汽車換擋操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

肖俊華

（奇瑞汽車股份有限公司， 安徽　蕪湖　241009）

引言

“手動(dòng)擋入擋不易”對于手動(dòng)擋車型來說是客戶抱怨的前幾大問題之一，也是各大車廠的通病。換擋品質(zhì)的好壞最主要的決定因素是變速箱本身品質(zhì)的好壞，但是換擋操縱機(jī)構(gòu)、軟軸拉線品質(zhì)的好壞也與車輛換擋品質(zhì)有著密切的關(guān)系。本文主要討論從換擋操縱機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面來提升整車換擋品質(zhì)。

一般換擋品質(zhì)最主要是通過主觀評價(jià)和客觀數(shù)據(jù)測量來評價(jià)車輛換擋品質(zhì)的好壞，從以下三個(gè)方面進(jìn)行：

1）換擋的成功率（進(jìn)擋的難易和是否換錯(cuò)擋位）；

2）換擋、選擋操作力的大小和舒適性；

3）手柄空間操作行程的大小和舒適性。

1　某車型換擋力重的改進(jìn)分析

根據(jù)JDPOWER調(diào)查報(bào)告，某車型手動(dòng)換擋不易成為用戶抱怨最大的五個(gè)問題之一。通過主觀評價(jià)和客觀測量，主要存在換擋發(fā)卡發(fā)澀，換擋力重，換擋力達(dá)到45 N±5 N，超過了舒適范圍換擋力15～25 N的標(biāo)準(zhǔn)，具體標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1　換擋行程和力的標(biāo)準(zhǔn)范圍

1.1　拉線與變速箱換擋臂受力情況檢查

首先通過數(shù)據(jù)校核發(fā)現(xiàn)，某車型的角度β只有72°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于β角要求的90°±5°的標(biāo)準(zhǔn)，從下圖1可以看出，β角偏離90°越多，則同樣大小的拉力或者推力Fh在換擋臂轉(zhuǎn)動(dòng)方向的分力Fh1越小，反過來，一定的變速箱擋位切換力Fh1，則換擋機(jī)構(gòu)通過拉線的操作力Fh越大，如圖2所示。因此S11角度b設(shè)置不合適是影響換擋操縱力的一個(gè)重要因素。

圖1　軟軸布置角度示意圖

圖2　換擋機(jī)構(gòu)的簡化模型

1.2　換擋機(jī)構(gòu)杠桿比i的設(shè)定

換擋杠桿比i=a/b=Fh1/Fh。

其中：Fh1可通過實(shí)際測量獲得，F(xiàn)h可設(shè)置為表1中15～25 N的目標(biāo)值，這樣就可以得出換擋機(jī)構(gòu)杠桿比i的值。

通過計(jì)算分析，原換擋操縱機(jī)構(gòu)杠桿比偏小，也是導(dǎo)致?lián)Q擋力過重的重要因素，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將某車型換擋機(jī)構(gòu)杠桿比i由原來的1.55增大到1.92，同時(shí)通過反復(fù)校核，使杠桿比的值滿足行程和力的要求，當(dāng)然杠桿比的變化也可以通過調(diào)整變速箱的選換擋臂尺寸來實(shí)現(xiàn)。

同樣的，對于選擋杠桿比i，也可以用同樣的方法確定，i=（a/c）×（d/e）=Fx1/Fx。

1.3　改進(jìn)結(jié)果

1）換擋力由原來的45 N±5 N減少到了20 N±5 N。

2）選擋力由原來的25 N±5 N減少到了20 N±5 N。

3）換擋準(zhǔn)確率明顯改善，發(fā)卡發(fā)澀現(xiàn)象減少，換擋品質(zhì)明顯提升。

2　換擋操縱機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)概論

對于換擋操縱機(jī)構(gòu)來說，除了要滿足基本的選換擋功能外，我們還要求其滿足換擋品質(zhì)的要求，換擋操縱機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響換擋系統(tǒng)的總體品質(zhì)。換擋操縱機(jī)構(gòu)除了上述提到的換擋桿形狀、杠桿比影響換擋行程分配和換擋力的大小外，另外兩個(gè)重要指標(biāo)就是換擋操縱機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的游隙和整體剛度對換擋準(zhǔn)確性的影響。

2.1　換擋操縱機(jī)構(gòu)游隙的設(shè)計(jì)要求

換擋操縱機(jī)構(gòu)游隙主要體現(xiàn)在換擋桿球頭與球碗的配合間隙以及球碗與機(jī)構(gòu)殼體的配合間隙，見圖3，間隙配合大的機(jī)構(gòu)會(huì)覺得松垮，間隙配合小的機(jī)構(gòu)會(huì)覺得操縱力重，因此合適的配合尺寸設(shè)定顯得尤為重要。

在圖4中，尺寸是虛擬的，便于理解而設(shè)置，從圖中我們可以看出，球碗和殼體的配合在上下方向，球碗公差設(shè)定為0/-0.1 mm，殼體公差設(shè)定為±0.05 mm；在橫向方向，球碗公差設(shè)定為0/-0.1 mm，殼體公差設(shè)定為0.1/0 mm。球頭和球碗相配合，球碗公差設(shè)定為0.1/0 mm，球頭公差設(shè)定為0/-0.1 mm。

同時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的尺寸配合設(shè)定要滿足摩擦力的要求，前后方向摩擦力不大于3 N，左右方向摩擦力不大于12 N（帶回味位彈簧）

注：換擋手柄中部為測量點(diǎn)

圖3　換擋操縱機(jī)構(gòu)游隙示意圖

圖4　機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副配合尺寸設(shè)定圖解（單位：mm）

2.2　換擋操縱機(jī)構(gòu)剛度的設(shè)計(jì)要求

換擋操縱機(jī)構(gòu)剛度的大小影響換擋的準(zhǔn)確性和手感，其主要由換擋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的間隙（上文已提到設(shè)定方法）、換擋機(jī)構(gòu)本體的剛性、底座安裝點(diǎn)的剛性決定。

換擋操縱機(jī)構(gòu)的測定和計(jì)算如下圖5所示。

圖5　剛度測量及計(jì)算圖

上面介紹了換擋操縱機(jī)構(gòu)剛性的測定和計(jì)算方法，下面介紹如何滿足換擋機(jī)構(gòu)剛性要求。

換擋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的設(shè)計(jì)見第2.1節(jié)。

換擋機(jī)構(gòu)本體的設(shè)計(jì)：要求底座有足夠的支撐強(qiáng)度，底座四個(gè)安裝點(diǎn)距離盡可能的放大，對于最終本體的設(shè)計(jì)模型要就行CAE的強(qiáng)度分析校核；另外機(jī)構(gòu)本體盡量設(shè)計(jì)成整體式的，減少增加底座或者支架造成的剛度不足。

換擋底座安裝點(diǎn)的設(shè)計(jì)：換擋機(jī)構(gòu)底座安裝點(diǎn)不僅要起到固定的作用，還要有隔絕車身震動(dòng)傳動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)本體的作用，因此其設(shè)計(jì)往往采用橡膠墊的結(jié)構(gòu)，但是也造成換擋機(jī)構(gòu)剛度不足的現(xiàn)象。下面對于安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)定。

如圖6所示，襯套為金屬結(jié)構(gòu)，下端直接與車身地板接觸，通過螺栓固定換擋機(jī)構(gòu)與車身，橡膠墊在襯套與機(jī)構(gòu)本體之間，起減震作用，其中尺寸A和橡膠墊的硬度設(shè)定與剛度有直接關(guān)系。

尺寸A一般設(shè)定為±0.75 mm以內(nèi)；橡膠墊的硬度設(shè)定為75±5。

圖6　底座安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

3　軟軸拉線細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)概論

推拉軟軸是由芯線總成和外管總成及其他附件組成（如圖7所示）。他的芯線是由多股鋼絲構(gòu)成，是傳力構(gòu)件，有的芯線外面還纏有一層鋼帶，以提高芯線的承載能力。芯線外面是工程塑料管，為芯線的運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用。再外層是由多股鋼絲纏繞而成的外管和起保護(hù)作用的外皮。

圖7　軟軸拉線結(jié)構(gòu)圖

對于軟軸拉線的設(shè)計(jì)主要注意以下幾個(gè)方面：

1）芯線和襯套材料的匹配：磨擦系數(shù)的大小影響著軟軸的運(yùn)動(dòng)阻力和運(yùn)動(dòng)表面的磨損情況。芯線和襯套表面的粗糙度越低，運(yùn)動(dòng)時(shí)磨擦阻力就越小，效率就越高，駕駛員操縱就越輕便；軟軸總成中潤滑脂的性能直接影響軟軸的摩擦力和使用壽命，因此選擇合適的潤滑脂對軟軸的效率至關(guān)重要；

2）軟軸的摩擦力和間隙設(shè)定：摩擦力在4 N以下；游隙在3 mm以下（拉線一端固定，另外一端加載10 N的力）。

3）拉線S型布置時(shí)，兩斷彎曲之間的直線部分長度需保證在拉線2倍換擋行程以上，如圖8所示，若沒有此直線段，內(nèi)部芯線來回彎曲，操縱力會(huì)大大加大。

圖8　拉線S型布置示意圖

4）彎曲拉線時(shí)，拉線接頭部位開始至少50 mm的長度必須為直線段（見圖9），否則拉線阻力大大加大，壽命急劇降低。

圖9　彎曲拉線示意圖

5）需做好拉線的減震、防水密封措施。

4　換擋手柄位置人機(jī)工程設(shè)計(jì)

換擋手柄是駕駛員操縱換擋機(jī)構(gòu)直接接觸的部件，換擋手柄在駕駛室的位置影響到駕駛員操縱的方便性，直接影響到換擋的舒適性，因此，換擋手柄最高點(diǎn)的設(shè)定至關(guān)重要，一般在車型設(shè)計(jì)開發(fā)之初就需將手柄最高點(diǎn)位置確定，然后再進(jìn)行換擋操縱機(jī)構(gòu)其他部件的設(shè)計(jì)。

換擋手柄人機(jī)點(diǎn)的確定規(guī)則如下：

換擋手柄的位置要滿足人機(jī)工程的要求，一般只需規(guī)定2和5的尺寸即可。此尺寸都指的是與前R點(diǎn)的相對尺寸，如下圖10所示。

圖10　換擋手柄與整車R點(diǎn)關(guān)系圖

1）換擋手柄空擋位置與整車R點(diǎn)縱向距離2設(shè)定為380 mm±30 mm。

2）換擋手柄空擋位置與整車R點(diǎn)垂直方向距離5設(shè)定為210 mm±30 mm。