某乘用車換擋器球頭拔脫力模型及優化研究

鄺志輝，陳建國，唐林丁

（廣汽零部件有限公司技術中心，廣州511447）

0 引言

隨著消費市場的快速發展，為了滿足市場對消費產品的高品質要求，對產品也提出了更好的要求，特別是國內外隨著汽車行業不斷的發展[1]，對汽車使用性及體驗感方面要求越來越高。首先就是在汽車外飾方面，越來越多的關注是造型曲線感[2-3]，華麗上檔次。其次是內飾部分，需要優雅精致、舒適等。因此每個乘用車企業根據自己的客戶群體，制定了特有的要求、標準，然后根據此要求及標準進行內部零件的開發及制造，對于一些裝配件，需要保證裝配精度及強度[4]，特別是影響安全性、使用性的關鍵零部件，但隨著國家新四化的推行，汽車輕量化方面也發展迅速，因此使用一些塑料或其他輕量化材料結構件代替，也能滿足安全性、使用性的要求。

朱江[5]對汽車橫向穩定器進行了輕量化設計，并通過仿真對其輕量化設計后的疲勞壽命分析，發現高溫尼龍塑料可以滿足結構強度要求，也降低了零部件的質量。也有很多學者從結構、材料等方面入手，研究了零部件的裝配性、強度的影響因素[6-10]，而對于汽車中控換擋器部分，主要功能是用于換擋，實現駕駛員操縱性的最重要的零部件，鮮有學者研究報導，因此本文將以此作為切入點，設計一種可拔脫的球頭結構，研究了換擋器球頭拔脫力的相關影響因素，為客戶體驗感及操縱性提供理論依據及一種可行性方案，也為汽車中控零部件的設計提供一種良好的借鑒。

1 可拔脫結構設計、拔脫過程方案及拔脫模型分析

1.1 可拔脫結構設計

根據輸入，設計出一種可以滿足要求的拔脫力模型，包括球頭及換擋桿兩部分，如圖1所示，其中球頭部分包括換擋桿1、球頭尾套2、球頭本體3、球核4、下裝飾板5、中裝飾板6、上裝飾板7、螺釘8、球頭上蓋9、卡簧10等零件，以及總成裝配件11。換擋桿為換擋器中的一個零件，主要作用是用于與球頭裝配，實現換擋功能。

圖1 球頭總成及爆炸圖Fig.1 Ball head assembly and exploded view

1.2 拔脫過程

球頭總成與換擋桿是屬于兩個部件，首先將球頭通過球頭孔位裝入換擋桿，直至卡簧扣入換擋桿角度槽位，此時換擋桿完全裝配至球頭球核孔位中，完成裝配，如圖2所示。

圖2 球頭總成拔脫過程Fig.2 Ball head assemblypull-outprocess

在拔脫時，固定換擋桿一側，將球頭向上拔脫，此時卡簧受到力F1使卡簧發生彈性變形，促使卡簧向右變形，換擋桿相對球頭的脫離力F2向下，直至卡簧在力F1受力下從換擋桿角度槽位彈出，此時繼續向上拔脫球頭時已無阻力抵擋，球頭即可順利拔出，實現整個球頭拔脫，如需要再次安裝，可以重復上述過程即可。

2 實驗要求及方法

2.1 設計要求輸入

某乘用車根據前期試驗條件開發需要，并結合調研結果，對球頭拔脫力的測試條件提出了要求，即設計要求是拔脫力測試同一個件需進行5次，前2次拔脫力值需大于250 N，后3次拔脫力值大于180 N，這樣才能滿足要求。

2.2 材料選型

根據某乘用車對球頭拔脫力的要求，并結合拔脫力結構分析，拔脫力與換擋桿角度、卡簧剛度及接觸條件有關，因此針對以上從換擋桿角度、卡簧材料、接觸條件進行驗證，尋求一種能夠滿足條件要求的拔脫力模型，并且根據輕量化及強度的要求，對換擋桿采取鋁合金材質，球頭部分除換擋桿、卡簧、螺釘外，都采用塑料注塑實現輕量化?？ɑ删唧w選取的參數如表1所示。

表1 卡簧材質Tab.1 Material of circlip

2.3 測試設備

本文使用的是綜合測試平臺，搭配瑞士生產的kisler5073A型的傳感器，通過專用治具將換擋器及球頭固定在測試設備上，并通過自動控制拔脫的方式，傳感器自動記錄并將拔脫力數值輸出，能夠準確地評價出拔脫力真實情況，某換擋器拔脫過程如圖3所示。

圖3 拔脫力測試設備Fig.3 Pull-outforcetestequipment

3 實驗結果及分析

3.1 不同卡簧材料對拔脫力的影響

圖4所示為不同卡簧材料對應35°換擋桿的拔脫力。由圖可以看出，此條件下3種材料都不滿足條件，首先對于卡簧65 Mn材料，初次拔脫力最大，約為133 N，前3次拔脫時力消退明顯，第3次僅為88 N，第3次后拔脫力達到穩定，其次對于卡簧T9A材料，首次拔脫力僅為94 N，第3次達到穩定為78N左右，最后對于卡簧SWPB材料，首次拔脫力約為122 N，第3次后達到穩定，為79 N左右，5次拔脫力的趨勢和65 Mn接近一致。從結果中可以看出，拔脫力隨著拔脫次數的增加是下降的，這個主要是因為換擋桿槽位處磨損導致，拔脫第3次后卡簧與換擋桿接觸條件達到平衡，因此此時拔脫力消退較小。

圖4 不同卡簧材料拔脫力測試結果Fig.4 Pull-out force test results of different circlip materials

針對以上驗證，換擋桿角度可能是最大的影響因素，而65 Mn材料是最能滿足要求的卡簧材料，因此接下來通過卡簧65 Mn材料針對不同換擋桿角度進行驗證。

3.2 不同換擋桿角度對拔脫力的影響

圖5所示為不同換擋桿角度對應65Mn材料的拔脫力。由圖可知，首次拔脫情況下，角度越小，拔脫力越大，但此條件下3種角度也都不滿足條件，首先對于25°的換擋桿，初次拔脫力最大，約為785 N，符合要求，但第2次拔脫時力時消退明顯，僅為230 N，不滿足要求，第3次拔脫后達到穩定，僅為140 N左右；其次對于30°的換擋桿，均不符合要求，第1點首次拔脫力為205 N，第2次達到穩定為170 N左右；最后對于35°的換擋桿，首次拔脫力為90 N左右達到穩定，拔脫力均不符合要求。從結果中可以看出，25°的換擋桿磨損程度很嚴重，不適用拔脫力模型的選型，但角度過大時，即35°的換擋桿拔脫力基本退化很小，這主要是因為角度過大后，拔脫力減少對換擋桿的摩擦也隨之減少。

圖5 不同換擋桿角度拔脫力測試結果Fig.5 Pull-out force test results of different shift lever angles

針對以上驗證，排除了卡簧材料和換擋桿角度是最大的影響因素，球頭結構方面可能不適用，因此通過對球頭球核結構進行改善，增加限位擋邊，結合以上驗證在換擋桿角度30°時比較接近要求，接下來通過球核增加限位擋邊在30°換擋桿情況下、驗證不同卡簧材料的影響程度。

3.3 限位擋邊對拔脫力的影響

圖6所示為不同卡簧材料對應的拔脫力。由圖可知，3種卡簧材料首次拔脫都已滿足條件，但第2次之后只有65 Mn卡簧材料滿足條件，具體表現如下所述：首先對于65 Mn材料，初次拔脫力最大，約為381 N，第2次時拔脫時力消退明顯，僅為251 N，在要求值的下限，第3次后拔脫力達到穩定；其次對于T9A材料，首次拔脫力為320 N，滿足要求，但第2次僅為233 N左右，不滿足要求，第3次達到穩定，為173 N，拔脫力也不滿足要求；最后對于SWP-B材料，首次拔脫力約為350 N，滿足要求，但第2次僅為243 N左右，不滿足要求，第3次達到穩定，為190 N，直至第5次為176 N，不滿足要求。

圖6 限位擋邊拔脫力測試結果Fig.6 Pull-off force test result of limit stop

針對以上驗證，已找出能夠滿足條件的參數，但參數中某些力值已經接近條件要求的下限值，存在不滿足的風險，為了能夠得到大批量符合條件，因此通過對卡簧和換擋桿配合處接觸條件進行改善，即增加潤滑條件，由于以上驗證在不同卡簧材料都比較接近條件，接下來通過增加卡簧和換擋桿配合處的潤滑情況下、驗證不同卡簧材料的影響程度。

3.4 接觸條件對拔脫力的影響

圖7所示為不同卡簧材料對應的拔脫力。由圖可知，增加潤滑條件后，3種卡簧材料5次拔脫力全部滿足要求，具體表現如下所述：首先對于65 Mn材料，初次拔脫力最大，約為342 N，第2次時拔脫時力消退至264 N，第2次后拔脫力基本達到穩定，退化較??；其次對于T9A材料，首次拔脫力為300 N，第2次時拔脫力減少至243 N左右，臨近下限250 N要求，不滿足要求，第3次時達到穩定，之后下降較??；最后對于SPW-B材料，首次拔脫力約為322 N，滿足要求，第2次為252 N左右，滿足要求，第3次達到穩定，之后下降較小。

圖7 接觸條件拔脫力測試結果Fig.7 Pull-off force test result of contact condition

針對以上驗證，找出能夠滿足條件的參數，65Mn與SWP-B材料的卡簧在球頭球核有擋邊且增加潤滑情況下滿足拔脫力要求，但SWP-B卡簧材料第二次拔脫力值已經接近下限，存在不滿足的風險，為了能夠得到大批量符合條件，因此結合上述實驗結果，選用30°的換擋桿、65Mn材料的卡簧，加限位擋邊的球核及增加潤滑條件作為最終選定方案。

3.5 受力模型建立及分析

卡簧10和換擋桿1處于裝配狀態，針對以上建立拔脫力模型進行受力分析，如圖8所示，球頭拔脫時帶動卡簧向上運動，卡簧與換擋桿接觸，換擋桿角度為α，卡簧張開時受到力F1，卡簧在換擋桿槽位處對換擋桿的反向力Fn，此時球頭需要拔脫需要克服卡簧張開時的力F1和反向力Fn，即拔脫力：

由此可知，拔脫力F與反向力Fn、張開力F1成正相關，而張開力F1與卡簧材質本身剛度成正相關，卡簧剛度越大，張開力F1越大，即拔脫力F也越大。同樣，換擋桿角度α越小時，拔脫力F也越大。

對比圖4不同卡簧材料拔脫力與圖5不同換擋桿角度拔脫力測試結果圖，發現測試結果符合理論分析。

4 結束語

（1）通過對球頭及換擋桿進行結構設計，實現了一種可拔脫的機構。

（2）從理論上分析拔脫力與換擋桿角度、卡簧剛度及潤滑的關系，隨著卡簧剛度增大，拔脫力增大；換擋桿角度增大，則拔脫力減小，增加潤滑條件可以減少換擋桿槽位的磨損從而能夠增加拔脫力的穩定性。

（3）對可拔脫的機構進行實驗研究，對比不同角度的換擋桿、不同材質的卡簧、球核有無限位擋邊及潤滑情況下拔脫力大小，發現相同換擋桿角度下，65Mn拔脫力最大，增加限位擋邊后，能夠增加球頭拔脫力，增加潤滑條件后，拔脫力穩定性提高。

（4）對于3種卡簧材質，65Mn剛度最大，其次為SPW-B，T9A剛度最小，而且在卡簧配合處增加潤滑油后摩擦因數也減少，上述驗證結果結合理論分析，符合實際。

（5）找到一種能夠滿足拔脫力要求的方案，為今后拔脫力深入研究提供了一定的理論及實踐基礎。