張榮瑾

安徽江淮汽車股份有限公司 安徽合肥 230601

1 前言

隨著人們生活水平的提高，特別是近幾年中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，對重型卡車產(chǎn)品的可靠性、電子控制技術(shù)、人性化設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精細(xì)化、節(jié)能減排等方面提出了更高的要求。變速操縱系統(tǒng)的可靠性和舒適性已成為新生代用戶對重型卡車的一個(gè)重要評價(jià)指標(biāo)[1]。

眾所周知，駕駛員主要是通過轉(zhuǎn)向、變速控制、制動、離合、加速等動作實(shí)現(xiàn)車輛在道路上的行進(jìn)。很顯然，變速控制是在對車輛控制過程中出現(xiàn)頻率較高的動作，特別是城市短距離運(yùn)輸和惡劣工況下，需要頻繁變換擋位和長時(shí)間操控。如果變速操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選用不合理，會使駕駛員換擋困難、操縱沉重或出現(xiàn)掉擋等情況；變速操縱桿及手柄表面處理的色澤和造型也會影響到駕駛區(qū)域的整體內(nèi)飾效果，這些都直接影響到人們對重型卡車變速操縱系統(tǒng)的評價(jià)。

目前大部分重型卡車使用機(jī)械式變速操縱機(jī)構(gòu)，機(jī)械式操縱系統(tǒng)選換擋力和行程傳遞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并要求各連接桿件有足夠的剛性且間隙不能過大，同時(shí)裝配時(shí)要保證裝配質(zhì)量，否則換擋手感不明顯，且增加了變速操縱桿顫動的可能。此外，由于車架變形等汽車振動對各桿件的影響較大，不利于駕駛員操縱。因此，考慮采用軟軸式變速操縱機(jī)構(gòu)替代機(jī)械式操縱機(jī)構(gòu)。

2 軟軸式變速操縱系統(tǒng)的組成及優(yōu)勢

軟軸式變速操縱系統(tǒng)由變速操縱桿、換擋器總成、選換擋軟軸及軟軸固定支架組成，如圖1所示。當(dāng)駕駛員操縱變速桿選換擋時(shí)，通過換擋器推動或拉動選換擋軟軸，即可實(shí)現(xiàn)變速器的選換擋。軟軸操縱系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)簡單、操縱輕便、軟軸傳遞效率高，零件數(shù)量少，可靠性好，而且非常容易布置，裝調(diào)和維修方便，并且不受車架變形及汽車振動的影響[2]。因此，軟軸式變速操縱系統(tǒng)在安裝布置、調(diào)整維護(hù)和成本控制方面均具有一定的優(yōu)勢。

3 軟軸式變速操縱系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)

3.1 換擋器總成

換擋器總成是軟軸式變速操縱機(jī)構(gòu)的核心部件，其結(jié)構(gòu)合理與否，對系統(tǒng)的選換擋性能、使用壽命和維護(hù)成本均產(chǎn)生決定性的影響。

3.1.1 一般要求

換擋器總成的選型需綜合考慮駕駛室的總體設(shè)計(jì)，如駕駛室地板開口尺寸、儀表臺和方向盤的位置、軟軸的空間走向，如避免與發(fā)動機(jī)艙的底盤件干涉、選換擋行程滿足設(shè)計(jì)要求等，換擋器總成本身還要滿足以下要求：

a. 在滿足軟軸走向的前提下，換擋器總成的安裝高度要盡量低，給發(fā)動機(jī)艙的底盤件預(yù)留更大的布置空間；

b. 換擋器總成選型完成后，應(yīng)根據(jù)GB/T 15705《載貨汽車駕駛員操作位置尺寸》的相關(guān)規(guī)定，充分考慮選換擋力和行程的要求、儀表臺和方向盤的空間位置，設(shè)計(jì)合適的變速操縱桿，以滿足人機(jī)工程校核[3]。

3.1.2 選型設(shè)計(jì)

換擋器總成由換擋撥叉、換擋座、選擋搖臂、換擋搖臂、軟軸固定座等組成，如圖2所示。換擋器總成根據(jù)杠桿原理設(shè)計(jì)，換擋為一級杠桿，選擋為二級杠桿轉(zhuǎn)化；關(guān)節(jié)軸承采用自潤滑結(jié)構(gòu)，降低在選換擋過程中的阻力，使系統(tǒng)選換擋操縱輕便；優(yōu)化表面處理工藝，采用達(dá)克羅處理，增強(qiáng)耐腐蝕性；同時(shí)對軟軸固定座的開孔進(jìn)行擴(kuò)大，可減輕總成的質(zhì)量；通過優(yōu)化鎖緊螺栓裝配工藝，提高工作可靠性強(qiáng)度。具體參數(shù)如表1所示。

表 1 換擋器總成技術(shù)參數(shù)

3.2 選換擋軟軸總成

軟軸是變速操縱系統(tǒng)中操縱力和行程的傳遞介質(zhì)，一般由選擋和換擋兩根軟軸組成。軟軸的一端連接換擋器總成，另一端連接變速器端的選換擋搖臂。

3.2.1 一般要求

軟軸總成根據(jù)與換擋器總成和變速器端的搖臂匹配，以及系統(tǒng)的整體布置，具體軟軸設(shè)計(jì)需滿足以下要求：

a. 確保軟軸的強(qiáng)度滿足拉脫力的要求；

b. 軟軸應(yīng)長度適中，走向合理，懸掛部位適當(dāng)布置支撐點(diǎn)，用以減少運(yùn)動過程中的振動和磨損；

c. 軟軸應(yīng)盡量避開熱源，若布置上有困難，務(wù)必要在軟軸外表面增加隔熱護(hù)套。

3.2.2 選型設(shè)計(jì)

選換擋軟軸總成包括軟軸主體、護(hù)套和球頭總成等，如圖3所示。球頭總成分別與換擋器總成和變速箱選換擋搖臂相連；軟軸總成為尼龍花鍵潤滑結(jié)構(gòu)，花鍵型表面有溝槽，可以存留更多的潤滑脂，使選換擋阻力小，可以提高軟軸的標(biāo)準(zhǔn)效率；球頭總成為全包式結(jié)構(gòu)，避免球頭內(nèi)進(jìn)入雜質(zhì)引起的功能失效和性能減退。

軟軸主體由里向外是由索芯、襯管、內(nèi)襯套、絞制鋼絲和外套管組成，如圖4所示。由于該芯軸外表面涂覆了一層尼龍，使得其與護(hù)管之間的摩擦力更小、磨損更少而獲得較高的負(fù)載效率，同時(shí)，由于花鍵型表面有溝槽，可以存留更多的潤滑脂，使芯軸能夠得到持久充分的潤滑。軟軸總成具體參數(shù)如表2所示。

表 2 軟軸總成技術(shù)參數(shù)

3.3 軟軸固定支架

在變速器端，選換擋軟軸是通過軟軸固定支架連接選換擋搖臂，需要一定的強(qiáng)度，根據(jù)底盤布置以及擋位排布的需要，軟軸固定支架可以選擇一體式，也可以選擇分體式，軟軸固定支架的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度直接影響軟軸的布置和走向。

3.3.1 一般要求

為保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

a. 保證在空擋位置時(shí)，軟軸保持平直，并且軟軸與搖臂應(yīng)盡量保持垂直，確保軟軸推拉過程中作用力矩最大，效率最高[4]；

b. 在安裝空間允許的情況下，軟軸固定支架應(yīng)滿足強(qiáng)度要求。

3.3.2 選型設(shè)計(jì)

將支架設(shè)計(jì)為一體式鑄件結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單且生產(chǎn)一致性好，如圖5所示。通過對選換擋軟軸固定支架進(jìn)行CAE分析得出軟軸固定支架受力位移最大為1.1 mm，受力位移變小；局部應(yīng)力集中點(diǎn)為212 MPa，不存在應(yīng)力集中點(diǎn)，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，如圖6、7所示，安全系數(shù)高；且通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，質(zhì)量減小為1.77 kg，輕量化效果明顯。

表 3 軟軸固定支架技術(shù)參數(shù)

3.4 系統(tǒng)布置

軟軸從駕駛室翻轉(zhuǎn)軸后面布置，增加彎曲半徑，彎曲率增大，可減小傳遞阻力；中間每隔1 000 mm設(shè)置固定點(diǎn)，可以降低負(fù)載和行程損失，提高傳遞效率；在后懸置處增加支架固定予以約束防止軟軸上竄，另通過支架設(shè)計(jì)將軟軸與周圍部件間隙控制在70 mm，有效防止軟軸通過排氣和制動相關(guān)附件的熱害問題。具體布置如圖8所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 主觀評價(jià)

目前對軟軸變速操縱系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的定量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可以從以下幾個(gè)主要方面進(jìn)行主觀評價(jià)，如表4所示。評價(jià)項(xiàng)目可以當(dāng)作數(shù)據(jù)庫用來收集車型的換擋數(shù)據(jù)，同時(shí)也為技術(shù)原因的分解和技術(shù)改進(jìn)提供了標(biāo)準(zhǔn)參照。

表 4 主觀評價(jià)項(xiàng)目

從主觀評價(jià)反饋結(jié)果可以看出，系統(tǒng)整體匹配良好，尤其在選換擋力和行程方面具有很好的控制，但在擋位間隙和擋位回位方面評價(jià)結(jié)果不是很理想，后期需要優(yōu)化換擋器總成結(jié)構(gòu)，解決此類問題。

4.2 試驗(yàn)測量

按上述方案設(shè)計(jì)的變速操縱系統(tǒng)，整車搭載時(shí)進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)測量試驗(yàn)、關(guān)鍵部件的臺架試驗(yàn)和整車可靠性試驗(yàn)，選換擋力和行程測量數(shù)據(jù)如表5所示。

表 5 選換擋力和行程測量數(shù)據(jù)（12擋為例）

通過以上數(shù)據(jù)對比分析，試驗(yàn)測量值與理論計(jì)算值基本一致，符合設(shè)計(jì)要求，輕便性效果良好。在可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證中，也未出現(xiàn)換擋困難、操縱沉重、跳擋、脫擋等故障。該類車型陸續(xù)完成了小批量生產(chǎn)并投入市場，通過半年的市場跟蹤驗(yàn)證，無一例變速操縱系統(tǒng)問題反饋，用戶比較滿意。

5 結(jié)語

軟軸變速操縱系統(tǒng)較傳統(tǒng)的桿系操縱系統(tǒng)相比，零件數(shù)量少、可靠性好、通用化程度高；傳遞效率高，操縱輕便。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可在自卸車、吊車底盤、掛車等車型上應(yīng)用，并可實(shí)現(xiàn)對整車的多樣化配置，以滿足不同用戶的需求。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[3] 周一鳴,毛恩榮.車輛人機(jī)工程學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1999.

[4] 《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊設(shè)計(jì)篇[M]. 北京:人民交通出版社,2001.