曾慶強(qiáng) 魏強(qiáng) 苗芮 劉宇男 劉慶鵬

摘 要：換擋操縱性能是評(píng)價(jià)汽車(chē)行駛優(yōu)越性和平順性的重要指標(biāo)，換擋過(guò)程中的換擋力是換擋操縱性能的一項(xiàng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章通過(guò)對(duì)轎車(chē)換擋性能進(jìn)行分析，分解換擋操縱性能的各種因素，得到影響換擋力性能的主要原因。并對(duì)影響換擋力性能的變速箱和換擋機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將優(yōu)化前后的零部件進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，驗(yàn)證優(yōu)化措施的有效性。為汽車(chē)手動(dòng)換擋系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：換擋性能;換擋力;變速箱;換擋機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.22? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）04-71-04

前言

汽車(chē)的換擋輸入過(guò)程要靠變速箱操縱機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。變速箱操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)保證駕駛員能準(zhǔn)確而可靠地使變速箱掛入需要的任一檔位工作，并隨時(shí)使之推到空擋，從而完成選檔和實(shí)現(xiàn)換擋或推到空擋^[1-2]。變速箱操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足如下主要要求：換擋時(shí)只能掛入一個(gè)檔位，換擋后應(yīng)使齒輪在全齒上嚙合，防止自動(dòng)脫檔或自動(dòng)掛檔，防止誤掛倒檔，換擋平順輕便、無(wú)發(fā)滯、發(fā)卡現(xiàn)象^[3]。換擋力過(guò)大或過(guò)小都將影響換擋操縱性能^[4]。因此駕駛員在行駛過(guò)程中對(duì)換擋操縱性能有較高的技術(shù)要求。

在新車(chē)型開(kāi)發(fā)和認(rèn)可過(guò)程中，對(duì)于換擋性能會(huì)進(jìn)行各種測(cè)試與驗(yàn)證，不僅對(duì)單個(gè)零件的尺寸、材料和性能進(jìn)行檢驗(yàn)，而且還需要通過(guò)整車(chē)驗(yàn)收對(duì)換擋系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)，從而確保換擋系統(tǒng)的操縱性能滿足設(shè)計(jì)要求。本文以某手動(dòng)擋汽車(chē)換擋系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)分析影響換擋困難的各種因素，對(duì)影響換擋力特性的關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，并通過(guò)整車(chē)換擋性能對(duì)比分析及評(píng)價(jià)，驗(yàn)證措施有效性。因此通過(guò)深入分析和評(píng)價(jià)換擋操縱性能，為汽車(chē)手動(dòng)換擋系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 換擋系統(tǒng)模型建立

駕駛員在換擋過(guò)程中，通過(guò)直接操縱換擋手柄，經(jīng)外換擋機(jī)構(gòu)和變速箱內(nèi)換擋機(jī)構(gòu)完成檔位輸入，并通過(guò)結(jié)合齒輪實(shí)現(xiàn)變速箱換擋功能。當(dāng)變速器在汽車(chē)上的布置離駕駛員座位較遠(yuǎn)時(shí)，需要在變速桿與撥叉軸之間加裝一套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或輔助杠桿，實(shí)現(xiàn)對(duì)變速器的遠(yuǎn)距離操縱。此時(shí)，操縱機(jī)構(gòu)由外部操縱機(jī)構(gòu)和內(nèi)部操縱機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成，變速箱操縱機(jī)構(gòu)分外換擋機(jī)構(gòu)和內(nèi)換擋部件兩部分組成^[1]。外換擋機(jī)構(gòu)主要包括換擋機(jī)構(gòu)本體、換擋拉索、拉索支架、前換擋桿總成及回轉(zhuǎn)臂總成等組成。內(nèi)換擋部件主要由換擋軸、換擋撥叉以及與換擋相關(guān)的結(jié)合齒輪等組成。

1.1 換擋功能原理分析

駕駛員在換擋時(shí)只能掛入一個(gè)檔位，換擋后應(yīng)使齒輪在全齒上嚙合，防止自動(dòng)脫檔或自動(dòng)掛檔，防止誤掛倒檔，要求換擋平順輕便、無(wú)發(fā)卡、發(fā)滯等現(xiàn)象。本文以某五檔手動(dòng)變速箱車(chē)型為研究對(duì)象，外換擋系統(tǒng)與內(nèi)換擋系統(tǒng)的連接靠Z軸的直線運(yùn)動(dòng)和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)完成選檔和換擋，研究和分析外換擋與變速箱之間的連接方式，如圖1所示。

1.2 選檔行程模型

駕駛員在行駛過(guò)程中，通過(guò)操縱換擋手柄，實(shí)現(xiàn)在Y向選檔和X向換擋輸入。通過(guò)分析選檔和換擋過(guò)程，將選檔行程和換擋行程單獨(dú)進(jìn)行分解分析。圖2為Y向選檔傳遞路線模型。

1.3 換擋行程模型

利用同樣分析方法，可得到換擋行程傳遞路線模型，如圖3所示。

通過(guò)分析整個(gè)換擋過(guò)程各零部件之間連接關(guān)系，假設(shè)換擋和選檔拉索為剛性體，并利用系統(tǒng)自由度計(jì)算方程（1）可以求得選檔行程的系統(tǒng)自動(dòng)度DOF=1，即在換擋桿1處施加X(jué)向移動(dòng)，在換擋軸位置6處可以實(shí)現(xiàn)變速箱換擋軸的繞Z向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)換擋撥叉和同步器進(jìn)行換擋和倒檔動(dòng)作。

2 換擋性能影響因素分析

由于換擋性能涉及整個(gè)變速箱內(nèi)換擋系統(tǒng)和外換擋系統(tǒng)，根據(jù)建立的換擋系統(tǒng)模型，本文從五個(gè)方面對(duì)影響換擋性能因素進(jìn)行了分析。

2.1 裝配線檢查

整車(chē)在裝配線安裝時(shí)，需嚴(yán)格按照各部件工藝裝配技術(shù)要求執(zhí)行。變速箱與外換擋機(jī)構(gòu)之間的連接是否準(zhǔn)確裝配，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的換擋性能優(yōu)越性及平順性。若換擋機(jī)構(gòu)未按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行裝配，致使變速箱換擋撥叉不能按照駕駛員的意愿準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)功能，從而易造成換擋困難、發(fā)卡或發(fā)滯等現(xiàn)象。

2.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)檢查

潤(rùn)滑系統(tǒng)可降低各零部件之間連接產(chǎn)生的磨損，提高零件使用壽命。同時(shí)可以使連接件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。因此在總成件及整車(chē)裝配線的生產(chǎn)工藝實(shí)施過(guò)程中，對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)提出了明確規(guī)定。通過(guò)對(duì)建立的整車(chē)選檔和換擋行程模型進(jìn)行分析，換擋操縱系統(tǒng)的潤(rùn)滑系統(tǒng)主要包含零部件之間鉸接副、移動(dòng)副及球型副等連接位置組成。

2.3 零部件檢查

對(duì)于換擋系統(tǒng)的零部件檢查主要分變速箱和換擋機(jī)構(gòu)兩個(gè)主要組成部分。對(duì)于不同模塊下的零件需要對(duì)總成件和單個(gè)散件分別進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析與傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力相關(guān)的關(guān)鍵部件。針對(duì)變速箱主要對(duì)換擋軸、換擋撥叉、同步器進(jìn)行檢查。對(duì)于外換擋機(jī)構(gòu)主要對(duì)換擋桿、換擋球型支座、殼體轉(zhuǎn)臂、銷(xiāo)軸、拉索、前換擋桿及回轉(zhuǎn)臂進(jìn)行檢查。依據(jù)圖紙和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行尺寸、材料測(cè)試，同時(shí)對(duì)不同總成件進(jìn)行換擋力測(cè)試。檢查各零部件的性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 換擋系統(tǒng)性能試驗(yàn)

汽車(chē)換擋操縱性能要求各零部件滿足設(shè)計(jì)要求，裝配線安裝完畢后，需要進(jìn)行整車(chē)驗(yàn)收。換擋性能評(píng)價(jià)和試驗(yàn)是整車(chē)驗(yàn)收的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。整車(chē)驗(yàn)收通常分主觀評(píng)價(jià)和客觀試驗(yàn)兩部分組成。對(duì)汽車(chē)手動(dòng)換擋系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，要從整體角度進(jìn)行分析，將相應(yīng)關(guān)聯(lián)的零部件需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并非只針對(duì)某單一零件進(jìn)行改進(jìn)。優(yōu)化改進(jìn)要從多個(gè)因素進(jìn)行綜合分析，并制定相應(yīng)措施。

3 變速箱內(nèi)部?jī)?yōu)化

根據(jù)建立的選檔和換擋行程模型，以及對(duì)影響換擋力的各零部件進(jìn)行拆檢，檢查各零部件之間匹配、結(jié)構(gòu)及尺寸。本文是某車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程的換擋性能優(yōu)化為案例，從如下三個(gè)方面對(duì)變速箱內(nèi)部?jī)?yōu)化進(jìn)行了分析。

3.1 換擋軸總成優(yōu)化

通過(guò)拆檢變速箱內(nèi)部零部件，對(duì)換擋軸內(nèi)部直臂處存在毛刺進(jìn)行表面優(yōu)化處理。通過(guò)對(duì)直臂處進(jìn)行拋光處理，提高表面光潔度，降低零部件直接的接觸摩擦。

3.2 換擋撥叉總成優(yōu)化

對(duì)影響換擋操縱力的換擋撥叉總成進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)面換擋撥叉進(jìn)行測(cè)試和分析，可以對(duì)撥叉總成配合孔邊緣處拋光處理，提高光潔度，降低接觸表面之間的摩擦。

3.3 換擋齒輪結(jié)合齒監(jiān)控優(yōu)化

針對(duì)變速箱內(nèi)部齒輪加強(qiáng)生產(chǎn)工藝監(jiān)控，對(duì)影響換擋性能較大的一檔和二檔結(jié)合齒輪和換擋齒輪在焊接和熱處理在線過(guò)程監(jiān)控，保證相應(yīng)尺寸滿足要求。對(duì)一檔和二檔換擋齒輪齒形公差/倒錐角/單周節(jié)周累/周累的進(jìn)行精確測(cè)量，并對(duì)跨棒距和徑向跳動(dòng)進(jìn)行在線測(cè)量。

對(duì)于在線監(jiān)控的齒輪可以使用熱后檢具檢測(cè)成品相關(guān)尺寸，在檢驗(yàn)卡上添加相關(guān)尺寸，按一定頻次進(jìn)行日常監(jiān)控。保證批量生產(chǎn)加工過(guò)程中的齒輪各尺寸及產(chǎn)品性能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 外換擋機(jī)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)建立的選檔和換擋行程模型，對(duì)影響換擋力較明顯的外換擋機(jī)構(gòu)各零部件進(jìn)行分解檢查，并通過(guò)對(duì)換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行換擋摩擦力對(duì)比試驗(yàn)可知。針對(duì)換擋機(jī)構(gòu)，影響換擋系統(tǒng)換擋力特性的主要因素為拉索的摩擦力，本文可以從如下三個(gè)方面對(duì)換擋拉索進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4.1 外拉索優(yōu)化

換擋拉索主要由內(nèi)拉索和外拉索兩部分組成，外拉索靠?jī)啥私涌诒３止潭ㄟB接，內(nèi)拉索在外拉索內(nèi)部來(lái)回滑動(dòng)形成移動(dòng)副。若兩端接口在生產(chǎn)工藝實(shí)施過(guò)程中壓合過(guò)緊，在內(nèi)拉索與外拉索之間便產(chǎn)生較大摩擦力，進(jìn)而使換擋過(guò)程中的換擋力加大。

對(duì)優(yōu)化前的外拉索進(jìn)行壓合前后尺寸檢測(cè)可知，壓合后的外拉索內(nèi)徑尺寸要求的下限附近，因此需要調(diào)整壓合過(guò)程中的生產(chǎn)工藝，擴(kuò)大外拉索內(nèi)徑，使內(nèi)外拉索之間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦力保持在較低的水平。

4.2 內(nèi)拉索優(yōu)化

通過(guò)分析內(nèi)外拉索之間的換擋傳遞關(guān)系以及對(duì)比內(nèi)拉索在自然狀態(tài)下的直線度，研究表明內(nèi)拉索的直線度同樣可以影響換擋摩擦力。直線度越好，換擋摩擦力越小。相反，彎曲程度越大，內(nèi)拉索與外拉索內(nèi)襯管之間的摩擦程度越強(qiáng)。

造成內(nèi)拉索直線不理想的原因可能來(lái)自三個(gè)不同方面：首先是鋼絲繩芯直線度不佳;其次是鋼絲纏繞時(shí)纏繞力不均勻;最后是成品內(nèi)拉索使用圓盤(pán)處理產(chǎn)生彎曲影響。因此在生產(chǎn)加工時(shí)通過(guò)增加一道矯直工藝，同時(shí)將成品內(nèi)拉索切斷后放置，避免園盤(pán)狀態(tài)在物流過(guò)程中造成對(duì)鋼絲繩形態(tài)的改變。通過(guò)改善拉索直線度降低內(nèi)外拉索因彎曲產(chǎn)生的額外摩擦。

4.3 終端在線檢測(cè)

為保證批量階段的換擋機(jī)構(gòu)總成摩擦力100%滿足設(shè)計(jì)要求，需要在換擋拉索生產(chǎn)裝配線的終端增加一套選檔和換擋方向摩擦力檢測(cè)設(shè)備。將每臺(tái)換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行編號(hào)處理，并將所有下線的換擋機(jī)構(gòu)摩擦力值進(jìn)行記錄，并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，后續(xù)可以查詢?nèi)我患Q擋機(jī)構(gòu)的拉索換擋力數(shù)據(jù)。換擋力不合格的零件設(shè)置警示標(biāo)識(shí)，禁止流通到成品庫(kù)中。在進(jìn)行100%終端檢測(cè)時(shí)，要求測(cè)試臺(tái)架的按照整車(chē)換擋系統(tǒng)的安裝位置搭建，保證測(cè)出的試驗(yàn)結(jié)果與整車(chē)換擋過(guò)程的實(shí)際狀態(tài)一致。通過(guò)加強(qiáng)在線管理與控制，從而保證所有出廠的外換擋機(jī)構(gòu)換擋力合格。

5 優(yōu)化驗(yàn)證分析

本文重點(diǎn)對(duì)外換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化前后試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證措施的有效性。同時(shí)將優(yōu)化后的變速箱和換擋機(jī)構(gòu)安裝整車(chē)上進(jìn)行評(píng)價(jià)與驗(yàn)收，通過(guò)整車(chē)主觀和客觀評(píng)價(jià)，驗(yàn)證優(yōu)化措施的可行性。

5.1 換擋機(jī)構(gòu)優(yōu)化驗(yàn)證

為保證優(yōu)化前后的零件測(cè)試狀態(tài)一致，將換擋機(jī)構(gòu)置于溫度箱進(jìn)行熱存放，待零件冷卻到常溫狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。圖4為換擋機(jī)構(gòu)選檔力和換擋力優(yōu)化比例結(jié)果。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析可知，優(yōu)化后相比優(yōu)化前換擋機(jī)構(gòu)在換擋力X向和選檔力Y方向均明顯改善。這說(shuō)明增加壓合之后的內(nèi)拉索直徑，?可以增大內(nèi)拉索與外拉索之間的間隙，降低了內(nèi)外拉索之間的摩擦力，同時(shí)通過(guò)增加內(nèi)拉索校直工序，可以將內(nèi)拉索彎曲變形引起的摩擦力減小到最低，降低了在選檔和換擋方向的摩擦力。

5.2 整車(chē)換擋性能驗(yàn)證

整車(chē)終端檢測(cè)是驗(yàn)證優(yōu)化措施有效性的末端評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，優(yōu)化改進(jìn)的措施是否可行，需要在整車(chē)上進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。將優(yōu)化前后的變速箱和換擋機(jī)構(gòu)安裝到整車(chē)上進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)主觀換擋對(duì)比評(píng)價(jià)，通過(guò)人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行整車(chē)性能驗(yàn)收，評(píng)價(jià)換擋力和人體之間配合優(yōu)越性，以產(chǎn)品是否順手和方便為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

研究表明，通過(guò)分析汽車(chē)手動(dòng)換擋系統(tǒng)工作原理，建立選檔行程和換擋行程傳遞模型，有助于清晰分析換擋過(guò)程中的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系。對(duì)換擋系統(tǒng)換擋力影響因素進(jìn)行逐一分析和排查，可準(zhǔn)確找到影響換擋力的關(guān)鍵因素。對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)和試驗(yàn)對(duì)比分析，并通過(guò)換擋系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)，驗(yàn)證優(yōu)化措施的有效性。通過(guò)本文研究及分析，為今后汽車(chē)換擋系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)作用。

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