一種工程塑料在操縱機構中的應用

費逢宇 權雙璐

摘要 隨著中輕卡市場的快速發展，用戶對變速器選換擋性能的要求越來越高，輕量化、低摩擦、效率高已成為評價變速器的一種趨勢，同時工程塑料作為新型材料，具有質量輕、低摩擦、耐磨性好、自潤滑等功能，備受用戶喜愛。一種工程塑料在操縱機構的應用是在現有結構上采用工程塑料來提高變速器選換擋性能以滿足用戶的需求，其結構的改進具有很大的創新性。

關鍵詞 工程塑料；操縱機構；選換擋手感

中圖分類號 TQ320.79文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0005-03

0 引言

在中輕卡變速器市場工程塑料由于質量輕、無污染、成本低、性能優越等特點在操縱機構中的使用越來越廣泛。該文對比了幾種工程塑料的特點，并針對操縱控制塊及柱銷處采用工程塑料的可行性進行對比分析。

1 工程塑料簡介

1.1 塑料簡介

塑料是以單體為原料，通過加聚或縮聚反應聚合而成的高分子化合物。根據各種塑料不同的使用特性，通常將塑料分為通用塑料、工程塑料和特種塑料三種。車用塑料指的是塑料（或工程塑料）在汽車上的應用。工程塑料分為通用工程塑料和特種工程塑料兩類。工程塑料可用作工程材料和替代金屬制造機器零部件，具有優良的綜合性能，剛性大、蠕變小、機械強度高、耐熱性好、電絕緣性好，可在較苛刻的化學、物理環境中長期使用，是作為替代金屬材料的首選材料。

1.2 幾種塑料及其特點

1.2.1 通用塑料

通用塑料一般是指產量大、價格低、用途廣、影響面寬的一些塑料品種，包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）及三元共聚合物（ABS），均為熱塑性塑料，共計有五大品種。聚乙烯（PE）具有優良的耐低溫性能，化學穩定性好，能耐大多數酸堿的侵蝕，在汽車上主要用于空氣導管、制動液儲罐、清洗液罐、擋泥板、襯板、行李箱隔板等。聚丙烯（PP）具有較高的耐沖擊性，機械性質強韌，抗多種有機溶劑和酸堿腐蝕，在汽車上主要用于車身內裝件、通風取暖系統配件、發動機有關配件以及外裝件。聚氯乙烯（PVC）具有優異的耐燃性、耐磨性、抗化學腐蝕性，氣體、水汽低滲透性等，汽車上主要用作汽車儀表板表皮、地板隔熱墊、座墊套、車門裝飾條、轉向盤、車門內襯、操縱桿蓋板、踏板膠墊、電線包皮（絕緣層）等。聚苯乙烯（PS）流動性、加工性能和尺寸穩定性好，主要用于包裝和一次性產品、電子電氣和器具、家具和建筑材料、消費型產品、醫用產品等?？芍瞥傻漠a品包括計算機外殼、透明的塑料水杯和包裝用的泡沫塑料等。ABS塑料抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學藥品性及電氣性能優良，在汽車上的應用主要是車身內飾件、外裝件[1]。

1.2.2 通用工程塑料

通用工程塑料主要品種包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和熱塑性聚酯五大通用工程塑料。聚酰胺具有強韌、耐磨、自潤滑、高剛性、耐熱、阻燃和絕緣等特性，具有良好的綜合性能，被廣泛用于制造齒輪、渦輪、密封件、軸承、電器接線柱、管道、過濾器和容器等零部件。聚碳酸酯具有類似有色金屬的強度，同時又兼備延展性及強韌性，市場用量最大的是計算機、辦公設備、汽車、替代玻璃和片材。聚甲醛具有極高的力學性能，多用于制造軸套、齒輪、滑塊等耐磨性零部件。聚苯醚具有優良的機械性能、耐熱性、耐蠕變性、耐水性、耐水蒸氣性，主要用于汽車儀表盤、散熱器格子、揚聲器格柵、控制臺、保險盒、繼電器箱、連接器和輪罩等。熱塑性聚酯具有優良的耐化學腐蝕性，主要用于風擋、后視鏡、鉸鏈、燈框、配電盤罩等。根據各方面對比，該文選用了一種聚酰胺材料的工程塑料進行試驗測試[3]。

2 工程塑料應用方案

2.1 操縱機構介紹

匹配中輕卡的某變速器操縱機構示意圖如圖1所示：換擋撥頭2、倒擋鎖控制塊3與換擋桿10花鍵配合。換擋桿10只能轉動換擋，不能軸向移動選擋，倒擋鎖彈簧5裝于螺塞7與手感柱銷6之間，手感柱銷6通過操縱殼體9與倒擋鎖彈簧5的壓縮力定位。變速器空擋位置為3/4擋，當選1/2擋時，選擋撥頭1通過換擋撥頭2推動倒擋鎖控制塊3壓縮選R擋側平衡簧8至倒擋鎖控制塊3的斜面與手感柱銷6接觸，此時即選到1/2擋位置；繼續選倒擋時，倒擋鎖控制塊3斜面與手感柱銷6接觸不斷壓縮倒擋鎖彈簧5至選到倒擋完成選擋動作[2]。

2.2 工程塑料應用方案介紹

2.2.1 倒擋控制塊方案

工程塑料制成滑動軸承11應用倒擋鎖控制塊具體實施方案如下：①倒擋鎖控制塊采用半花鍵，且將滑動軸承11過盈配合壓入倒擋鎖控制塊3的軸向孔內。②半花鍵與換擋桿10花鍵配合，起導向作用，且與換擋桿10花鍵配合的摩擦阻力減小。③滑動軸承11壓入后內孔與換擋桿10花鍵外徑間隙配合，且具有固定支撐，因滑動軸承摩擦系數低、質量輕、自潤滑等優點，軸向移動摩擦阻力減小。

2.2.2 柱銷方案

目前應用變速器的柱銷為鐵柱銷，如圖4所示，大鋼球及柱銷表面材質為鋼，大鋼球與48個小鋼球一同壓入殼體里，工作時，與大鋼球接觸為滾動接觸，該文設計的塑料柱銷，如圖5所示，大鋼球材質為鋼，柱銷表面材質為工程塑料，大鋼球壓入殼體里，工作時，與大鋼球接觸為滑動接觸，摩擦阻力較鐵柱銷相對較大，但是結構簡單，成本低廉。

2.3 工程塑料操縱選性能試驗分析

2.3.1 倒擋控制塊方案

針對倒擋鎖控制塊全花鍵、倒擋鎖控制塊半花鍵+滑動軸承結構進行臺架測試，并分析改進前后性能優劣。測試選擋力曲線如圖6所示。

圖6中，橫坐標為內撥頭處選擋行程，單位mm；縱坐標為內撥頭處選擋力大小，單位N。將選擋力大小設為Fi，選擋回位力設為Fj，有如下公式：

Fi=F彈+f1，Fj=F彈?f1

式中，F彈——彈簧作用力；f1——配合花鍵摩擦阻力。

（1）工程塑料應用操縱選擋力分析。測試的選擋力大小在一定程度上反饋克服阻力的效率，測試選擋力越小，效率越高；測試選擋力越大，效率越低。如圖6所示，測試的選擋力的操縱機構狀態分為全花鍵無潤滑、全花鍵潤滑脂、半花鍵+滑動軸承自潤滑、半花鍵+滑動軸承潤滑脂4類。由選擋力曲線可得：

①當選擋力偏小時即3/4選1/2時，4種結構狀態的選擋力曲線幾乎重合，說明此時花鍵摩擦阻力占比很小，可忽略影響。②當選擋力偏大時即3/4選R時，4種結構狀態的優劣情況如下：半花鍵+滑動軸承潤滑脂≈全花鍵+潤滑脂>半花鍵+滑動軸承自潤滑>全花鍵無潤滑。③潤滑脂對于選擋效率影響很大。

（2）工程塑料應用操縱選擋回位感分析。測試選擋回位力大小及曲線剛度在一定程度上反映了選擋回位感，當配合花鍵摩擦阻力較大時，選擋回位力較小，且剛度線性較差；當配合花鍵摩擦阻力較小時，選擋回位力較大，且剛度線性較好。如圖6所示，測試的選擋力的操縱機構狀態分為4類：全花鍵無潤滑、全花鍵潤滑脂、半花鍵+滑動軸承自潤滑、半花鍵+滑動軸承潤滑脂，由選擋力曲線可得：

①4種結構狀態的選擋力回位曲線剛度優劣如下：半花鍵+滑動軸承潤滑脂>半花鍵+滑動軸承自潤滑>全花鍵+潤滑脂>全花鍵無潤滑，其中，半花鍵+滑動軸承結構線性剛度較好，全花鍵結構線性剛度較差，即回位手感差。②4種結構狀態的選擋回位力大小如下：半花鍵+滑動軸承潤滑脂>半花鍵+滑動軸承自潤滑>全花鍵+潤滑脂>全花鍵無潤滑，半花鍵+滑動軸承結構選擋回位力較大，選擋回位效果更好；全花鍵選擋回位力較小，當選R擋側平衡簧8剛度較小時，可能存在選擋不回位的情況。

2.3.2 柱銷方案

鐵柱銷與塑料柱銷分別裝于某變速器進行選擋性能測試，測試曲線如圖7所示：其中橫坐標為變速器端撥頭處選擋行程，縱坐標為變速器端撥頭處選擋力大小。由選擋力曲線對比可知：①鐵柱銷與塑料柱銷應用操縱的選擋行程一致。②塑料柱銷應用操縱3/4～1/2及3/4～5/6選擋力要比鐵柱銷沉。③塑料柱銷應用操縱3/4～R選倒擋力與鐵柱銷大小一致。④塑料柱銷應用操縱選擋摩擦阻力要大于鐵柱銷。

鐵柱銷與塑料柱銷分別裝于某變速器進行換擋性能測試，測試曲線如圖8所示：其中橫坐標為變速器端撥頭處掛擋行程，縱坐標為變速器端撥頭處掛擋力大小。

由各擋位掛擋力曲線對比可知：①鐵柱銷與塑料柱銷應用操縱各擋位掛擋力曲線幾乎重合。②鐵柱銷與塑料柱銷應用操縱各擋位的掛擋行程一致。③鐵柱銷與塑料柱銷應用操縱掛前進擋力及倒擋力大小一致。

3 試驗結果

3.1 倒擋控制塊方案

通過對全花鍵無潤滑、全花鍵潤滑脂、半花鍵+滑動軸承自潤滑、半花鍵+滑動軸承潤滑脂四種操縱機構狀態的試驗數據分析可得：①從選擋效率可知：潤滑脂對操縱機構的影響較大，半花鍵+滑動軸承潤滑脂選擋力最小，選擋效率最高。②從選擋回位感可知，半花鍵+滑動軸承結構要優于全花鍵結構，且半花鍵+滑動軸承潤滑脂狀態的選擋回位力及回位線性剛度最優。③綜合評定顯示，半花鍵+滑動軸承潤滑脂結構狀態最好。

3.2 柱銷方案

從理論與試驗選換擋力曲線分析可知：①由選擋曲線可得塑料柱銷應用操縱摩擦阻力要大于鐵柱銷，與理論相吻合。②由掛擋力曲線可得塑料柱銷應用操縱各擋位掛擋力曲線與鐵柱銷基本吻合，掛擋工作時，柱銷移動行程短摩擦阻力可忽略。

4 結論

工程塑料在倒擋鎖控制塊的應用有效地解決了選擋平衡簧剛度較小時不易回位或回位效果差的問題，并在現有倒擋鎖控制塊全花鍵結構基礎上提高了選擋效率；當柱銷工作行程較短時，塑料柱銷摩擦阻力影響較小，選擋力稍大，成本低，在用戶要求不高的情況下，可實現互換。工程塑料柱銷及滑動軸承具有結構簡單、質量輕、成本低等特點，為后續降阻結構設計提供了一種思路。工程塑料作為新型材料，應用于汽車領域也會成為一種趨勢。

參考文獻

[1]杜彬. 通用塑料在汽車工程中的應用及發展[J]. 機械管理開發， 2007（S1）： 72-74.

[2]陳家瑞. 汽車構造[M]. 北京：機械工業出版社， 2005.

[3]劉金剛， 范琳， 楊士勇. 特種工程塑料市場與應用[J]. 合成樹脂及塑料， 2005（6）： 67-70.