某MPV車型手動(dòng)變速器選型分析

鄒林峰

關(guān)鍵詞：手動(dòng)變速器；選型；技術(shù)要求；中心距；速比；漏斗模型

0引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)汽車零部件行業(yè)也從建國初期的起步階段，發(fā)展到目前的快速發(fā)展階段[1]。變速器廠家也從最初只能與規(guī)定主機(jī)廠配套，發(fā)展到配合整車主機(jī)廠同步開發(fā)新車型的系統(tǒng)或零部件的協(xié)同開發(fā)。很多變速器生產(chǎn)廠家能夠根據(jù)自身研發(fā)能力和企業(yè)優(yōu)勢(shì)，陸續(xù)研發(fā)成功了不同型式、不同規(guī)格的平臺(tái)化、系列化的變速器總成供主機(jī)廠配套選型。

汽車更新?lián)Q代迅速，產(chǎn)品的快速迭代能夠解決問題，減少客戶抱怨，同時(shí)也符合事物更新變化發(fā)展的規(guī)律。因此，為了適應(yīng)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，主機(jī)廠致力于縮短整車研發(fā)周期，提高有利競(jìng)爭(zhēng)力以搶占市場(chǎng)。對(duì)于核心零部件之一的變速器，選用現(xiàn)有成熟的平臺(tái)，通過較小幅度設(shè)計(jì)更改以滿足主機(jī)廠開發(fā)周期要求，可以有效縮短變速器零部件的研發(fā)周期。本研究針對(duì)某款家用MPV車型進(jìn)行了手動(dòng)變速器的選型，選型過程科學(xué)、規(guī)范，為后續(xù)車型手動(dòng)變速器的選型提供了很好地參考示例。

1選型前技術(shù)信息梳理及分析

1.1車型整車信息

該車型研發(fā)設(shè)定目標(biāo)為家庭使用為主、宜家宜商的MPV車型，發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)橫向布置，采用手動(dòng)換擋模式，擋位設(shè)定為5個(gè)前進(jìn)擋加一個(gè)倒擋，整車相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2發(fā)動(dòng)機(jī)信息

該MPV車型采用B15系列前置前驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.5L，配置雙連續(xù)可變氣門正時(shí)系統(tǒng)（DVCP）。發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)和性能指標(biāo)如表2所示。

1.3發(fā)動(dòng)機(jī)艙總布置要求

按照該MPV車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙總布置物理集成方案，對(duì)變速器的外形輪廓尺寸需控制在520.0mm×470.0mm×380.0mm之內(nèi)。變速器外形輪廓及附件可根據(jù)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

1.4整車性能要求

按照整車性能理論分析，匹配B15發(fā)動(dòng)機(jī)的MPV車型，通過模擬工況，分析整車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性等因素，初步推薦了變速器理論速比，如表3所示。

2變速器主要技術(shù)要求

2.1變速器擋位要求

根據(jù)整車性能分析要求，該MPV車型的變速器采用5個(gè)前進(jìn)擋加1個(gè)倒擋設(shè)計(jì)。根據(jù)整車總布置方案，操縱機(jī)構(gòu)的換擋手柄的擋位布置參考傳統(tǒng)車型的換擋習(xí)慣，倒擋位置放在5擋下方或在1擋左側(cè)。為避免誤操作換入倒檔，變速器內(nèi)部設(shè)置倒擋鎖機(jī)構(gòu)（倒擋在5擋下方時(shí)），或手動(dòng)換擋器上設(shè)置防倒擋誤換機(jī)構(gòu)（倒擋在1擋左側(cè)時(shí)）。擋位布置形式推薦如圖1所示。

2.2變速器的中心距

手動(dòng)變速器的中心距是變速器很重要的參數(shù)，它對(duì)變速器整體尺寸及質(zhì)量有很大影響，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初選中心距。該MPV車型設(shè)計(jì)類型參考乘用車，根據(jù)轎車的經(jīng)驗(yàn)公式選取變速器中心距A。變速器中心距經(jīng)驗(yàn)公式如下[2]：

式中：A為變速器中心距的數(shù)值，單位mm；KA為變速器中心距系數(shù)的數(shù)值，對(duì)于轎車KA取8.9～9.3，對(duì)于載貨汽車KA取8.6～9.6；Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩的數(shù)值，單位N·m；i1為變速器第1擋速比的數(shù)值；ηg為變速器傳動(dòng)效率的數(shù)值，取0.95。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩為147N·m（3600～4000r/min），車型推薦的1擋理論速比3.538，KA參考轎車設(shè)計(jì)要求，根據(jù)公式（1）可計(jì)算出變速器中心距A的理論推薦值為70.3～73.4mm。

2.3變速器1擋速比

依據(jù)汽車?yán)碚摚鶕?jù)汽車最大爬坡度來確定1擋傳動(dòng)比。當(dāng)車輛在最大上坡路面上行駛時(shí)，最大驅(qū)動(dòng)力應(yīng)能克服輪胎與路面間滾動(dòng)阻力及上坡阻力，由汽車行駛方程得[3]：

根據(jù)整車參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，計(jì)算車輛所需的1擋速比和主減速比。車輛設(shè)計(jì)最大爬坡度30%，換算為道路最大阻力系數(shù)Ψ為0.30；前置前驅(qū)汽車傳動(dòng)總系數(shù)η的經(jīng)驗(yàn)值為0.8；理論主減速比為4.111，由此可計(jì)算其1擋傳動(dòng)比，i1≥3.507。由于前置前驅(qū)變速器總成帶主減速比，因此1擋速比和主減速比可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，即要求滿足最大傳動(dòng)比[4]。該車最大傳動(dòng)比itmax≥14.416。

2.4變速器齒輪、齒軸、軸承強(qiáng)度要求

根據(jù)《變速箱承載能力分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，按我司載荷譜分析，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩為147N·m時(shí)，變速器各軸承的損傷率須在安全范圍之內(nèi)。

2.5變速器總成模態(tài)要求

根據(jù)該MPV車型整車技術(shù)的要求，匹配的變速器總成須滿足最低固有頻率≥210Hz。

2.6變速器總成的其他技術(shù)要求

環(huán)境要求：變速器總成必須完全滿足下列環(huán)境下的正常使用。

（1）周圍環(huán)境溫度的變化（-40～52℃）及發(fā)動(dòng)機(jī)散發(fā)的熱量。

（2）周圍環(huán)境相對(duì)濕度變化（從0～100%）。

（3）在飛濺的雨水、泥漿、暴雪或鹽堿環(huán)境中。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。

（5）與底盤使用的化學(xué)物質(zhì)接觸（例如發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液、機(jī)油、制動(dòng)液或潤(rùn)滑脂等）。

傳動(dòng)效率要求：變速器總成的傳動(dòng)效率不得低于95%。

換檔性能要求：參考GM汽車公司測(cè)試程序，手動(dòng)擋變速器所有擋位（包括倒擋）進(jìn)行的主觀評(píng)估要求如下。

（1）選擋精確性能≥8分。

（2）選擋舒適性能≥8分。

（3）換擋噪聲水平≥8分。

（4）正常行駛跳擋≥10分。

噪聲要求：變速器總成的噪聲要求：前進(jìn)擋齒輪（除超速擋）噪聲水平不應(yīng)超過85dB，超速擋和倒車擋齒輪噪聲水平不應(yīng)超過87dB。噪聲試驗(yàn)依照國家試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則QC/T568-1999《汽車機(jī)械式變速器臺(tái)架試驗(yàn)方法》。

密封性要求：變速器總成在使用過程中不得出現(xiàn)任何變速器油泄漏、滲漏或水滲入等現(xiàn)象。

耐久性要求：變速器總成須滿足10年或17.0萬km之內(nèi)無故障（以先到的為準(zhǔn)）。

3變速器選型漏斗模型及應(yīng)用

變速器選型不同于全新變速器總成的零部件開發(fā)。選型是通過整車技術(shù)參數(shù)確定對(duì)變速器的基本參數(shù)要求，探尋現(xiàn)有供應(yīng)鏈廠商和行業(yè)內(nèi)成熟變速器平臺(tái)，通過小范圍的技術(shù)更改，以較短的零件開發(fā)周期實(shí)現(xiàn)滿足整車的應(yīng)用需求。由此構(gòu)建了變速器選型漏斗模型，用于指導(dǎo)快速選型工作。變速器選型模型簡(jiǎn)圖如圖2所示。

3.1潛在供應(yīng)商選擇

結(jié)合現(xiàn)有供應(yīng)鏈系統(tǒng)的變速器總成供應(yīng)商，以及潛在的變速器總成供應(yīng)商資源，變速器供應(yīng)商反饋或推薦的可供選擇變速器機(jī)型/平臺(tái)如表4所示。

經(jīng)與4家變速器供應(yīng)商就技術(shù)及商務(wù)方面進(jìn)行溝通，得到如下結(jié)果。

（1）供應(yīng)商D沒有可適用于該車型的變速器機(jī)型，且目前暫無研發(fā)近似規(guī)格的變速器平臺(tái)的計(jì)劃，因此供應(yīng)商D不符合此車型開發(fā)要求。

（2）供應(yīng)商C擁有65.0mm中心距的變速器平臺(tái)，通過齒輪齒軸及殼體材料加強(qiáng)，基本能夠滿足該車型的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。經(jīng)與供應(yīng)商溝通交流，其公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)權(quán)限在合資方，目前暫無技術(shù)能力進(jìn)行較大技術(shù)改動(dòng)，最終決定放棄。

（3）供應(yīng)商B擁有68.0mm中心距的變速器平臺(tái)，與推薦值較為接近。供應(yīng)商技術(shù)確認(rèn)，可以通過齒輪齒軸的材料加強(qiáng)，確保能夠滿足該車型的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。且該平臺(tái)變速器可根據(jù)整車需求更改或優(yōu)化速比以及周邊零部件布置。因此可將供應(yīng)商B列入潛在供應(yīng)商名單。

（4）供應(yīng)商A擁有72.0mm中心距的變速器平臺(tái)，可滿足該車型的變速器使用需求。且可根據(jù)整車需求更改或優(yōu)化速比以及周邊零部件布置，因此可將供應(yīng)商A列入潛在供應(yīng)商名單。

3.2具體技術(shù)指標(biāo)評(píng)判

3.2.1變速器速比分析

由于供應(yīng)商的變速器中心距不同，2家供應(yīng)商分別推薦了實(shí)配速比（表5）。對(duì)2家供應(yīng)商提供的實(shí)配速比進(jìn)行分析如下。

（1）供應(yīng)商A推薦的變速器，其速比與理論速比較為接近，1擋總速比為14.804，滿足最大傳動(dòng)比itmax≥14.416。經(jīng)整車性能分析，供應(yīng)商A推薦的變速器可以滿足該MPV車型對(duì)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)要求。

（2）供應(yīng)商B推薦的變速器平臺(tái)中心距較小，考慮變速器及齒軸強(qiáng)度，變速器總成增大了主減速比。其他各擋位速比適當(dāng)減小，一擋總速比為14.535，滿足最大傳動(dòng)比itmax≥14.416的要求。經(jīng)整車性能分析，供應(yīng)商B推薦的變速器平臺(tái)也可以滿足該MPV車型對(duì)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)要求。

3.2.2變速器齒輪、齒軸、軸承和殼體強(qiáng)度分析

通過專業(yè)軟件模擬理論分析，根據(jù)《變速箱承載能力分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，按我司載荷譜分析，供應(yīng)商A和供應(yīng)商B推薦的變速器總成輸入軸、輸出軸、主減速齒輪強(qiáng)度及各擋齒輪均滿足強(qiáng)度要求。當(dāng)最大扭矩為147N·m時(shí)，變速器各軸承的損傷率在安全范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。

3.2.3變速器總成模態(tài)分析

供應(yīng)商A的變速器總成模態(tài)≥270Hz，供應(yīng)商B的變速器總成模態(tài)≥210Hz，均滿足技術(shù)要求。

3.2.4變速器總成噪聲分析

通過軟件模擬分析，供應(yīng)商A和供應(yīng)商B推薦的變速器總成，均滿足該車型的噪聲要求。1～4擋的噪聲均低于85dB；超速擋（5擋）和倒擋齒輪噪聲均低于87dB。

3.3變速器商務(wù)定點(diǎn)

該MPV車型的變速器選型，通過對(duì)整車的功能、性能、質(zhì)量、成本貢獻(xiàn)、維修便利性以及其他各方面綜合因素的評(píng)估，最終變速器總成零件商務(wù)定點(diǎn)為供應(yīng)商B，該MPV車型匹配MF515平臺(tái)變速器總成。應(yīng)用變速器選型漏斗模型，最終的選型結(jié)果如表6所示。

4變速器實(shí)際應(yīng)用情況

4.1變速器速比確定

通過理論速比匹配的變速器速比進(jìn)行軟工裝樣件實(shí)車驗(yàn)證，結(jié)合動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，變速器定型速比確定值如表7所示。

4.2變速器試驗(yàn)驗(yàn)證

變速器詳細(xì)設(shè)計(jì)由變速器供應(yīng)商完成，確定最終速比之后的正式工裝變速器總成，分別進(jìn)行了變速器總成臺(tái)架試驗(yàn)、整車4.0萬km道路可靠性試驗(yàn)以及動(dòng)力總成3.2萬km可靠性試驗(yàn)等零部件及整車驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果證明，MF515平臺(tái)變速器完全滿足該MPV整車的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

4.3變速器應(yīng)用結(jié)論

在整車開發(fā)周期內(nèi)，供應(yīng)商B完成了MF515變速器總成的研發(fā)任務(wù)。整機(jī)的功能和性能完全滿足該MPV的整車要求，允許在整車上集成應(yīng)用。通過100萬輛已售車型的市場(chǎng)反饋，MF515平臺(tái)變速器滿足車輛使用的功能要求。同時(shí)，匹配該MPV車型的MF515變速器在整車表現(xiàn)出換擋準(zhǔn)確、符合人機(jī)工程要求等特性，有效地提高了駕駛舒適性，降低了駕駛員疲勞強(qiáng)度，提高了顧客的滿意度。最終，達(dá)到企業(yè)的設(shè)計(jì)宗旨：設(shè)計(jì)面向顧客。

5結(jié)束語

汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈，新車型更新?lián)Q代的周期越來越短，而全新變速器平臺(tái)的開發(fā)周期較長(zhǎng)，在新車型研發(fā)項(xiàng)目上開發(fā)全新變速器總成很難滿足整車研發(fā)時(shí)間要求。同時(shí)，為了降低油耗并提高駕駛樂趣，傳遞轉(zhuǎn)矩逐級(jí)增大，手動(dòng)變速器中6擋位變速器將成為主流[5]。手動(dòng)變速器在中國乃至全球的份額下降已成必然，但并不代表手動(dòng)變速器就是夕陽產(chǎn)業(yè)，以后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，它仍將具有自己的發(fā)展空間[6]。

因此，在未來整車研發(fā)中，采用現(xiàn)有手動(dòng)變速器平臺(tái)開發(fā)適用于新車型需求的手動(dòng)變速器總成，將成為主機(jī)廠的更好選擇方案。應(yīng)用變速器選型漏斗模型，結(jié)合整車研發(fā)實(shí)際場(chǎng)景需求，快速合理地選定恰當(dāng)?shù)氖謩?dòng)變速器平臺(tái)，可以縮短變速器總成的研發(fā)周期，對(duì)整車項(xiàng)目縮短研發(fā)周期具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。