某乘用車換擋器球頭拔脫力模型及優(yōu)化研究

鄺志輝，陳建國(guó)，唐林丁

（廣汽零部件有限公司技術(shù)中心，廣州511447）

0 引言

隨著消費(fèi)市場(chǎng)的快速發(fā)展，為了滿足市場(chǎng)對(duì)消費(fèi)產(chǎn)品的高品質(zhì)要求，對(duì)產(chǎn)品也提出了更好的要求，特別是國(guó)內(nèi)外隨著汽車行業(yè)不斷的發(fā)展[1]，對(duì)汽車使用性及體驗(yàn)感方面要求越來(lái)越高。首先就是在汽車外飾方面，越來(lái)越多的關(guān)注是造型曲線感[2-3]，華麗上檔次。其次是內(nèi)飾部分，需要優(yōu)雅精致、舒適等。因此每個(gè)乘用車企業(yè)根據(jù)自己的客戶群體，制定了特有的要求、標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)此要求及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行內(nèi)部零件的開發(fā)及制造，對(duì)于一些裝配件，需要保證裝配精度及強(qiáng)度[4]，特別是影響安全性、使用性的關(guān)鍵零部件，但隨著國(guó)家新四化的推行，汽車輕量化方面也發(fā)展迅速，因此使用一些塑料或其他輕量化材料結(jié)構(gòu)件代替，也能滿足安全性、使用性的要求。

朱江[5]對(duì)汽車橫向穩(wěn)定器進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真對(duì)其輕量化設(shè)計(jì)后的疲勞壽命分析，發(fā)現(xiàn)高溫尼龍塑料可以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，也降低了零部件的質(zhì)量。也有很多學(xué)者從結(jié)構(gòu)、材料等方面入手，研究了零部件的裝配性、強(qiáng)度的影響因素[6-10]，而對(duì)于汽車中控?fù)Q擋器部分，主要功能是用于換擋，實(shí)現(xiàn)駕駛員操縱性的最重要的零部件，鮮有學(xué)者研究報(bào)導(dǎo)，因此本文將以此作為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可拔脫的球頭結(jié)構(gòu)，研究了換擋器球頭拔脫力的相關(guān)影響因素，為客戶體驗(yàn)感及操縱性提供理論依據(jù)及一種可行性方案，也為汽車中控零部件的設(shè)計(jì)提供一種良好的借鑒。

1 可拔脫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、拔脫過(guò)程方案及拔脫模型分析

1.1 可拔脫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)輸入，設(shè)計(jì)出一種可以滿足要求的拔脫力模型，包括球頭及換擋桿兩部分，如圖1所示，其中球頭部分包括換擋桿1、球頭尾套2、球頭本體3、球核4、下裝飾板5、中裝飾板6、上裝飾板7、螺釘8、球頭上蓋9、卡簧10等零件，以及總成裝配件11。換擋桿為換擋器中的一個(gè)零件，主要作用是用于與球頭裝配，實(shí)現(xiàn)換擋功能。

圖1 球頭總成及爆炸圖Fig.1 Ball head assembly and exploded view

1.2 拔脫過(guò)程

球頭總成與換擋桿是屬于兩個(gè)部件，首先將球頭通過(guò)球頭孔位裝入換擋桿，直至卡簧扣入換擋桿角度槽位，此時(shí)換擋桿完全裝配至球頭球核孔位中，完成裝配，如圖2所示。

圖2 球頭總成拔脫過(guò)程Fig.2 Ball head assemblypull-outprocess

在拔脫時(shí)，固定換擋桿一側(cè)，將球頭向上拔脫，此時(shí)卡簧受到力F1使卡簧發(fā)生彈性變形，促使卡簧向右變形，換擋桿相對(duì)球頭的脫離力F2向下，直至卡簧在力F1受力下從換擋桿角度槽位彈出，此時(shí)繼續(xù)向上拔脫球頭時(shí)已無(wú)阻力抵擋，球頭即可順利拔出，實(shí)現(xiàn)整個(gè)球頭拔脫，如需要再次安裝，可以重復(fù)上述過(guò)程即可。

2 實(shí)驗(yàn)要求及方法

2.1 設(shè)計(jì)要求輸入

某乘用車根據(jù)前期試驗(yàn)條件開發(fā)需要，并結(jié)合調(diào)研結(jié)果，對(duì)球頭拔脫力的測(cè)試條件提出了要求，即設(shè)計(jì)要求是拔脫力測(cè)試同一個(gè)件需進(jìn)行5次，前2次拔脫力值需大于250 N，后3次拔脫力值大于180 N，這樣才能滿足要求。

2.2 材料選型

根據(jù)某乘用車對(duì)球頭拔脫力的要求，并結(jié)合拔脫力結(jié)構(gòu)分析，拔脫力與換擋桿角度、卡簧剛度及接觸條件有關(guān)，因此針對(duì)以上從換擋桿角度、卡簧材料、接觸條件進(jìn)行驗(yàn)證，尋求一種能夠滿足條件要求的拔脫力模型，并且根據(jù)輕量化及強(qiáng)度的要求，對(duì)換擋桿采取鋁合金材質(zhì)，球頭部分除換擋桿、卡簧、螺釘外，都采用塑料注塑實(shí)現(xiàn)輕量化。卡簧具體選取的參數(shù)如表1所示。

表1 卡簧材質(zhì)Tab.1 Material of circlip

2.3 測(cè)試設(shè)備

本文使用的是綜合測(cè)試平臺(tái)，搭配瑞士生產(chǎn)的kisler5073A型的傳感器，通過(guò)專用治具將換擋器及球頭固定在測(cè)試設(shè)備上，并通過(guò)自動(dòng)控制拔脫的方式，傳感器自動(dòng)記錄并將拔脫力數(shù)值輸出，能夠準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)出拔脫力真實(shí)情況，某換擋器拔脫過(guò)程如圖3所示。

圖3 拔脫力測(cè)試設(shè)備Fig.3 Pull-outforcetestequipment

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同卡簧材料對(duì)拔脫力的影響

圖4所示為不同卡簧材料對(duì)應(yīng)35°換擋桿的拔脫力。由圖可以看出，此條件下3種材料都不滿足條件，首先對(duì)于卡簧65 Mn材料，初次拔脫力最大，約為133 N，前3次拔脫時(shí)力消退明顯，第3次僅為88 N，第3次后拔脫力達(dá)到穩(wěn)定，其次對(duì)于卡簧T9A材料，首次拔脫力僅為94 N，第3次達(dá)到穩(wěn)定為78N左右，最后對(duì)于卡簧SWPB材料，首次拔脫力約為122 N，第3次后達(dá)到穩(wěn)定，為79 N左右，5次拔脫力的趨勢(shì)和65 Mn接近一致。從結(jié)果中可以看出，拔脫力隨著拔脫次數(shù)的增加是下降的，這個(gè)主要是因?yàn)閾Q擋桿槽位處磨損導(dǎo)致，拔脫第3次后卡簧與換擋桿接觸條件達(dá)到平衡，因此此時(shí)拔脫力消退較小。

圖4 不同卡簧材料拔脫力測(cè)試結(jié)果Fig.4 Pull-out force test results of different circlip materials

針對(duì)以上驗(yàn)證，換擋桿角度可能是最大的影響因素，而65 Mn材料是最能滿足要求的卡簧材料，因此接下來(lái)通過(guò)卡簧65 Mn材料針對(duì)不同換擋桿角度進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 不同換擋桿角度對(duì)拔脫力的影響

圖5所示為不同換擋桿角度對(duì)應(yīng)65Mn材料的拔脫力。由圖可知，首次拔脫情況下，角度越小，拔脫力越大，但此條件下3種角度也都不滿足條件，首先對(duì)于25°的換擋桿，初次拔脫力最大，約為785 N，符合要求，但第2次拔脫時(shí)力時(shí)消退明顯，僅為230 N，不滿足要求，第3次拔脫后達(dá)到穩(wěn)定，僅為140 N左右；其次對(duì)于30°的換擋桿，均不符合要求，第1點(diǎn)首次拔脫力為205 N，第2次達(dá)到穩(wěn)定為170 N左右；最后對(duì)于35°的換擋桿，首次拔脫力為90 N左右達(dá)到穩(wěn)定，拔脫力均不符合要求。從結(jié)果中可以看出，25°的換擋桿磨損程度很嚴(yán)重，不適用拔脫力模型的選型，但角度過(guò)大時(shí)，即35°的換擋桿拔脫力基本退化很小，這主要是因?yàn)榻嵌冗^(guò)大后，拔脫力減少對(duì)換擋桿的摩擦也隨之減少。

圖5 不同換擋桿角度拔脫力測(cè)試結(jié)果Fig.5 Pull-out force test results of different shift lever angles

針對(duì)以上驗(yàn)證，排除了卡簧材料和換擋桿角度是最大的影響因素，球頭結(jié)構(gòu)方面可能不適用，因此通過(guò)對(duì)球頭球核結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，增加限位擋邊，結(jié)合以上驗(yàn)證在換擋桿角度30°時(shí)比較接近要求，接下來(lái)通過(guò)球核增加限位擋邊在30°換擋桿情況下、驗(yàn)證不同卡簧材料的影響程度。

3.3 限位擋邊對(duì)拔脫力的影響

圖6所示為不同卡簧材料對(duì)應(yīng)的拔脫力。由圖可知，3種卡簧材料首次拔脫都已滿足條件，但第2次之后只有65 Mn卡簧材料滿足條件，具體表現(xiàn)如下所述：首先對(duì)于65 Mn材料，初次拔脫力最大，約為381 N，第2次時(shí)拔脫時(shí)力消退明顯，僅為251 N，在要求值的下限，第3次后拔脫力達(dá)到穩(wěn)定；其次對(duì)于T9A材料，首次拔脫力為320 N，滿足要求，但第2次僅為233 N左右，不滿足要求，第3次達(dá)到穩(wěn)定，為173 N，拔脫力也不滿足要求；最后對(duì)于SWP-B材料，首次拔脫力約為350 N，滿足要求，但第2次僅為243 N左右，不滿足要求，第3次達(dá)到穩(wěn)定，為190 N，直至第5次為176 N，不滿足要求。

圖6 限位擋邊拔脫力測(cè)試結(jié)果Fig.6 Pull-off force test result of limit stop

針對(duì)以上驗(yàn)證，已找出能夠滿足條件的參數(shù)，但參數(shù)中某些力值已經(jīng)接近條件要求的下限值，存在不滿足的風(fēng)險(xiǎn)，為了能夠得到大批量符合條件，因此通過(guò)對(duì)卡簧和換擋桿配合處接觸條件進(jìn)行改善，即增加潤(rùn)滑條件，由于以上驗(yàn)證在不同卡簧材料都比較接近條件，接下來(lái)通過(guò)增加卡簧和換擋桿配合處的潤(rùn)滑情況下、驗(yàn)證不同卡簧材料的影響程度。

3.4 接觸條件對(duì)拔脫力的影響

圖7所示為不同卡簧材料對(duì)應(yīng)的拔脫力。由圖可知，增加潤(rùn)滑條件后，3種卡簧材料5次拔脫力全部滿足要求，具體表現(xiàn)如下所述：首先對(duì)于65 Mn材料，初次拔脫力最大，約為342 N，第2次時(shí)拔脫時(shí)力消退至264 N，第2次后拔脫力基本達(dá)到穩(wěn)定，退化較??；其次對(duì)于T9A材料，首次拔脫力為300 N，第2次時(shí)拔脫力減少至243 N左右，臨近下限250 N要求，不滿足要求，第3次時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，之后下降較??；最后對(duì)于SPW-B材料，首次拔脫力約為322 N，滿足要求，第2次為252 N左右，滿足要求，第3次達(dá)到穩(wěn)定，之后下降較小。

圖7 接觸條件拔脫力測(cè)試結(jié)果Fig.7 Pull-off force test result of contact condition

針對(duì)以上驗(yàn)證，找出能夠滿足條件的參數(shù)，65Mn與SWP-B材料的卡簧在球頭球核有擋邊且增加潤(rùn)滑情況下滿足拔脫力要求，但SWP-B卡簧材料第二次拔脫力值已經(jīng)接近下限，存在不滿足的風(fēng)險(xiǎn)，為了能夠得到大批量符合條件，因此結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用30°的換擋桿、65Mn材料的卡簧，加限位擋邊的球核及增加潤(rùn)滑條件作為最終選定方案。

3.5 受力模型建立及分析

卡簧10和換擋桿1處于裝配狀態(tài)，針對(duì)以上建立拔脫力模型進(jìn)行受力分析，如圖8所示，球頭拔脫時(shí)帶動(dòng)卡簧向上運(yùn)動(dòng)，卡簧與換擋桿接觸，換擋桿角度為α，卡簧張開時(shí)受到力F1，卡簧在換擋桿槽位處對(duì)換擋桿的反向力Fn，此時(shí)球頭需要拔脫需要克服卡簧張開時(shí)的力F1和反向力Fn，即拔脫力：

由此可知，拔脫力F與反向力Fn、張開力F1成正相關(guān)，而張開力F1與卡簧材質(zhì)本身剛度成正相關(guān)，卡簧剛度越大，張開力F1越大，即拔脫力F也越大。同樣，換擋桿角度α越小時(shí)，拔脫力F也越大。

對(duì)比圖4不同卡簧材料拔脫力與圖5不同換擋桿角度拔脫力測(cè)試結(jié)果圖，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果符合理論分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)球頭及換擋桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種可拔脫的機(jī)構(gòu)。

（2）從理論上分析拔脫力與換擋桿角度、卡簧剛度及潤(rùn)滑的關(guān)系，隨著卡簧剛度增大，拔脫力增大；換擋桿角度增大，則拔脫力減小，增加潤(rùn)滑條件可以減少換擋桿槽位的磨損從而能夠增加拔脫力的穩(wěn)定性。

（3）對(duì)可拔脫的機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比不同角度的換擋桿、不同材質(zhì)的卡簧、球核有無(wú)限位擋邊及潤(rùn)滑情況下拔脫力大小，發(fā)現(xiàn)相同換擋桿角度下，65Mn拔脫力最大，增加限位擋邊后，能夠增加球頭拔脫力，增加潤(rùn)滑條件后，拔脫力穩(wěn)定性提高。

（4）對(duì)于3種卡簧材質(zhì)，65Mn剛度最大，其次為SPW-B，T9A剛度最小，而且在卡簧配合處增加潤(rùn)滑油后摩擦因數(shù)也減少，上述驗(yàn)證結(jié)果結(jié)合理論分析，符合實(shí)際。

（5）找到一種能夠滿足拔脫力要求的方案，為今后拔脫力深入研究提供了一定的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。