乘用車(chē)手動(dòng)變速箱外部換擋系統(tǒng)設(shè)計(jì)提升及試驗(yàn)驗(yàn)證

潘鵬 姜曉來(lái) 孫曉娜 王青海 孫天宇

摘 ?要：根據(jù)乘用車(chē)手動(dòng)變速箱外部換擋系統(tǒng)的研究，對(duì)外部換擋系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，找出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和擋位品質(zhì)的相關(guān)性，進(jìn)而提出外部換擋系統(tǒng)品質(zhì)提升方案，并通過(guò)主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試對(duì)提升方案在靜、動(dòng)態(tài)擋位品質(zhì)改善上的效果進(jìn)行充分驗(yàn)證。為外部換擋系統(tǒng)擋位品質(zhì)提升，建立一套完整的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證流程方法。

關(guān)鍵詞：外部換擋系統(tǒng);擋位品質(zhì);評(píng)價(jià)指標(biāo);試驗(yàn)方法

中圖分類號(hào)：U467.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2020）05-0059-06

Abstract： According to the research of manul transmission external shifting system on passenger car， the main structural principles of external shifting system was analysed， the correlation between system structure and gear quality was found， then the gear quality improvement scheme of external gear shifting system is put forward， subjective evaluation and objective observation test were used to fully verify the effect of the improvement scheme on improving static and dynamic gear quality. A complete design and test verification process method is established for the gear quality improvement of external gear shifting system.

Key Words： External Shift System; Gear Quality; Evaluation Index; Experiment Method

前言

隨著乘用車(chē)在市場(chǎng)上的不斷普及，以及消費(fèi)者對(duì)車(chē)輛認(rèn)知的不斷加深，人們也越來(lái)越重視車(chē)輛各個(gè)方面的質(zhì)量品質(zhì)，相應(yīng)的針對(duì)車(chē)輛各零部件的研發(fā)和評(píng)估也越加細(xì)致和深入。換擋系統(tǒng)操作力在駕駛員的日常駕駛中可謂是至關(guān)重要，它直接影響到駕駛員的操作感受進(jìn)而影響到駕駛員對(duì)車(chē)輛品質(zhì)的判斷，因此，為了提高自身產(chǎn)品的品質(zhì)，各大汽車(chē)廠家已逐漸加大了對(duì)換擋系統(tǒng)品質(zhì)的研究。

換擋系統(tǒng)品質(zhì)是由變速箱外部換擋機(jī)構(gòu)品質(zhì)和變速箱內(nèi)部換擋機(jī)構(gòu)品質(zhì)兩部分共同組成的。其中，變速箱外部換擋機(jī)構(gòu)是由換擋球頭、換擋器和換擋軟軸等零件構(gòu)成的，這些零件的質(zhì)量、杠桿比、曲率等相關(guān)參數(shù)都直接影響到外部換擋系統(tǒng)品質(zhì)。因此，在外部換擋系統(tǒng)的研究中，如何合理的調(diào)整這些參數(shù)變量，提升外部換擋系統(tǒng)品質(zhì)便成為了研究重點(diǎn)，同時(shí)如何通過(guò)主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試對(duì)提升方案進(jìn)行驗(yàn)證也十分必要。

1 ? ?外部換擋系統(tǒng)品質(zhì)要素分析

乘用車(chē)手動(dòng)變速箱外部換擋系統(tǒng)主要由平衡塊、選換擋軟軸、手球、換擋器總成四個(gè)部分組成，如圖1所示：

乘用車(chē)手動(dòng)變速箱換擋品質(zhì)優(yōu)劣取決于動(dòng)力總成系統(tǒng)和外部換擋系統(tǒng)，其中外部換擋系統(tǒng)換擋品質(zhì)要素如下：

（1）平衡塊：平衡塊安裝在變速箱換擋支架上，可利用平衡塊旋轉(zhuǎn)慣量改善換擋吸入感、換擋平順性。平衡塊的旋轉(zhuǎn)慣量越大，則吸入感越強(qiáng)、平順性越好，但會(huì)導(dǎo)致?lián)Q擋力增大。

（2）選換擋軟軸：選換擋軟軸的走向和剛性影響選換擋力和系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲，選換擋軟軸安裝后的最小曲率越大，選換擋軟軸的內(nèi)阻越小，則選換擋力越小。選換擋軟軸的剛性越大，則振動(dòng)噪聲越大;剛性越小，則選換擋系統(tǒng)剛度越小，對(duì)自由間隙和選換擋行程均有不利的影響。通過(guò)優(yōu)化選換擋軟軸的安裝走向，提高曲率半徑，優(yōu)化選換擋軟軸套管及芯線材質(zhì)，使選換擋力得到下降。

（3）手球：手球的形狀、材質(zhì)、高度匹配直接影響手動(dòng)擋換擋品質(zhì)友好性，通過(guò)采用適當(dāng)?shù)氖智蛸|(zhì)量、整體高度，提升操作舒適性、美觀度及換擋吸入感。

（4）換擋器總成：換擋器中各摩擦副性能水平、各摩擦副的配合間隙、杠桿比、回位彈簧性能、換擋器結(jié)構(gòu)、各部件剛度、緩沖材料性能，換擋器總成對(duì)換擋品質(zhì)的影響如下表1所示。

2 ? ?外部換擋系統(tǒng)擋位品質(zhì)提升方案

2.1 ? 平衡塊慣量匹配

平衡塊旋轉(zhuǎn)慣量合理匹配能很好的改善換擋吸入感、換擋平順性，本方案將平衡塊設(shè)計(jì)為調(diào)整式，通過(guò)調(diào)整安裝的平衡塊數(shù)量來(lái)改變旋轉(zhuǎn)慣量。如圖2所示：

以主觀評(píng)價(jià)為主，客觀測(cè)量為輔的測(cè)試方案，確定換擋吸入感、換擋平順性與換擋力綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)方案，最終確定選擇5個(gè)平衡塊的配重方案。

2.2 ? 選換擋軟軸匹配

軟軸的內(nèi)阻與其走向密切相關(guān)，轉(zhuǎn)彎越少，曲率半徑越大，走向就越平順，其內(nèi)阻也就越小。本方案通過(guò)調(diào)整變速箱換擋支架安裝固定點(diǎn)，進(jìn)而調(diào)整軟軸布置，使其曲率半徑由130mm加大到200mm，進(jìn)一步減小軟軸內(nèi)阻。

軟軸內(nèi)阻由套管和芯線結(jié)構(gòu)、材料決定，本方案預(yù)制了由不同的套管、芯線材料制成的七種選換擋軟軸改善方案。結(jié)合平衡塊選擇方案，對(duì)七種選換擋軟軸方案進(jìn)行客觀測(cè)量和主觀評(píng)價(jià)，綜合考慮性能水平及成本，最終確定選擇方案七。如圖3所示：

2.3 ? 換擋器總成改善

2.3.1 球襯改善方案

球襯由整體式改為兩半式，增加柔性墊。通過(guò)柔性墊預(yù)壓變形消除自由間隙，并在磨損后實(shí)現(xiàn)間隙補(bǔ)償。采用新摩擦副材料，摩擦阻力減小，表面加工精度要求提高。如圖4所示：

2.3.2 選擋搖臂改善方案

選擋搖臂轉(zhuǎn)軸兩端增加軸承，加大支撐跨距，提升轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定性，減小間隙。軸端增加波形墊片，提升壓緊力，消除轉(zhuǎn)軸軸向間隙。降低選擋回位彈簧剛度，減小選擋力。如圖5所示：

2.3.3 選擋搖臂改善方案

換擋桿、選擋搖臂處加裝柔性材料，降低振動(dòng)噪聲。如圖6所示：

2.3.4 換擋器底座改善方案

換擋器底座加寬，優(yōu)化換擋器結(jié)構(gòu)，提升換擋器剛度。

3 ? ?外部換擋系統(tǒng)品質(zhì)提升驗(yàn)證

手動(dòng)變速箱的擋位品質(zhì)是由靜態(tài)擋位品質(zhì)和動(dòng)態(tài)擋位品質(zhì)兩部分組成。其中靜態(tài)擋位品質(zhì)是由擋位布置特性、靜態(tài)換擋特性、靜態(tài)選擋特性、換擋球頭自由間隙、斜向換擋性能和換擋系統(tǒng)剛度這六部分組成。動(dòng)態(tài)擋位品質(zhì)主要由動(dòng)態(tài)換擋特性、結(jié)合分離特性和二次沖擊特性組成。

在手動(dòng)變速箱的擋位品質(zhì)驗(yàn)證中采用客觀測(cè)試和主觀評(píng)價(jià)兩種驗(yàn)證方式，從主、客觀兩個(gè)維度進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)將外部換擋系統(tǒng)原方案、外部換擋系統(tǒng)改善方案和對(duì)標(biāo)車(chē)三種狀態(tài)主、客觀測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，充分驗(yàn)證外部換擋品質(zhì)提升方案的改善情況。

3.1 ? 靜態(tài)擋位品質(zhì)驗(yàn)證

3.1.1 選換擋行程

選換擋行程的長(zhǎng)短直接影響到駕駛員的主觀操作感受。如果擋位行程太小則會(huì)使得擋位不清晰，而如果擋位行程過(guò)大則會(huì)容易造成換擋操作不便或者換擋桿與車(chē)內(nèi)其他部件干涉。從表2可以看出改善方案較原方案部分換擋行程減小2-7mm，接近對(duì)標(biāo)車(chē)水平，選擋行程部分擋位減小5-10mm，優(yōu)于對(duì)標(biāo)車(chē)水平。

3.1.2 自由間隙

換擋球頭自由間隙體現(xiàn)了各擋位的自由晃動(dòng)量，自由間隙過(guò)大，會(huì)造成換擋桿在擋位中過(guò)于松曠，降低換擋精度，影響駕駛員的擋位感。間隙過(guò)小又會(huì)造成換擋生硬、無(wú)柔性，甚至脫擋，使駕駛?cè)藛T感覺(jué)不適。從表3中可以看出改善方案較原方案自有間隙X向減小4-10mm，Y向減小5-10mm，有較明顯的改善，總體仍差于對(duì)標(biāo)車(chē)水平。

3.1.3 吸入感

在進(jìn)行換擋操作時(shí)，在克服進(jìn)擋力后，換擋桿自動(dòng)進(jìn)入擋位到達(dá)擋位自由位置，即在換擋過(guò)程中有反向力的出現(xiàn)，這種反向力出現(xiàn)的現(xiàn)象我們稱之為擋位吸入感。從表4中可以看出改善方案較原方案1擋、2擋、3擋、4擋、5擋吸入感下降較明顯，R擋吸入感增強(qiáng)，整體靠近對(duì)標(biāo)車(chē)水平，改善方案優(yōu)于原方案。

3.1.4 靜態(tài)換擋力

換擋力是指換擋桿在入擋過(guò)程中遇到的最大阻力，換擋力的大小直接影響到駕駛員的操作感受。好的換擋力特性應(yīng)包含大小適中的換擋力、適當(dāng)?shù)奈敫校瑫r(shí)具有良好的整體一致性。從表5中可以看出改善方案較原方案換擋力下降2-7N，優(yōu)于對(duì)標(biāo)車(chē)。從圖7中可以看出各擋換擋力的一致性、平順性有明顯改善。

3.1.5 靜態(tài)選擋力

良好的選擋力特性應(yīng)當(dāng)是從擋位自由位置開(kāi)始選擋力逐漸增加，到達(dá)峰值后趨于不變或者略微下降，從選擋末端回到擋位自由位置的過(guò)程中選擋力也稱回位力應(yīng)在0N以上，以保證換擋桿能夠自動(dòng)回位。同時(shí)選擋力曲線應(yīng)平順無(wú)波動(dòng)，具有較好的整體一致性。從表6中可以看出改善方案較原方案選檔力大小改善明顯，改善后選檔力大小優(yōu)于對(duì)標(biāo)車(chē)，從圖8中可以看出改善方案向右選檔方向，選檔力上升趨勢(shì)變緩，選檔平順性有明顯改善。

3.1.6 選換擋剛度

換擋系統(tǒng)的剛度特性對(duì)于實(shí)際換擋操作的準(zhǔn)確性和舒適性有著顯著的影響。換擋系統(tǒng)剛度過(guò)大會(huì)在換擋和選擋的過(guò)程中有明顯的碰壁感，而換擋系統(tǒng)剛度過(guò)小則會(huì)影響到換擋的準(zhǔn)確性和擋位的入位感。從表7中可以看出改善方案選換擋剛度未有改善。

3.2 ? 動(dòng)態(tài)擋位品質(zhì)驗(yàn)證

本文通過(guò)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比來(lái)展現(xiàn)動(dòng)態(tài)擋位品質(zhì)的驗(yàn)證情況，評(píng)價(jià)中選取六個(gè)主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)：怠速時(shí)的換檔特性、結(jié)合和分離特性、動(dòng)態(tài)換檔性能、二次沖擊、急踩（急松）油門(mén)、換檔時(shí)的振動(dòng)和噪聲。從表8中我們可以看出在各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)得分上改善方案較原方案均有所提高，且總體得分高于對(duì)標(biāo)車(chē)。

4 ? ?總結(jié)

本文首先對(duì)乘用車(chē)手動(dòng)變速箱外部換擋系統(tǒng)品質(zhì)要素進(jìn)行梳理分析，闡明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與擋位品質(zhì)之間的相關(guān)性，進(jìn)而提出外部換擋系統(tǒng)品質(zhì)提升方案，從平衡塊慣量匹配、選換擋軟軸匹配、換擋器總成改善三個(gè)方向提出具體的改善方案，最終從客觀測(cè)量和主觀評(píng)價(jià)兩個(gè)方面，對(duì)比原方案、改善方案、對(duì)標(biāo)車(chē)靜態(tài)擋位品質(zhì)和動(dòng)態(tài)擋位品質(zhì)結(jié)果，對(duì)提升方案的改善情況進(jìn)行細(xì)致的分析驗(yàn)證。本文為乘用車(chē)手動(dòng)變速箱外部換擋系統(tǒng)品質(zhì)提升提供了一套完整的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證流程方法。

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