乘用車換擋拉索熱傷害性能試驗(yàn)與分析

李亞飛 劉志剛 譚火南 鄭威 陳振文

【摘 要】乘用車新車型開發(fā)過程中，換擋拉索需同時滿足曲率要求和與排氣管的安全間隙要求。以不同的披覆層材料和內(nèi)襯管材料組合的換擋拉索為研究對象，模擬實(shí)車狀態(tài)，距離520℃熱源不同的距離進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到披覆層材料為PA6、PP，內(nèi)襯管材料為PTFE、PBT等換擋拉索的熱傷害性能，并繪制換擋拉索與熱源的溫度分布圖。設(shè)計換擋拉索的布置數(shù)據(jù)時，可參考設(shè)置換擋拉索與排氣管的安全距離。

【關(guān)鍵詞】換擋拉索；熱傷害；排氣管；安全距離

中圖分類號：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）05-0043-002

【Abstract】During the development of new models of passenger cars， the shift cable needs to satisfy both the curvature requirement and the safety clearance requirement of the exhaust pipe. The shifting cables combined with different coating materials and inner liner materials were used as research objects to simulate the actual vehicle state. The distances from 520°C heat source were tested. According to the test data， the coating materials were PA6 and PP. The inner liner material is the hot damage performance of PTFE， PBT， etc. shift cable， and draw the temperature distribution map of shift cable and heat source. When designing the layout data of the shift cable， reference can be made to setting the safety distance of the shift cable and the exhaust pipe.

【Key words】Shift cable； Thermal damage； Exhaust pipe； Safety distance

換擋拉索連接駕駛室內(nèi)換擋器與發(fā)動機(jī)艙的變速箱換擋操縱機(jī)構(gòu)，用來傳遞駕駛?cè)耸┘釉趽Q擋器上的換擋操縱力和行程，從而選擇變速箱的特定擋位，實(shí)現(xiàn)駕駛?cè)说囊鈭D，是傳統(tǒng)乘用車的重要零部件[1]。目前多數(shù)新能源車型和某些高端品牌車型上開始采用線控?fù)Q擋技術(shù)（Shift By Wire， SBW）[2-4]，取消了換擋拉索，然而傳統(tǒng)的拉索式換擋機(jī)構(gòu)相對SBW技術(shù)具有成本低、可靠性高、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，未來仍將大范圍應(yīng)用[5-9]。一般情況下，換擋拉索需從副駕駛臺穿過車身中通道底板，經(jīng)排氣管上方連接到變速箱換擋搖臂。由于乘用車排氣管撓性節(jié)部位的工作環(huán)境惡劣[10-11]，極端工況下的最高溫度可以達(dá)到500℃以上，若換擋拉索與排氣管的間隙不足，將導(dǎo)致拉索表面融化，致使換擋力偏大或換擋失效，造成安全隱患，因此應(yīng)研究不同材料換擋拉索的溫度分布情況及隔熱護(hù)管的隔熱效果，在新車型開發(fā)過程中，需考慮換擋拉索的熱傷害因素，保證其與排氣管的安全間隙。

1 換擋拉索熱傷害試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)所采用的換擋拉索結(jié)構(gòu)，其中披覆層常采用的材料為PA6、PP等，內(nèi)襯管常采用的材料為PBT、PTFE等[12-14]，不同的材料組合及內(nèi)外徑尺寸構(gòu)成不同類型的換擋拉索，試驗(yàn)規(guī)定所采用的換擋拉索外徑D為7.2mm，內(nèi)徑d為2.7mm，規(guī)定樣本1#為PP+PBT，樣本2#為PP+PTFE，樣本3#為PA6+PBT，樣本3#為PA6+PTFE，以樣本1#、2#、3#、4#為對象進(jìn)行熱傷害試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為拉索熱試驗(yàn)裝置，該設(shè)備熱源的最高溫度540℃，精度為±2℃。試驗(yàn)?zāi)M廣汽某SUV車型耐久試驗(yàn)過程中排氣管最高溫度（約520℃），將設(shè)備的熱源溫度設(shè)定為520℃。該設(shè)備達(dá)到平衡時間約需要15min，其自帶的測試軟件設(shè)定采集溫度的頻率為3min/次，在熱穩(wěn)定以后采集10次，即每組試驗(yàn)用時為平衡時間加上數(shù)據(jù)采集時間，約為45min，需另外計算樣件準(zhǔn)備時間等。

設(shè)備熱箱中的拉索夾持結(jié)構(gòu)，該夾持結(jié)構(gòu)在安裝拉索樣件時速度慢、高度不可調(diào)，為提高試驗(yàn)效率，快速調(diào)整拉索距熱源的高度，制作了簡易工裝。其操作方法為：拉索安裝于豎桿端部的掛鉤處，每塊鋁板的厚度計為1.5mm，同時增減兩邊支撐位置的鋁板數(shù)量以實(shí)現(xiàn)高度的可控調(diào)節(jié)。

2 試驗(yàn)過程和結(jié)果分析

2.1 樣本1#安全距離試驗(yàn)

樣件1#的材料組合方式為PP+PBT，在滿足性能的基礎(chǔ)上其材料成本較低，以樣本1#作為試驗(yàn)對象，與520℃熱源的距離分別為40mm，60mm，65mm，67mm，70mm，進(jìn)行試驗(yàn)。為對比材料來源不同對拉索耐熱性能的影響，試驗(yàn)采用了某進(jìn)口材料的換擋拉索競品1#作為試驗(yàn)對象，距離520℃熱源40mm進(jìn)行了試驗(yàn)。

通過試驗(yàn)可知，沒有任何隔熱措施時，樣件1#的換擋拉索需距離520℃熱源大于70mm時，其表面才能避免融化，此時拉索表面平均溫度130.4℃。該換擋拉索距離熱源40mm時，拉索表面溫度最高可達(dá)200.1℃，融化嚴(yán)重。由試驗(yàn)觀察可知，拉索表面開始融化后，其表面溫度將迅速升高，融化速度也將加劇。

當(dāng)采用競品1#，距離520℃熱源40mm進(jìn)行試驗(yàn)時，熱平衡后檢測900s，其表面開始融化，溫度約175.9℃，抗熱性能稍優(yōu)于樣本1#（熱平衡后600s，最高溫度200.1℃，融化嚴(yán)重）。這說明規(guī)格和材料類別相同的拉索，若材料性能存在差異，它們的抗熱性能也不相同。

2.2 樣本4#安全距離試驗(yàn)

以樣本4#為試驗(yàn)對象，其材料為PA6+PTFE，分別距離520℃熱源40mm，50mm，60mm時進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果。

2.3 不同材料組合的換擋拉索熱害性能試驗(yàn)分析

以樣件1#、2#、3#、4#作為試驗(yàn)對象，距離520℃熱源60mm進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，距離熱源60mm時，同樣披覆層材料、不同內(nèi)襯管材料（PP+PBT/PP+PTFE或PA6+PTFE/PA6+PBT）的拉索樣件，拉索表面溫度較為接近（159.0℃/158.3℃或141.3℃/145.1℃），披覆層材料為PP的拉索樣件表面融化，PA6拉索樣件表面正常。分析可知，同樣條件下內(nèi)襯管材料的好壞對拉索抗熱沖擊性能的影響較小，披覆層材料對拉索表面是否融化有更直接的影響，其中PA6材料的抗熱性能要優(yōu)于PP。

2.4 不同材料換擋拉索的溫度分布

由以上試驗(yàn)可知，同種類型的換擋拉索，與熱源的距離不同時，其表面溫度不同。而且，不同材料組成的換擋拉索，與熱源的距離相同時，由于材料性能等不同，其表面溫度也不相同。試驗(yàn)分別以不同材料組合的換擋拉索為對象，與520℃熱源距離一定高度加熱，并逐漸下調(diào)拉索懸掛的高度，得到不同材料組成的換擋拉索的溫度分布圖。

2.4.1 PP+PBT拉索樣件的溫度分布

先前試驗(yàn)中采用的拉索樣件外徑均為7mm，本試驗(yàn)以外徑9mm的PP+PBT拉索樣件進(jìn)行測試，距離520℃熱源高度由70mm逐漸向下調(diào)整，得到PP+PBT換擋拉索樣件的溫度分布。

由2.1可知，樣本1#（PP+PBT，外徑7mm）換擋拉索距離520℃熱源70mm時，表面平均溫度130.4℃，拉索表面正常。本試驗(yàn)中，外徑為9mm的換擋拉索PP+PBT距離熱源70mm時，在熱源溫度上升至520℃的過程中，拉索表面已出現(xiàn)融化現(xiàn)象。熱源穩(wěn)定至520℃后，拉索表面溫度達(dá)到147.6℃，表面融化。試驗(yàn)在該基礎(chǔ)上，逐漸縮小與熱源的距離，得到的溫度分布，為該型換擋拉索提供溫度參考。兩種外徑不同的同種材料換擋拉索，距離相同時，抗熱性能不同，其原因可能有兩點(diǎn)：（1）外徑大的換擋拉索受熱面積大，與同種材料的小半徑拉索相比，抗熱性能稍差；（2）試驗(yàn)誤差影響。

2.4.2 帶隔熱套管的樣本1#拉索樣件的溫度分布

設(shè)計換擋拉索時，在經(jīng)過布置優(yōu)化、熱傷害分析后，換擋拉索仍然存在熱傷害風(fēng)險時，可以在換擋拉索表面布置隔熱套管。常用的拉索隔熱套管由鋁箔和玻纖布構(gòu)成，采用鉚接方式套在換擋拉索披覆層外側(cè)，主要通過熱反射保護(hù)內(nèi)層換擋拉索。

試驗(yàn)在樣本1#的換擋拉索外側(cè)套上隔熱套管，與520℃熱源的高度由40mm開始，逐漸向下調(diào)整，試驗(yàn)過程中同時檢測拉索披覆層表面的溫度和隔熱套管表面的溫度。其中距離11.5mm時，在520℃熱源作用下繼續(xù)加熱了約15min，換擋拉索披覆層溫度為106.7℃，樣件性能正常。

2.4.3 樣本3#拉索樣件的溫度分布

由2.3可知，樣本3#（材料PA6+PBT）的換擋拉索距離520℃熱源60mm時，換擋拉索表面的平均溫度為145.1℃，拉索表面正常，拉索性能正常。試驗(yàn)樣本3#拉索樣件為對象，距離熱源的高度由60mm逐漸下調(diào)，得到的溫度分布。

2.4.4 樣本4#拉索樣件的溫度分布

由2.3可知，樣本4#換擋拉索距離520℃熱源60mm時，換擋拉索表面的平均溫度為141.3℃，拉索表面正常，性能正常。試驗(yàn)以樣本4#為對象，從距離熱源60mm開始，逐漸縮小距離，直至其表面明顯融化，以得到溫度分布。

3 結(jié)語

以披覆層材料為PP或PA6、內(nèi)襯管材料為PBT或PTFE的換擋拉索為試驗(yàn)對象，在520℃熱源的條件下進(jìn)行熱傷害試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）若無隔熱板，拉索不帶隔熱套管，距離熱源40mm時，試驗(yàn)條件下樣件1#換擋拉索表面最高溫度超過200℃，表面融化嚴(yán)重；若拉索增加隔熱套管，距離熱源40mm時，試驗(yàn)條件下樣件1#換擋拉索表面平均溫度81.4℃，隔熱套管表面平均溫度92.8℃，拉索性能正常；

（2）以披覆層和內(nèi)襯管不同材料組合的換擋拉索為試驗(yàn)對象，距離520℃熱源60mm進(jìn)行試驗(yàn)，可知，同樣披覆層材料的條件下內(nèi)襯管材料的不同對拉索抗熱性能影響較小，披覆層的材料對拉索表面是否融化。

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