李尚 張志剛 馬戰(zhàn)勇

河南奔馬股份有限公司 重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院 河南省長(zhǎng)葛市 461500

1 引言

手動(dòng)機(jī)械式變速器作為車輛傳動(dòng)系關(guān)鍵部件之一，具有改變傳動(dòng)比、實(shí)現(xiàn)倒車、切斷動(dòng)力等功能，其操縱性能直接影響整車的駕駛舒適性[1]。作為整車性能不可或缺的部分，換擋品質(zhì)的優(yōu)劣有著至關(guān)重要的影響。傳統(tǒng)的換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)是依靠主觀打分進(jìn)行等級(jí)劃分，一般采用五分制和十分制，其中描述較為詳細(xì)的是十分制，評(píng)估者給出從1到10（對(duì)應(yīng)從差到好）的分?jǐn)?shù)來(lái)對(duì)換擋品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表1所示[2]。

表1 主觀評(píng)價(jià)打分表

如果根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果將變速器分為五個(gè)等級(jí)，其中9分和10分對(duì)應(yīng)優(yōu)秀，7分和8分對(duì)應(yīng)良好，5分和6分對(duì)應(yīng)合格，3分和4分對(duì)應(yīng)較差，1分和2分對(duì)應(yīng)極差。主觀打分評(píng)價(jià)操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，但其存在很多不足之處：

（1）只能粗略的對(duì)換擋品質(zhì)進(jìn)行等級(jí)劃分，不能確定導(dǎo)致影響換擋品質(zhì)的具體因素，如換擋力或是二次沖擊；

（2）換擋品質(zhì)的提高很難簡(jiǎn)單地依靠1到10的評(píng)價(jià)得分，特別是對(duì)于同一得分等級(jí)；

（3）由于換擋過(guò)程中的可變因素，一個(gè)評(píng)估者很難準(zhǔn)確確定換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)等級(jí)，就需要足夠多的評(píng)估者進(jìn)行評(píng)價(jià)以降低最小誤差，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)又存在多種外在因素影響評(píng)估者的主觀評(píng)價(jià)。

因此，仍需要建立一種可計(jì)量化的、可靠的、具備重復(fù)性的客觀評(píng)價(jià)方法對(duì)換擋品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面選取評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)換擋品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用靜態(tài)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)非工作狀態(tài)下變速器換擋操作機(jī)構(gòu)的換擋性能，又根據(jù)動(dòng)態(tài)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)建立了換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)體系。

2 靜態(tài)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

靜態(tài)換擋性能試驗(yàn)是在室溫條件，變速器靜止，離合器分離狀態(tài)下進(jìn)行的[3]。靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行換擋性能試驗(yàn)更側(cè)重于測(cè)試變速器換擋操作機(jī)構(gòu)的配合、傳力元件的傳遞效率、各零部件的材料屬性、制造精度和推拉軟軸的走向布置等因素對(duì)換擋品質(zhì)的影響。本文選取了擋位自由間隙、換擋軌跡和選/換擋剛度三個(gè)指標(biāo)作為靜態(tài)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)變速器換擋品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 擋位自由間隙

擋位自由間隙，在擋位間隙試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)換擋位移和選擋位移的測(cè)量和記錄，得到各個(gè)擋位的變化范圍，從而評(píng)估各個(gè)擋位的擋位清晰度以及空間對(duì)稱性。擋位的清晰度和空間對(duì)稱性能夠幫助駕駛員準(zhǔn)確的判斷是否掛入檔和是否掛對(duì)檔，同時(shí)，擋位自由間隙的大小也直接影響駕駛員的換擋手感，過(guò)大的自由間隙影響駕駛員判斷是否已經(jīng)掛入擋位，過(guò)小的自由間隙則會(huì)影響駕駛員的換擋操作。通過(guò)對(duì)大量文獻(xiàn)的查閱，同時(shí)結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)操作，一般要求擋位的自由間隙范圍在10×10mm內(nèi)。

擋位自由間隙并非是變速器最初的設(shè)計(jì)要求所決定的，而是由換擋定位方式?jīng)Q定的換擋操作機(jī)構(gòu)一系列的公差累積。換擋定位方式的設(shè)計(jì)原則，簡(jiǎn)稱三心對(duì)齊原則，即撥叉圓弧面的圓心須與接合套圓心對(duì)齊；在空擋位置時(shí)，自鎖銷的中心須位于撥叉軸上的自鎖銷銷槽的中心；在空擋位置時(shí)，還必須使得位于撥叉軸上的換擋撥塊槽中心和選擋軸中心對(duì)齊[4]。擋位間隙用來(lái)衡量變速器的設(shè)計(jì)要求和換擋操作機(jī)構(gòu)零部件加工精度的優(yōu)劣。

2.2 擋位軌跡

換擋軌跡，在換擋軌跡試驗(yàn)中通過(guò)記錄換擋過(guò)程中換擋位移和選擋位移的變化，得到的各擋位的換擋路徑，用以評(píng)估各個(gè)擋位的選換擋行程、選換擋行程的空間對(duì)稱性、不同擋位間換擋路徑的一致性和重合度以及斜向換擋的平滑性和一致性。

選換擋行程的設(shè)計(jì)與變速器的安裝布置位置有關(guān)，為滿足駕駛員的換擋的舒適性，行程大小要在一定的設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。換擋行程過(guò)大會(huì)增加駕駛員的操作強(qiáng)度，而換擋行程過(guò)小容易產(chǎn)生換擋的不適感，同時(shí)也增加變速器的設(shè)計(jì)制造難度，一般來(lái)說(shuō)，換擋行程應(yīng)在100mm之內(nèi)，選擋行程應(yīng)在60mm之內(nèi)。

此外，擋位的選換擋行程要求具備空間對(duì)稱性，即理想狀態(tài)下Ⅰ擋、Ⅱ擋、Ⅲ擋、Ⅳ擋和Ⅴ擋的換擋行程相等，Ⅰ擋、Ⅱ擋和Ⅴ擋的選擋行程相等。選換擋行程的空間對(duì)稱性有利于提高駕駛員的換擋操作感和擋位感，一般駕駛車輛時(shí)即使不目測(cè)換擋桿位置也能清楚的感覺到換擋桿位置，掛入目標(biāo)擋位，同時(shí)也能提高行駛安全性。

2.3 選/換擋剛度

選/換擋剛度，在選/換擋剛度試驗(yàn)中通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得換擋力增量和相應(yīng)的位移變形量，兩者的比值即為選/換擋剛度，用以評(píng)估操作機(jī)構(gòu)的選/換擋可靠性。在選擋試驗(yàn)接近選擋極限時(shí)，加大作用在換擋手柄上的作用力，測(cè)得變形位移，即可計(jì)算出選擋剛度。同樣的，在換擋試驗(yàn)中，在換至Ⅲ擋以及Ⅳ擋之后，在擋位位置上沿著換擋方向加大作用力，即可完成換擋剛度的試驗(yàn)。變速器操作機(jī)構(gòu)剛度一般在5～10N/mm范圍內(nèi)[5]。

選/換擋剛度的計(jì)算公式：

選/換擋剛度=△F/△S （式1）

式中：△F—換擋力增量；△S —換擋力增量對(duì)應(yīng)的位移變形量。

3 動(dòng)態(tài)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

動(dòng)態(tài)換擋性能試驗(yàn)，即在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)條件下，N→Ⅰ檔，Ⅰ檔→Ⅱ檔，Ⅱ檔→Ⅲ檔，Ⅲ檔→Ⅳ檔，Ⅳ檔→Ⅴ檔每擋位反復(fù)多次試驗(yàn)，測(cè)得換擋力、換擋位移、輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速等指標(biāo)。動(dòng)態(tài)換擋性能試驗(yàn)通過(guò)對(duì)測(cè)得的換擋力和換擋位移的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到各個(gè)擋位的換擋特性曲線，從而分析每個(gè)擋位的換擋性能，最終評(píng)估整個(gè)變速器的換擋性能。

3.1 最大換擋力

最大換擋力即駕駛員完成換擋動(dòng)作所需要施加在換擋手柄的最大操作力，一般發(fā)生在換擋過(guò)程中的同步階段，也叫最大同步力。駕駛員在進(jìn)行換擋操作時(shí)，最直接的感受就是完成換擋動(dòng)作所需施加的操作力的大小。因此，最大換擋力是最直觀的變速器換擋性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。進(jìn)行變速器設(shè)計(jì)時(shí)最大換擋力值應(yīng)在一定范圍內(nèi)，最大換擋力過(guò)大增加駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，長(zhǎng)時(shí)間的換擋操作易使駕駛員產(chǎn)生疲勞，最大換擋力過(guò)小則會(huì)降低駕駛員的換擋操縱感，降低換擋舒適性。根據(jù)關(guān)于人體操縱力的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T14775-93操縱器一般人類功效學(xué)規(guī)定，最佳的操縱力范圍在5～20N之內(nèi)。同時(shí)，通過(guò)查閱大量相關(guān)資料，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)分析，對(duì)最大換擋力的大小進(jìn)行等級(jí)劃分，具體等級(jí)劃分見表2。

表2 最大換擋力等級(jí)劃分

表3 同步時(shí)間等級(jí)劃分

表4 同步?jīng)_量等級(jí)劃分

表5 二次沖擊力比等級(jí)劃分

3.2 同步時(shí)間

換擋時(shí)間是指駕駛員開始操作換擋手柄到掛入目標(biāo)擋位整個(gè)換擋過(guò)程所用的時(shí)間，而同步時(shí)間指的是在換擋過(guò)程中使待嚙合的同步環(huán)和接合齒圈兩部分轉(zhuǎn)速趨于一致所需要的時(shí)間。同步時(shí)間是反映同步器同步性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，與換擋力、同步環(huán)錐面摩擦系數(shù)、同步環(huán)錐面錐角等多方面參數(shù)有關(guān)，而且在變速器換擋性能試驗(yàn)中對(duì)同步時(shí)間有明確的要求，直接關(guān)系變速器換擋品質(zhì)的優(yōu)劣。在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，同步時(shí)間的定義是指換擋過(guò)程中變速器輸入端轉(zhuǎn)速開始變化到達(dá)到目標(biāo)擋位轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時(shí)間，同步時(shí)間的具體等級(jí)劃分見表3。

3.3 同步?jīng)_量

同步?jīng)_量的定義是在同步時(shí)間內(nèi)換擋力與時(shí)間的積分，在換擋過(guò)程中，當(dāng)駕駛員施加的換擋操作力較大時(shí)，換擋時(shí)間短；當(dāng)駕駛員施加的換擋操作力較小時(shí)，換擋時(shí)間長(zhǎng)。而同步?jīng)_量作為同步器的固有特性，不隨駕駛員的操作或是其他外界因素的影響而變化，體現(xiàn)了換擋過(guò)程駕駛員完成換擋動(dòng)作所消耗的能量。一般來(lái)講，同步?jīng)_量值越小說(shuō)明同步器同步性能越好，換擋品質(zhì)越優(yōu)，關(guān)于其具體等級(jí)劃分見表4。

3.4 二次沖擊力比

在換擋過(guò)程中，同步階段完成后接合套越過(guò)同步環(huán)與接合齒圈接觸，產(chǎn)生二次沖擊。二次沖擊現(xiàn)象的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了換擋舒適性，而且過(guò)大的二次沖擊也將影響換擋過(guò)程的平順性。在QC/T 568-2010《汽車機(jī)械式變速器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法》變速器換擋性能試驗(yàn)中明確規(guī)定：變速器設(shè)計(jì)在滿足同步時(shí)間和同步力要求的情況下，二次沖擊力的峰值不高于同步力的70%。因此在實(shí)際研究中，用二次沖擊力比描述二次沖擊現(xiàn)象的程度，二次沖擊力比的定義是二次沖擊力與最大換擋力的比值，即：

具體等級(jí)劃分見表5。

4 綜合評(píng)價(jià)方法的建立

4.1 評(píng)價(jià)方法分析

目前，常用于建立換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)體系的方法有線性回歸分析法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模法和權(quán)重賦值法等。根據(jù)所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)的特點(diǎn)，本文選取權(quán)重賦值法建立換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)體系。權(quán)重賦值法有多種，如專家調(diào)查法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、層次分析法、關(guān)聯(lián)矩陣法和變異系數(shù)賦權(quán)法等，不同的方法具有各自的特點(diǎn)[6-10]。

4.1.1 專家調(diào)查法

專家調(diào)查法主要依據(jù)專家自身的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)問題進(jìn)行分析、判斷和預(yù)測(cè)，進(jìn)而對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值。該方法集中了專家的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，適合缺乏大量參考標(biāo)準(zhǔn)和客觀數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)問題進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，簡(jiǎn)單方便，利于實(shí)施。但主觀性太強(qiáng)，受人為因素影響太大。

4.1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法基于模糊數(shù)學(xué)的基本理論，利用模糊關(guān)系合成的原理，試圖用數(shù)學(xué)工具來(lái)解決一些模糊不清的問題，將一些不易定量、邊界不明的對(duì)象定量化，從而建立綜合評(píng)價(jià)體系。其特點(diǎn)在于每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)有唯一的權(quán)重值，評(píng)價(jià)指標(biāo)不被所處指標(biāo)集合的改變而影響。

4.1.3 層次分析法

層次分析法是將目標(biāo)系統(tǒng)分為多個(gè)互不相同的目標(biāo)因子，再就這些目標(biāo)因子之間不同的隸屬關(guān)聯(lián)關(guān)系劃分不同的組成層次，最終將目標(biāo)系統(tǒng)變成具有遞進(jìn)關(guān)系的多層次系統(tǒng)模型。將同一層次的目標(biāo)因子與上一層次的目標(biāo)因子兩兩進(jìn)行重要性分析，從而根據(jù)分析結(jié)果得到兩兩比較判斷矩陣，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理得到各目標(biāo)因子的權(quán)重值。該方法按照分解、構(gòu)建多層次系統(tǒng)模型、建立判斷矩陣、歸一化處理的處理步驟建立了一個(gè)系統(tǒng)性、多層次的目標(biāo)結(jié)構(gòu)模型，清晰明確地分析每個(gè)目標(biāo)因子對(duì)目標(biāo)問題的影響程度，過(guò)程更系統(tǒng)化，結(jié)果明確。但該方法要求對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性分析，當(dāng)判斷矩陣階數(shù)較大時(shí)一致性的分析往往就比較困難了。

4.1.4 變異系數(shù)賦權(quán)法

變異系數(shù)賦權(quán)法是根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)在被測(cè)試對(duì)象上測(cè)量數(shù)值的變異大小的程度確定權(quán)重，變異程度大則權(quán)重值大，變異程度小則權(quán)重值小。其特點(diǎn)是評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值的確定更客觀，但實(shí)際操作中會(huì)因測(cè)試對(duì)象的不同和數(shù)據(jù)的測(cè)量范圍等因素而產(chǎn)生差異。

4.1.5 關(guān)聯(lián)矩陣法

關(guān)聯(lián)矩陣法又稱為逐級(jí)對(duì)比法或逐對(duì)比較法，也就是將各個(gè)指標(biāo)兩兩進(jìn)行重要性對(duì)比，然后打分，兩者中較重要者記1分，另外一個(gè)則記0.5分，完成所有指標(biāo)的對(duì)比分析，將得分進(jìn)行匯總再進(jìn)行歸一化處理就可得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值。關(guān)聯(lián)矩陣法應(yīng)用的關(guān)鍵在于各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比時(shí)的重要性分析，以及運(yùn)用各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)的尺度劃分，該方法結(jié)合了主觀和客觀分析，過(guò)程簡(jiǎn)便易于操作。

通過(guò)分析不同權(quán)重賦值法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際操作應(yīng)用，本文選擇采用關(guān)聯(lián)矩陣法作為評(píng)價(jià)變速器換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)方法。

表6 各指標(biāo)權(quán)重值表

4.2 各擋位換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)

本文選取最大換擋力、同步時(shí)間、同步?jīng)_量和二次沖擊力比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用關(guān)聯(lián)矩陣法對(duì)四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，再結(jié)合每個(gè)指標(biāo)的等級(jí)劃分得出評(píng)價(jià)尺度表，進(jìn)而計(jì)算出某個(gè)擋位的評(píng)分值，具體方法如下：

（1）運(yùn)用關(guān)聯(lián)矩陣法，將四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩重要性分析，兩者中較重要的記1分，次重要者記0.5分，如同步時(shí)間和二次沖擊力比進(jìn)行重要性分析，就換擋舒適性以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，二次沖擊力比對(duì)換擋品質(zhì)的影響較同步時(shí)間大，因此二次沖擊力記1分，同步時(shí)間記0.5分，依次比較，記錄下評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩比較下的得分。

（2）將各個(gè)指標(biāo)的得分進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，得到每個(gè)指標(biāo)的總得分，進(jìn)行歸一化處理得到每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，見表6。

（3）在分析各評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)將每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分為了優(yōu)秀、良好、及格、較差和極差五個(gè)等級(jí)，每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)見表 7。

（4）通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)資料、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程操作分析，確定了各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)不同評(píng)價(jià)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的取值范圍，再結(jié)合評(píng)價(jià)等級(jí)分?jǐn)?shù)表，得到綜合評(píng)價(jià)尺度表，見表8。

（5）結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重值表和評(píng)價(jià)尺度表，計(jì)算變速器某擋位的評(píng)分值W，公式如下：

式中：Wi—第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值；Ri—第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分值。

（6）參考主觀評(píng)價(jià)評(píng)分表，將變速器各擋位的換擋質(zhì)量評(píng)分值分為5個(gè)等級(jí)，評(píng)分值所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)見表9。

4.3 變速器換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)

為滿足車輛不同的行駛條件，變速器設(shè)有多個(gè)擋位，如低速擋、中速檔、高速擋和倒擋，而在實(shí)際使用過(guò)程中，每個(gè)擋位的使用頻率是不同的。因此，基于各擋位的使用頻率，運(yùn)用關(guān)聯(lián)矩陣法對(duì)各擋位進(jìn)行兩兩重要性對(duì)比分析，得出每個(gè)擋位的權(quán)重值，如表10所示。

表7 指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)分?jǐn)?shù)表

表8 評(píng)價(jià)尺度表

表9 各擋位換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)表

表10 各擋位權(quán)重表

表11 擋位評(píng)價(jià)等級(jí)分?jǐn)?shù)表

上節(jié)中將各擋位的評(píng)分值分成了5個(gè)等級(jí)，各個(gè)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)見下表11所示。

結(jié)合各擋位權(quán)重值表和評(píng)價(jià)等級(jí)分?jǐn)?shù)表，計(jì)算變速器的評(píng)分值W，公式如下：

式中：Wi—第i個(gè)擋位的權(quán)重值；Ri—第i個(gè)擋位的分值。

同樣，將變速器的換擋品質(zhì)評(píng)分值分為5個(gè)等級(jí)，評(píng)分值所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)見表12。

表12 變速器換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)表

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本文介紹了傳統(tǒng)十分制評(píng)價(jià)細(xì)則，分析了傳統(tǒng)主觀評(píng)價(jià)的優(yōu)缺點(diǎn)。

（2）從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面選取了擋位自由間隙、擋位軌跡、選/換擋剛度、最大換擋力、同步時(shí)間、同步?jīng)_量和二次沖擊力比等變量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)換擋性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中將四大動(dòng)態(tài)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)分為五個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)并確定每個(gè)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)尺度。

（3）通過(guò)對(duì)比分析不同權(quán)重賦值法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際操作應(yīng)用，選用關(guān)聯(lián)矩陣法對(duì)所選取的四大動(dòng)態(tài)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)以及各個(gè)擋位進(jìn)行權(quán)重賦值。最后，建立了一套完整的換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)體系。