機(jī)動車塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成設(shè)計

鄧加尊

（柳州市金元機(jī)械制造有限公司，廣西 柳州 545007）

機(jī)動車塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成設(shè)計

鄧加尊

（柳州市金元機(jī)械制造有限公司，廣西 柳州 545007）

由于汽車工業(yè)快速發(fā)展的需要，當(dāng)今中國家庭汽車已進(jìn)入千家萬戶，人們對汽車操縱系統(tǒng)的靈活性的要求越來越高，所以設(shè)計開發(fā)一款采用塑料操縱機(jī)構(gòu)替鐵件操縱機(jī)構(gòu)總成，有較解決操縱機(jī)構(gòu)間隙過大，檔位不清析，掛檔困難的問題。而選換檔軟軸總成的鉚接采用八方扣鉚工藝，有效解決了卡滯、卡死等問題，降低售后索賠率，提高產(chǎn)品壽命。公司在這種背景下承擔(dān)某中外合資公司新車型換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成的設(shè)計研制任務(wù)，并為該公司配套供貨，取得較好的社會和經(jīng)濟(jì)意義。

機(jī)動車；塑料；操縱機(jī)構(gòu)總成；選檔軟軸總成；換檔軟軸總成；設(shè)計

隨著我國汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，近年來采用塑料材料代替鋼鐵材料制造操縱機(jī)構(gòu)總成是汽車技術(shù)發(fā)展的需要，在國外，塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成的開發(fā)已在汽車配件行業(yè)中廣泛應(yīng)用。在技術(shù)水平上，日本與美國、德國的水平接近，但由于原材料及加工工藝等原因，限制了塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成在我國的發(fā)展，目前，我國的該項技術(shù)水平與日本、美國、德國等國家的差距較大。

國內(nèi)也有一些廠家生產(chǎn)塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成，但基本都是使用在高檔橋車上，成本高，大部份塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成是通過國外設(shè)計然后在國內(nèi)生產(chǎn)的，或者是從國外購買配件在國內(nèi)組裝的。國內(nèi)企業(yè)自主開發(fā)能力不足，產(chǎn)品的強(qiáng)度等性能較低，不符合微車的使用特點(diǎn)，而鐵件操縱機(jī)構(gòu)總成存在球座與球頭配合間隙過大，檔位不清析，掛檔困難等問題。

同時原汽車整車廠也存在著操縱機(jī)構(gòu)總成及選換檔軟軸總成由于分別由不同供應(yīng)商提供給整車廠進(jìn)行裝配，這種裝配方式存在制造誤差，在整車廠進(jìn)行裝配時，經(jīng)常發(fā)生操縱機(jī)構(gòu)總成與選換檔軟軸總成無法裝配或裝配后配合不當(dāng)從而引發(fā)生產(chǎn)線停線等嚴(yán)重問題，這種供貨方式，既存在產(chǎn)品在配送過程中生產(chǎn)的質(zhì)量問題也增加了整車裝配成本[1]。

針對上述缺點(diǎn)：設(shè)計一款塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成，該項產(chǎn)品將采用塑料操縱機(jī)構(gòu)替鐵件操縱機(jī)構(gòu)總成，該產(chǎn)品同時也是以模塊化的方式進(jìn)行設(shè)計，即以操縱機(jī)構(gòu)總成、選換檔軟軸總成整合成大模塊換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成[2]。該設(shè)計方案使產(chǎn)品更加緊湊、，安裝方便、結(jié)構(gòu)工藝簡單、過渡接頭少，裝配連接簡捷方便，易于維修，有較解決操縱機(jī)構(gòu)間隙過大，檔位不清析，掛檔困難的問題。而選換檔軟軸總成的鉚接采用八方扣鉚工藝，有效解決了卡滯、卡死等問題，降低售后索賠率，提高產(chǎn)品壽命。

1 設(shè)計主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

1.1 主要內(nèi)容及技術(shù)路線

1.1.1 主要內(nèi)容

設(shè)計開發(fā)的主要內(nèi)容是：根據(jù)前期研究塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成的情況，以及市場使用情況，有針對性地對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，根據(jù)微車配件市場需求，進(jìn)一步穩(wěn)定產(chǎn)品性能，調(diào)整鉚接方式，提高負(fù)載效率。

本項目的關(guān)鍵技術(shù)在于：一是塑料材料配制技術(shù)。該技術(shù)提高了塑料材料強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品的抗高、低溫性。特別是在-40°低溫下的能夠正常使用，不產(chǎn)生斷裂，以達(dá)到以塑代鋼的目的；二是塑料操縱機(jī)構(gòu)鑄射工藝技術(shù)。是負(fù)載效率性能提高的關(guān)鍵，針對不同產(chǎn)品尺寸，設(shè)計調(diào)試模具，重點(diǎn)對模腔進(jìn)行改進(jìn)，提高產(chǎn)品性能及尺寸精度，降低售后索賠；三是選換檔軟軸生產(chǎn)裝配中的八方扣鉚工藝。該工藝是利用柳州市金元機(jī)械制造有限公司自行開發(fā)的鉚接技術(shù)，具有行業(yè)先進(jìn)性。

1.1.2 技術(shù)特點(diǎn)

本項目的技術(shù)特點(diǎn)有：

（1）采用塑料材料針對微型車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行模塊化設(shè)計，有效整合塑料操縱機(jī)構(gòu)總成、選換擋軟軸總成兩部份成為一個模塊；

（2）選換檔軟軸總成的管接頭鉚接工藝采用自主研發(fā)的八方圓形扣鉚工藝，完全解決了六方?jīng)_鉚工藝因管接頭受力和變形不均勻?qū)е碌能涊S軟管鋼絲排列不均勻引起的卡滯、卡死等質(zhì)量問題；

（3）提高換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成負(fù)載效率，原負(fù)載效率為65%，更改后軟軸負(fù)載效率為80%，提高了15%；

（4）原鐵制換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成的重量為2.36Kg，塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成的重量為1.425Kg，重量減輕了39.6%。

1.1.3 設(shè)計流程圖

設(shè)計流程圖：變速器參數(shù)→軟軸參數(shù)→操縱機(jī)構(gòu)參數(shù)→人機(jī)學(xué)原理數(shù)據(jù)→空間布局參數(shù)→三維數(shù)模設(shè)計→CAE分析→結(jié)構(gòu)優(yōu)化→輸入驗(yàn)證→快速成型件→空間布局實(shí)車驗(yàn)證→模件制作→臺架試驗(yàn)→實(shí)車路試→小批試制→批量生產(chǎn)

1.1.4 裝配工藝流程

產(chǎn)品的裝配工藝流程如下：

（1）部裝連動板組合件，并在連動板內(nèi)孔涂上適當(dāng)?shù)臐櫥?/p>

（2）將滑套及換檔拉桿球頭座套入操縱桿鉚合件；

（3）將操縱桿套入操縱桿球頭座，再將球頭座套入操縱機(jī)構(gòu)底座；

（4）將彈簧套入底座焊合件的固定軸，裝好彈簧支腳，并安裝已經(jīng)部裝好的連動板組合件；

（5）安裝選檔軟軸總成；

（6）安裝換檔軟軸總成及密封膠套；

（7）裝配緩沖膠墊及套銅。

1.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）理論創(chuàng)新：塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成設(shè)計是集操縱系統(tǒng)、軟軸傳動技術(shù)、變速器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、人機(jī)學(xué)原理等技術(shù)于一體，塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于提高傳動效率的優(yōu)點(diǎn)，提高傳動效率解決了換檔操縱機(jī)構(gòu)操縱手感差、售后質(zhì)量問題多等問題，達(dá)到目前國內(nèi)領(lǐng)先水平。

（2）應(yīng)用創(chuàng)新：塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成針對微車成本低、銷量大、使用路況差、公用性強(qiáng)、少保養(yǎng)等使用特點(diǎn)，以提高操縱舒適感和使用壽命、降低售后問題和整車重量、節(jié)約油耗為目的，綜合操縱系統(tǒng)、軟軸傳動技術(shù)、變速器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、人機(jī)學(xué)原理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的產(chǎn)品。采用可回收的塑料作為原材料，產(chǎn)品重量僅為1.425Kg，比原鐵制產(chǎn)品重量減輕了39.6%，從而降低整車重量及成本，符合汽車材料技術(shù)輕量化和環(huán)?；l(fā)展趨勢。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝簡單，連接裝配方便，具有售后維修成本低等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)今汽車特別是微車配件行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢。

1.3 技術(shù)創(chuàng)新

（1）采用塑料材料針對微型車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行模塊化設(shè)計，有效整合塑料操縱機(jī)構(gòu)總成、選換擋軟軸總成兩部份成為一個模塊；

（2）管接頭的鉚接工藝采用自主研發(fā)的八方圓形扣鉚工藝，完全解決了六方?jīng)_鉚工藝因管接頭受力和變形不均勻?qū)е碌能涊S軟管鋼絲排列不均勻引起的卡滯、卡死等質(zhì)量問題。

（3）采用自主研發(fā)的塑料成型材料及繞制推拉式軟軸外管和軸芯技術(shù)，提高軟軸負(fù)載效率，更改后軟軸負(fù)載效率為80%，提高了15%左右，同時，更改了選換檔軟軸總成的安裝方式，提高了生產(chǎn)效率，降低了售后工時費(fèi)用，縮短5%的裝卸時間。

（4）產(chǎn)品是鑄塑料操縱機(jī)構(gòu)是射成型，成型尺寸、性能比較穩(wěn)定，減少了安裝、焊接等多道工序，降低10%的制造成本。

目前，世界汽車材料技術(shù)發(fā)展的主要方向是輕量化和環(huán)保化。汽車塑料相對密度低，以塑代鋼制作外裝件，可減輕汽車自重，達(dá)到節(jié)能目的。減輕汽車自身質(zhì)量是降低汽車排量、提高燃燒效率最有效的措施之一。據(jù)測算，汽車自身質(zhì)量每減輕10%，燃油消耗就可降低6%～8%。在安全方面，單位質(zhì)量的塑料抗沖性不遜于金屬，有些工程塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料還遠(yuǎn)高于金屬。用可吸收沖擊能量和震動能量的彈性體、發(fā)泡塑料制造儀表板、座椅、頭枕等制品，可以減輕碰撞時對人體的傷害，提高汽車安全系數(shù)。結(jié)構(gòu)件則多采用高強(qiáng)度工程塑料，以減輕質(zhì)量，降低成本，簡化工藝，如用塑料做燃油箱、發(fā)動機(jī)和底盤上的一些零件。 所以采用輕型材料替代鑄鐵的材料生產(chǎn)汽車零部件是發(fā)展的大趨勢。

2 塑料操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 塑料操縱機(jī)構(gòu)總成

塑料操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。塑料換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成底座強(qiáng)度驗(yàn)證內(nèi)容如下：

（1）模型分析

圖2 模型分析圖

（2）最大應(yīng)力分布圖

圖3 最大應(yīng)力分布圖

（3）最大變形分布圖

圖4 最大變形分布圖

（4）分析情況

表1 分析情況

3 操縱機(jī)構(gòu)底座與操縱桿球頭座配合尺寸設(shè)計

表2 操縱機(jī)構(gòu)底座與操縱桿球頭座配合尺寸設(shè)計

序號 方向 　名稱 　設(shè)計尺寸 　配合 　結(jié)論操縱機(jī)構(gòu)球頭座與操縱桿組件設(shè)計球頭座.　徑向組件（-0.2）-（-0.35）=+0.15（間隙配合）（-0.25）-（-0.3）=+0.05（間隙配合）操縱機(jī)構(gòu)球頭座與操縱桿組件設(shè)計合理操縱機(jī)構(gòu)底座、操縱機(jī)構(gòu)球頭座與操縱桿組件配合積累公差最大（+0.15）+（+0.2）+（+0.38）=+0.73（間隙配合）4 　縱向最小 ?。?0.05）+（-0.1）+（+0.05）=0（無間隙）無間隙配合公差合理，但+0.73間隙太大，考慮到塑料零件的彈性及制造工藝水平，應(yīng)在過程中采用分組裝配，以控制其配合間隙不超過0.5連動板與底座設(shè)計底座5連動板（+0.2）-（-0.1）=+0.3（間隙配合）0-0=0（無間隙配合）存在無間隙配合，無法裝配。更改：底座尺寸φ10（+0.2，0）改為φ10（+0.2，+0.05）配合：（+0.05）-0=+0.05（間隙配合）連動板與接頭設(shè)計連動板6接頭 　φ8無公差按未注尺寸公差要求，接頭φ8處應(yīng)為負(fù)公差，則接頭與連動板應(yīng)為間隙配合，合理。連動板與滑套設(shè)計滑套7連動板 　φ16處無公差無法核算更改：連動板尺寸φ 16應(yīng)為φ16（+0.07，0）配合：（+0.07）-（-0.08）=+0.15（間隙配合）0-（-0.03）=+0.03（間隙配合）操縱桿組件與滑套設(shè)計滑套8組件（+0.05）-（-0.05）=+0.1（間隙配合）0-0=0（無間隙配合）合理操縱桿組件、連動板與滑套配合積累公差最大 ?。?0.15）+（+0.1）=+0.25（間隙配合）9最小 　（+0.03）+0=+0.03（間隙配合）能夠滑動配合，合理。換檔拉桿球頭座、換檔連接拉桿組件及限位彈簧配合積累公差球頭座10 　徑向尺寸 　拉桿組件0-0=0（無間隙配合）（+0.1）-（-0.1）=+0.2（間隙配合）球頭座 　4±0.1 11 　縱向尺寸 　拉桿組件（+0.1）-（-0.1）=+0.2（間隙配合） 0-（+0.1）=-0.1（過盈配合）12球頭座、拉桿組件13.　彈簧 　φ1.4（　2+0.1　　）-1.4=0.6+0.1-----最 大0.7，最小0.5三者配合： 　最大 ?。?0.2）+（+0.7）=+0.9（間隙配合）14最小 ?。?0.1）+（+0.5）=+0.4（間隙配合）最大間隙為+0.9，最小間隙為+0.4，合理操縱桿組件與換檔連接拉桿球頭座球頭座15 ?。?，-0.045） 　組件（+0.05）-（-0.045）=+0.095（間隙配合）0-0=0（無間隙配合）合理操縱桿組件、換檔桿球頭座及換檔連接拉桿組件配合積累公差最大 　（+0.095）+（+0.2）=+0.295（間隙配合）16最小 　0-0=0（無間隙配合）在無間隙配合時，由于塑料零件的彈性變形，操縱桿組件與換檔桿球頭座還是可以滑動配合，最大間隙+0.295 合理

4 換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成結(jié)構(gòu)設(shè)計

換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5，分別由塑料操縱機(jī)構(gòu)總成、選檔軟軸總成、換檔軟軸總成組成。

圖5 換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成

5 操縱機(jī)構(gòu)分總成設(shè)計輸入及其數(shù)據(jù)

操縱機(jī)構(gòu)分總成設(shè)計輸入，具體輸入數(shù)據(jù)如下：

5.1 變速器數(shù)據(jù)

（1）變速器端選檔搖臂R1：50mm,θ1=θ2=12.2°±2°換檔搖臂R2：47mm,θ1=θ2=14.1°±2°

（2）靜態(tài)選換檔平均力：選檔 47.5±10N

換檔 86±10N

5.2 操縱機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)

（1）手柄端靜態(tài)選/換檔力≤20N

（2）行程：選檔手柄行程=35～55mm

換檔手柄行程=60～80mm

5.3 布局限制條件

（1）換檔機(jī)構(gòu)底座的安裝位置符合座椅下架上的螺栓孔；

（2）換檔桿的極限運(yùn)動范圍距離副儀表板框開口邊緣≥10mm；

（3）與各關(guān)聯(lián)體之間的間隙距離≥25mm。

5.4 性能數(shù)據(jù)

（1）選換檔軟軸行程效率≥90%

（2）選換檔軟軸負(fù)載效率≥80%

（3）高低溫循環(huán)試驗(yàn)：按實(shí)車布線及負(fù)載，低溫-40℃，高溫+120℃，頻次為10次/分，次數(shù)60萬次

（4）鹽霧試驗(yàn)144小時

（5）選換檔軟軸管接頭拉脫力≥1500N

（6）選換檔軟軸軸芯拉脫力≥2000N

（7）選換檔軟軸軸芯承載推力≥500N

（8）選換檔軟軸軸芯極限推力≥700N

（9）選換檔軟軸軸芯破壞推力≥1000N

（10）在選換檔軟軸安裝面施加1500N的力，底座無損壞；

（11）換檔平順、選換檔力度適中、無沖擊/卡滯、精確、可靠、故障低。

5.5 手柄作用力計算

已知F1=56.29N，F(xiàn)2=90.32.N,a1=3.4,a2=5.76；

選檔：1/2和5/R在計算時，增加5N的回位彈簧力，換檔從1到R檔計算時,都增加5N的回位彈簧力。所以：

選檔手柄作用力F3=F1/a1+5=56.29/3.4+5=21.55N接近目標(biāo)值20N,符合；

換檔手柄作用力 F4=F2/a2+5=90.32/5.76+5=20.68N接近目標(biāo)值20N,符合；如圖6。

圖6 手柄檔位示意圖

6 選換檔軟軸總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]

選換檔軟軸由軸芯組件和耐壓軟管組件及其它部件組成，如圖 7所示。它的軸芯是由多股鋼絲構(gòu)成，是傳遞動力的部件，有的軸芯外面還纏有一層扁鋼帶，以提高軸芯的承載動力[1]。軸芯的處面是耐壓軟管中的內(nèi)襯管，為軸芯運(yùn)動起引導(dǎo)作用，再外層是由多根鋼絲纏繞而成起支承作用的軟管，鋼絲的外層還有起保護(hù)作用的塑料層[1]。選換檔軟軸總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因其具有柔軟性和可彎曲性，是推拉式軟軸總成進(jìn)行檔位操縱代替剛性桿系操縱的重要部件。

圖7 選換檔軟軸構(gòu)成示意圖

7 軟軸接頭結(jié)構(gòu)

軟軸接頭結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 軟軸接頭結(jié)構(gòu)

對于圖8所示的軟軸接頭，無需依照實(shí)車布局構(gòu)建模型。需將軟軸變速器端的限位件、導(dǎo)向套及其與底座的相關(guān)連接件進(jìn)行仿真分析。

（1）換擋端的載荷傳遞到變速器端會有一定的傳遞損失，可提供傳遞損失的測試值；

（2）上述結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的受力方向及其力值。

尼龍換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成模件化、參數(shù)化設(shè)計，采用輕量化推拉式軟軸直接連接變速器進(jìn)行擋位轉(zhuǎn)換原理，具有分塊組裝變成模塊化、設(shè)計參數(shù)化、減輕車身重量、裝配簡單、操縱方便靈活、節(jié)約能源、促進(jìn)環(huán)保等特點(diǎn)。操縱機(jī)構(gòu)總成用尼龍材料鑄射成型代替金屬沖壓成型，使產(chǎn)品更加簡單，占用空間小，方便主機(jī)廠安裝。提高了操縱舒適感和使用壽命、降低售后問題和整車重量，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝簡單，連接裝配方便，具有售后維修成本低等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)今汽車特別是微車配件行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢，對汽車行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步有一定的推動作用，對汽配行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整也有一定的促進(jìn)作用。因此可說是有較高的學(xué)術(shù)價值，市場前景非常廣闊。

[1] 孫衛(wèi)平.汽車變速器軟軸操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計[J].汽車技術(shù), 2002,(6):3.

[2] 鄧加尊,馬春文,潘子清.汽車換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成設(shè)計[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2014,(4):32-35.

Vehicle plastic shift control mechanism sub-assembly design

∶With the rapid development of automobile manufacturing, millions of Chinese families have owned their own cars. Higher and higher requirement for auto control flexibility are raised. Therefore,.flexible cable instead of rod-connected control subassembly is developed to supply.better part of control assembly. By selecting cable and shift cable to the main plant, suppliers can improve vehicle quality and production efficiency as well as cut down the cost. It meets requirements of.mass supply to main plant and effectively prevent tremble interference from power and meanwhile obtain an excellent controlling, the gearshift flexible shaft assembly using octagon buckle riveting process, to effectively solve the catching, stuck and so on, and to reduce the rate of sale of claims, increase product life. Whether in.slow speed state or.normal when assembly this new cable-connected controller. Under the circumstance, our company conducts.research supported from sino-foreign joint venture to developing and supplying this new shift control mechanism subassembly, which achieves.better social and economic significance.

Vehicle;plastic;control assembly;select cable;shift cable;design

U46...

A....

1008-1151(2015)08-0056-05

2015-07-08

中小企業(yè)國家創(chuàng)新基金項目“尼龍換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成”（09C26214505312）。

鄧加尊（1965－），男，廣西南寧人，柳州市金元機(jī)械制造有限公司副總經(jīng)理兼技術(shù)中心主任，高級工程師，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、技術(shù)管理、項目管理工作。