.1 選換擋行程

選換擋行程的長短直接影響到駕駛員的主觀操作感受。如果擋位行程太小則會使得擋位不清晰，而如果擋位行程過大則會容易造成換擋操作不便或者換擋桿與車內其他部件干涉。從表2可以看出改善方案較原方案部分換擋行程減小2-7mm，接近對標車水平，選擋行程部分擋位減小5-10mm，優于對標車水平。

3.1.2 自由間隙

換擋球頭自由間隙體現了各擋位的自由晃動量，自由間隙過大，會造成換擋桿在擋位中過于松曠，降低換擋精度，影響駕駛員的擋位感。間隙過小又會造成換擋生硬、無柔性，甚至脫擋，使駕駛人員感覺不適。從表3中可以看出改善方案較原方案自有間隙X向減小4-10mm，Y向減小5-10mm，有較明顯的改善，總體仍差于對標車水平。

3.1.3 吸入感

在進行換擋操作時，在克服進擋力后，換擋桿自動進入擋位到達擋位自由位置，即在換擋過程中有反向力的出現，這種反向力出現的現象我們稱之為擋位吸入感。從表4中可以看出改善方案較原方案1擋、2擋、3擋、4擋、5擋吸入感下降較明顯，R擋吸入感增強，整體靠近對標車水平，改善方案優于原方案。

3.1.4 靜態換擋力

換擋力是指換擋桿在入擋過程中遇到的最大阻力，換擋力的大小直接影響到駕駛員的操作感受。好的換擋力特性應包含大小適中的換擋力、適當的吸入感，同時具有良好的整體一致性。從表5中可以看出改善方案較原方案換擋力下降2-7N，優于對標車。從圖7中可以看出各擋換擋力的一致性、平順性有明顯改善。

3.1.5 靜態選擋力

良好的選擋力特性應當是從擋位自由位置開始選擋力逐漸增加，到達峰值后趨于不變或者略微下降，從選擋末端回到擋位自由位置的過程中選擋力也稱回位力應在0N以上，以保證換擋桿能夠自動回位。同時選擋力曲線應平順無波動，具有較好的整體一致性。從表6中可以看出改善方案較原方案選檔力大小改善明顯，改善后選檔力大小優于對標車，從圖8中可以看出改善方案向右選檔方向，選檔力上升趨勢變緩，選檔平順性有明顯改善。

3.1.6 選換擋剛度

換擋系統的剛度特性對于實際換擋操作的準確性和舒適性有著顯著的影響。換擋系統剛度過大會在換擋和選擋的過程中有明顯的碰壁感，而換擋系統剛度過小則會影響到換擋的準確性和擋位的入位感。從表7中可以看出改善方案選換擋剛度未有改善。

3.2 ? 動態擋位品質驗證

本文通過主觀評價結果對比來展現動態擋位品質的驗證情況，評價中選取六個主觀評價指標：怠速時的換檔特性、結合和分離特性、動態換檔性能、二次沖擊、急踩（急松）油門、換檔時的振動和噪聲。從表8中我們可以看出在各個評價指標得分上改善方案較原方案均有所提高，且總體得分高于對標車。

4 ? ?總結

本文首先對乘用車手動變速箱外部換擋系統品質要素進行梳理分析，闡明系統結構與擋位品質之間的相關性，進而提出外部換擋系統品質提升方案，從平衡塊慣量匹配、選換擋軟軸匹配、換擋器總成改善三個方向提出具體的改善方案，最終從客觀測量和主觀評價兩個方面，對比原方案、改善方案、對標車靜態擋位品質和動態擋位品質結果，對提升方案的改善情況進行細致的分析驗證。本文為乘用車手動變速箱外部換擋系統品質提升提供了一套完整的設計開發和試驗驗證流程方法。

參考文獻：

[1]王望予. 汽車設計[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]程闊華，熊強. 汽車變速器[M]. 北京：國防工業出版社，2012.

[3]Harald Naunheimer. 汽車變速器理論基礎、選擇、設計與應用[M]. 北京：機械工業出版社，2014.

[4]孫迎波. 六速DCT換擋模型及換擋品質評價體系研究[D]. 合肥工業大學碩士學位論文，2015.

[5]李超，劉杰. 乘用車手動變速箱靜態擋位品質分析研究[J]. 汽車科技，2015，第1期：63-70.

[6]劉杰，李超. 乘用車手動變速箱動態換擋性能測試與分析[J]. 汽車科技，2014，第6期：47-50.