某中型卡車型換擋困難分析與改進(jìn)

吳江 趙培生 黃東東

摘 要：文章針對某中型卡車1/2擋難掛問題，對離合器系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器換擋力、操縱系統(tǒng)阻力、軟軸性能及其布置形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)換擋困難的根本原因?yàn)檐涊S布置不合理和軟軸性能低。據(jù)此，提出了優(yōu)化軟軸的結(jié)構(gòu)和布置的改善方法，并對所提出的優(yōu)化方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明所提出的優(yōu)化方法解決了該車型1/2擋難掛的問題，提升了整車的換擋性能，并為以后的換擋系統(tǒng)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：離合器；換擋力；軟軸；換擋性能

中圖分類號：U462.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-139-04

Abstract： In this paper， an experimental analysis is carried out on the clutch system， engine speed， transmission gear shifting force， control system resistance， soft shaft performance and its layout of a medium-sized truck. It is found that the root cause of the shifting difficulty is the improper placement of soft shaft and low performance of soft shaft. Based on this， an improved method to optimize the structure and layout of the soft shaft is proposed， and the proposed optimization scheme is tested and verified. The results show that the proposed optimization method can solve the problem of gear shifting， improve the gear-shifting performance of the whole car， and provide a theoretical basis for the future gear-shifting system design.

Keywords： Clutch； Shift force； Soft shaft； Shift performance

CLC NO.： U462.3 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-139-04

前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。用戶對商用車駕駛舒適性要求越來越高，而換擋性能作為駕駛舒適性的一個關(guān)鍵評價指標(biāo)，成為提升汽車駕駛體驗(yàn)的重點(diǎn)難題。本文主要針對某中卡車型1/2擋難掛的問題通過進(jìn)行系統(tǒng)性的分析及驗(yàn)證。

1 問題描述

某款中卡市場反饋“擋位難掛”，通過對該公司市場故障反饋系統(tǒng)（DMS）反饋的擋位難問題進(jìn)行梳理并走訪市場后確認(rèn)，用戶新車主要主要存在起步1/2擋掛擋力大的問題。

根據(jù)客戶反饋的情況，隨機(jī)抽取4臺車輛進(jìn)行1/2擋怠速換擋力進(jìn)行測量，測試結(jié)果如表1。

由測試結(jié)果可以得出， 1/2擋換擋力均遠(yuǎn)大于目標(biāo)值（≤55N），由此可確認(rèn)新下線車型存在1/2擋怠速掛擋力大的問題。

2 換擋原理及過程分析

如圖1所示，為某中卡車型變速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。對于手動變速器，駕駛員在進(jìn)行換擋操縱時，通過操作換擋手把進(jìn)入指定擋位來實(shí)現(xiàn)。

上述換擋過程中，影響駕駛員操作力的主要有變速操縱座總成的阻力，操縱座的杠桿比，軟軸的阻力及變速箱本身的換擋力大?。坏∷贍顟B(tài)下進(jìn)行換擋操作，還需要對變速箱的動態(tài)換擋性能進(jìn)行評價，可以基于下面的公式（1）對影響動態(tài)換擋性能的因素進(jìn)行說明[3]：

式中：MC為同步力矩；F為作用在同步環(huán)上的軸向力；μC為同步環(huán)摩擦系數(shù)；Rc為同步環(huán)錐度半徑；θ為同步環(huán)錐度半角；Mg為慣性力矩；Jw為輸入端轉(zhuǎn)動慣量；?ω為轉(zhuǎn)速差；t為同步時間。

在適當(dāng)?shù)牧和同步時間t下，同步器提供的同步力矩MC必須大于或等于此時目標(biāo)擋位的慣性力矩Mg，這樣才能順利換入目標(biāo)擋位，否則會導(dǎo)致駕駛員感覺換擋力大或者換擋沖擊。

從公式（1）分析，除了排查同步器本身的設(shè)計因素外，影響動態(tài)換擋的要素主要為輸入端的轉(zhuǎn)動慣量Jw，其中關(guān)鍵是與其匹配的離合器從動盤的轉(zhuǎn)動慣量，一般要求在滿足整車使用的情況下從動盤的轉(zhuǎn)動慣量越小越好；同時必須保證換擋時，離合器分離徹底，否則會導(dǎo)致整體輸入端的轉(zhuǎn)動慣量劇增，嚴(yán)重影響換擋性能。其次是轉(zhuǎn)速差?ω，理論要求轉(zhuǎn)速差越小越好，而在怠速狀態(tài)下，由于車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，影響轉(zhuǎn)速差的關(guān)鍵是發(fā)動機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速。

利用質(zhì)量管理工具中的故障樹，對可能導(dǎo)致變速操縱換擋力過大的的原因進(jìn)行了多層次的詳細(xì)分析，其故障樹分析如圖3所示。

3 原因分析

3.1 離合器系統(tǒng)檢查

對離合器系統(tǒng)的從動盤慣量和離合器的分離兩個方面分別進(jìn)行分析。

3.1.1 離合器從動盤轉(zhuǎn)動慣量檢查

從公式（1）可以看出，離合器從動盤的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)量是決定換擋水平的一個重要因素。隨機(jī)抽取3個離合器從動盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量的測試，測試結(jié)果如表2所示。

由表2測試結(jié)果可知所選的5個離合器從動盤符合設(shè)計要求（≤0.075kg·m2 ）?，F(xiàn)將合格的離合器裝到故障車輛上，進(jìn)行換擋實(shí)驗(yàn)，換擋性能沒有變化，可以判斷從動盤轉(zhuǎn)動慣量為非主要原因。

3.1.2 離合器分離檢查

分析可知，當(dāng)推桿行程≥23.1mm即可徹底分離?，F(xiàn)對測試換擋力的10臺車進(jìn)行推桿行程測試，測試結(jié)果如圖4所示。

由圖3可知，推桿行程測量最小值為24mm，均滿足要求?？梢耘卸x合分離不是主要原因。

3.2 操縱系統(tǒng)桿杠比確認(rèn)

通過對標(biāo)桿及同類車型的手柄端換擋行程進(jìn)行對比本車型換擋行程及杠桿比是合適的，判定操縱系統(tǒng)杠桿比不是主要原因。

3.3 發(fā)動機(jī)怠速檢查

由公式（1）可知怠速轉(zhuǎn)速可能對換擋力產(chǎn)生影響，對比同類車型在相同輸出扭矩下發(fā)動機(jī)的怠速狀態(tài)的轉(zhuǎn)速，從對比數(shù)據(jù)可以看出同一輸出扭矩的發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速基本相當(dāng)，可以判定發(fā)動機(jī)怠速時的轉(zhuǎn)速不是主要因素。

3.4 變速器換擋力檢查

駕駛員手柄處換擋力為[4] 。

當(dāng)系統(tǒng)效率η及操縱機(jī)構(gòu)換擋比i比一定時，手柄端換擋力主要受變速器端換擋力影響，根據(jù)此公式計算，整車手柄端換擋力F≤55N時，變速器端換擋力F變≤155N，抽取不同批次的變速器進(jìn)行臺架測試，測試數(shù)據(jù)滿足要求。更換檢測后的變速器進(jìn)行評價：換擋性能無變化，可排除變速器換擋力大因素。

3.5 操縱系統(tǒng)阻力分析

3.5.1 操縱座檢查

隨機(jī)抽取5套操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試，對其操縱座的阻力分別進(jìn)行測量，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5.2 軟軸阻力檢查

在如圖4所示的軟軸測試臺架上模擬整車布置對軟軸空載阻力進(jìn)行測試[5]，測試結(jié)果如表3。

從測試數(shù)據(jù)可以看出軟軸空載阻力偏大，不滿足設(shè)計要求（阻力≤8N），軟軸阻力大的原因，一是軟軸布置不合理，二是軟軸性能差。

a）軟軸布置不合理

對整車軟軸布置進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)軟軸彎曲半徑較小，且軟軸管夾固定過緊，對軟軸布置進(jìn)行調(diào)整，換擋力下降，可判定其為主要原因。

b）軟軸性能檢查

抽取3套軟軸按行標(biāo)《QC/T 29101 汽車用操縱拉索總成》對軟軸進(jìn)行測試[6]。測試結(jié)果軟軸性能符合行標(biāo)要求（效率≥85%，阻力≤8N）。

4 優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)上述分析可知換擋力過大的主要原因是軟軸布置不合理和軟軸性能差，現(xiàn)針對這兩個主要原因進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4.1 優(yōu)化軟軸的布置

將軟軸固定位置從車架腹面改為上翼面固定，增大軟軸的轉(zhuǎn)彎半徑；固定方式由夾緊固定改為間隙固定如圖5所示，減小阻力。

經(jīng)過以上對策實(shí)施，對整車換擋力進(jìn)行測試及主觀評價，測試結(jié)果如表5所示。

從改進(jìn)后的測試結(jié)果可以看出，改進(jìn)軟軸布置后換擋力明顯降低，但未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，說明分析排查過程存在問題，需要進(jìn)行二次確認(rèn)。經(jīng)過臺架試驗(yàn)軟軸布置和整車對比，發(fā)現(xiàn)軟軸測試標(biāo)準(zhǔn)軟軸布置和實(shí)車布置不一致，標(biāo)準(zhǔn)不能完全代替實(shí)際狀態(tài)；按整車布置狀態(tài)進(jìn)行臺架測試，測試結(jié)果如表5所示。

從測試結(jié)果可以看出軟軸的空載阻力不滿足設(shè)計要求（阻力≤8N）。所以在整車布置條件下，軟軸性能差，不符合設(shè)計要求，也是1/2擋換擋力大的主要原因，軟軸性能需進(jìn)一步提升。

4.2 優(yōu)化軟軸結(jié)構(gòu)

對軟軸進(jìn)行改進(jìn)。如圖10所示，內(nèi)襯采用具有自潤滑性能的PTFE材料；芯軸表面增加注塑芯軸，減小摩擦面積，降低阻力；

將改進(jìn)后的軟軸，模擬整車布置進(jìn)行臺架測試，測試結(jié)果如表6所示。

改進(jìn)后軟軸的空載阻力滿足要求（阻力≤8N）。

5 整車測試

現(xiàn)抽取安裝優(yōu)化后的軟軸進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表7所示。

從測試結(jié)果可以看出，安裝優(yōu)化后的軟軸，此款車型的換擋力都小于目標(biāo)設(shè)定值55N以下。

6 結(jié)論

（1）通過逐步驗(yàn)證的方法找到了影響某中卡車型1/2選換困難的原因是因?yàn)檐涊S布置不合理和軟軸性能較差。

（2）優(yōu)化設(shè)計了軟軸的結(jié)構(gòu)和布置，有效解決了某中卡車型1/2選換困難的問題。

（3）優(yōu)化后感受換擋力有明顯下降，且換擋手感較以前明顯變好，整車換擋性能大幅提升。

參考文獻(xiàn)

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