黃操，張偉，樊嘉坤

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變速箱換檔撥叉剛度測(cè)試與分析

黃操，張偉，樊嘉坤

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

撥叉是變速箱實(shí)現(xiàn)換檔功能的重要部件，其剛度直接影響汽車的換檔平順性以及舒適性。目前針對(duì)撥叉剛度測(cè)量的研究較少，文章通過設(shè)計(jì)撥叉剛度測(cè)試裝置，間接測(cè)量換檔撥叉的剛度。對(duì)測(cè)試獲得的位移數(shù)據(jù)經(jīng)均方根平均處理后，結(jié)合胡克定律，計(jì)算得到了撥叉剛度。

變速箱；撥叉剛度；換檔平順性；測(cè)試

前言

隨著汽車的不斷普及，消費(fèi)者對(duì)汽車舒適性提出了更高的要求。目前，對(duì)汽車質(zhì)量問題投訴較多的是變速箱的異響和頓挫，可見變速箱換檔平順性對(duì)消費(fèi)者的體驗(yàn)影響比較大。影響變速箱換檔平順性的因素眾多，如撥叉結(jié)構(gòu)、同步器性能、換檔零部件加工精度等，其中撥叉結(jié)構(gòu)對(duì)于換檔平順性的影響非常顯著。撥叉是變速箱實(shí)現(xiàn)換檔功能的重要部件，撥叉通過推動(dòng)同步器齒套實(shí)現(xiàn)換檔，同步過程中會(huì)產(chǎn)生較大的換檔力，對(duì)撥叉的剛度提出了一定的要求，撥叉剛度直接影響換檔平順性。

學(xué)者對(duì)撥叉剛度、疲勞壽命做了大量的研究。王佳等[1,2]指出等剛度的變速箱撥叉可以提高換檔平順性；David等[3]在研究換檔品質(zhì)的時(shí)候考慮了撥叉剛度的影響；賈院等[4]對(duì)變速箱換檔撥叉的疲勞壽命做了分析；孫淑玲等[5,6]研究了撥叉裂紋產(chǎn)生的原因，徐海山等[7]指出了變速箱換檔撥叉設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題；Rohit Kunal等[8,9]通過有限元仿真計(jì)算對(duì)撥叉剛度優(yōu)化方面進(jìn)行了研究；周廣等[10]認(rèn)為撥叉材料的性能存在一定非線性，超過屈服極限時(shí)應(yīng)通過非線性來分析應(yīng)力和變形情況。

然而針對(duì)撥叉剛度測(cè)量的研究較少，本文通過設(shè)計(jì)撥叉剛度測(cè)試裝置，測(cè)量換檔撥叉的剛度。

1 測(cè)試系統(tǒng)的組成

變速箱換擋撥叉剛度測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。測(cè)試系統(tǒng)由鐵平板、固定支架A、高度調(diào)整底座A、MTS 244.21型液壓作動(dòng)器A，撥叉固定裝置、MTS 244.21型液壓作動(dòng)器B、高度調(diào)整底座B、固定支架B、拉線式位移傳感器組成。MTS 244.21型液壓作動(dòng)器用來在試驗(yàn)過程中進(jìn)行加載，通過PID進(jìn)行伺服液壓控制。拉線式位移傳感器用來測(cè)量試驗(yàn)過程中撥叉的位移。

1 鐵平板，2固定支架A，3 高度調(diào)整底座A，4 液壓作動(dòng)器A， 5 撥叉固定裝置，6 液壓作動(dòng)器B，7 高度調(diào)整底座B，8 固定支架B

測(cè)試系統(tǒng)中撥叉固定裝置如圖2所示，主要包括固定底板，左、右支架，撥叉腳限位夾具，加載軸等。左支架焊接在固定底板上，右支架通過螺栓固定在底板上，可以左右移動(dòng)，調(diào)整位置。撥叉腳限位夾具通過螺栓固定在左支架上，并可調(diào)整位置，加載軸裝在左右支架之間，可軸向移動(dòng)。

1 固定底板 2 左支架 3 螺桿 4 固定螺母A 5 彈墊A 6 撥叉軸 7 加載軸 8 位移傳感器 9 固定螺栓 10 右支架 11 固定螺母2 12 彈墊2 13 撥叉固定夾具 14 墊塊 15 撥叉 16 軸套

2 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

本文中測(cè)試系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)胡克定律進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過測(cè)量對(duì)應(yīng)載荷下的位移，求出相應(yīng)的剛度。首先，將試驗(yàn)所需的傳感器進(jìn)行標(biāo)定，包括兩個(gè)MTS 244.21型液壓作動(dòng)器，一個(gè)拉線式位移傳感器，傳感器的準(zhǔn)確性決定試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。然后，按圖2所示將撥叉固定在撥叉固定裝置中，并按圖1所示將試驗(yàn)臺(tái)架布置完成，安裝位移傳感器，調(diào)整對(duì)中位置，完成測(cè)試臺(tái)架的搭建。最后，根據(jù)試驗(yàn)工況進(jìn)行加載，測(cè)得撥叉加載時(shí)的位移，計(jì)算相應(yīng)撥叉剛度。測(cè)試流程如圖3所示。

3 撥叉安裝

根據(jù)上文中所述的撥叉剛度測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，將撥叉安裝在換檔撥叉固定裝置中，如圖4所示。安裝過程中，在加載軸和撥叉軸上相應(yīng)位置涂潤滑油，減小與支架之間的摩擦。調(diào)整撥叉固定夾具的安裝位置，使撥叉腳固定，固定好位移傳感器，使其處于水平狀態(tài)，并對(duì)液壓作動(dòng)器及位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定、調(diào)零。

圖3 測(cè)試流程

圖4 撥叉安裝圖

4 測(cè)試工況

試驗(yàn)過程中，在加載軸一端以140N/s的加載速度加載至500N，保持3s，繼續(xù)加載至1000N，保持3s，繼續(xù)加載至1400N，保持60s，最后以140N/s的速率卸載，載荷譜曲線如圖5所示。

圖5 載荷譜

5 測(cè)試結(jié)果

以6檔撥叉剛度測(cè)試結(jié)果為例，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。試驗(yàn)過程中，帶電設(shè)備的電噪聲及臺(tái)架振動(dòng)等干擾，會(huì)對(duì)位移信號(hào)產(chǎn)生一定的影響，通過計(jì)算多次試驗(yàn)結(jié)果的均方根值來減小干擾信號(hào)，經(jīng)均方根值計(jì)算后得到位移曲線如圖6所示。

圖6 撥叉位移曲線

從試驗(yàn)所得位移曲線可以看出，位移變化趨勢(shì)與載荷譜基本一致。試前加載軸不受力時(shí)位移基本為0，即AB段；卸載后加載軸不受力時(shí)位移為0，即IJ段。試后位移恢復(fù)至0，表明試驗(yàn)過程中撥叉所發(fā)生的變形為彈性變形。BC段為加載力0-500N時(shí)位移的變化情況，CC’段為500N保持3s時(shí)對(duì)應(yīng)的位移，C’D為加載力500-1000N時(shí)位移的變化情況，DD’為1000N保持3s時(shí)對(duì)應(yīng)的位移，D’E段為加載力1000-1400N時(shí)位移的變化情況，EF段為1400N保持60s時(shí)對(duì)應(yīng)的位移，F(xiàn)I為卸載時(shí)位移的變化情況。

在載荷變化過程中，位移出現(xiàn)了比較明顯的拐點(diǎn)：B1、B2、C1、D1、G、H，拐點(diǎn)出現(xiàn)的原因是由于加載力對(duì)撥叉產(chǎn)生彎矩效果，試驗(yàn)過程中摩擦力不斷發(fā)生變化導(dǎo)致。BC段、C’D段、D’E段斜率不斷減小，表明位移變化速率不斷減小。卸載時(shí)FI段位移變化情況與加載時(shí)變化情況相反。

試驗(yàn)測(cè)得500N時(shí)撥叉位移為0.35mm，轉(zhuǎn)換成剛度為1428.6N/mm，1000N時(shí)撥叉位移為0.61mm，轉(zhuǎn)換成剛度為1639.9N/mm，1400N時(shí)撥叉位移為0.75mm，轉(zhuǎn)換成剛度為1866.7N/mm，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

（1）基于變速箱換擋撥叉剛度測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某款變速箱的換檔撥叉進(jìn)行了剛度測(cè)試，通過均方根平均處理后得到了比較準(zhǔn)確的位移曲線，真實(shí)反映了加載過程中撥叉位移的變化情況，準(zhǔn)確的測(cè)量了撥叉剛度。

（2）試驗(yàn)前、試驗(yàn)后撥叉位移基本一致，撥叉剛度試驗(yàn)過程所發(fā)生的變形為彈性變形。

（3）不同加載力作用下求得的撥叉剛度為變值，表明撥叉系統(tǒng)剛度為時(shí)變剛度。

[1] 王佳,李瑾寧,杜春鵬,等.基于等剛度的變速箱撥叉優(yōu)化設(shè)計(jì)[J],傳動(dòng)技術(shù),2016,3(30):25-28.

[2] 劉記,龐占宇,王康林.變速器換檔撥叉的剛度分析[J].中國汽車工程學(xué)會(huì)齒輪技術(shù)分會(huì)2015學(xué)術(shù)年會(huì),2015,10:1-4.

[3] David Kelly Christopher Kent. Gear Shift Quality Improvement In Manual Transmissions Using Dynamic Modelling, Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress,2000,6:1-6.

[4] 賈院,羅大國,陳勇,等.變速器換擋撥叉疲勞壽命分析[J].汽車工程師,2014,8:48-50.

[5] 孫淑玲,王穎,陳潔,等.汽車撥叉裂紋原因分析[J].鑄造,2012,1(61): 113-115.

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[8] Rohit Kunal, Gear shift fork stiffness optimization[J].SAE internati -onal,2011,1:1-11.

[9] 彭幫亮,余春祥,楊先時(shí).某變速器換擋撥叉方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017,12:174-176.

[10] 周廣,王偉,程格.變速器撥叉的材料非線性分析與研究[J].價(jià)值工程,2015,5(13):93-95.

Shifting fork stiffness test and analysis for gearbox

Huang Cao, Zhang Wei, Fan Jiakun

( Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Co. Ltd, Guangdong Guangzhou 511434 )

Shifting fork is an important part of gearbox to realize shifting function, and its stiffness directly affects the smoothness of the shift. At present, there are few studies on the measurement of the fork stiffness. In this paper, the stiffness of shifting fork is measured indirectly by designing the fork stiffness test device. After the mean square root average processing of the displacement data obtained from the test, the fork stiffness is calculated by hooke's law.

gearbox; fork stiffness; shift smoothness; test

A

1671-7988(2019)05-64-03

U463.212

A

1671-7988(2019)05-64-03

U463.212

黃操，男，碩士研究生，變速器試驗(yàn)開發(fā)工程師，就職于廣汽研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.019