曾慶強 魏強 苗芮 劉宇男 劉慶鵬

摘 要：換擋操縱性能是評價汽車行駛優(yōu)越性和平順性的重要指標，換擋過程中的換擋力是換擋操縱性能的一項關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章通過對轎車換擋性能進行分析，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。并對影響換擋力性能的變速箱和換擋機構(gòu)等關(guān)鍵部件進行優(yōu)化改進，將優(yōu)化前后的零部件進行試驗對比分析，驗證優(yōu)化措施的有效性。為汽車手動換擋系統(tǒng)的開發(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;換擋機構(gòu)

中圖分類號：U463.22? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2019）04-71-04

前言

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

在新車型開發(fā)和認可過程中，對于換擋性能會進行各種測試與驗證，不僅對單個零件的尺寸、材料和性能進行檢驗，而且還需要通過整車驗收對換擋系統(tǒng)進行測試和評價，從而確保換擋系統(tǒng)的操縱性能滿足設(shè)計要求。本文以某手動擋汽車換擋系統(tǒng)為研究對象，通過分析影響換擋困難的各種因素，對影響換擋力特性的關(guān)鍵部件進行優(yōu)化改進，對優(yōu)化前后進行試驗對比分析，并通過整車換擋性能對比分析及評價，驗證措施有效性。因此通過深入分析和評價換擋操縱性能，為汽車手動換擋系統(tǒng)的開發(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

駕駛員在換擋過程中，通過直接操縱換擋手柄，經(jīng)外換擋機構(gòu)和變速箱內(nèi)換擋機構(gòu)完成檔位輸入，并通過結(jié)合齒輪實現(xiàn)變速箱換擋功能。當變速器在汽車上的布置離駕駛員座位較遠時，需要在變速桿與撥叉軸之間加裝一套傳動機構(gòu)或輔助杠桿，實現(xiàn)對變速器的遠距離操縱。此時，操縱機構(gòu)由外部操縱機構(gòu)和內(nèi)部操縱機構(gòu)兩部分構(gòu)成，變速箱操縱機構(gòu)分外換擋機構(gòu)和內(nèi)換擋部件兩部分組成^[1]。外換擋機構(gòu)主要包括換擋機構(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

駕駛員在換擋時只能掛入一個檔位，換擋后應(yīng)使齒輪在全齒上嚙合，防止自動脫檔或自動掛檔，防止誤掛倒檔，要求換擋平順輕便、無發(fā)卡、發(fā)滯等現(xiàn)象。本文以某五檔手動變速箱車型為研究對象，外換擋系統(tǒng)與內(nèi)換擋系統(tǒng)的連接靠Z軸的直線運動和繞Z軸的轉(zhuǎn)動完成選檔和換擋，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

駕駛員在行駛過程中，通過操縱換擋手柄，實現(xiàn)在Y向選檔和X向換擋輸入。通過分析選檔和換擋過程，將選檔行程和換擋行程單獨進行分解分析。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。

通過分析整個換擋過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)自由度計算方程（1）可以求得選檔行程的系統(tǒng)自動度DOF=1，即在換擋桿1處施加X向移動，在換擋軸位置6處可以實現(xiàn)變速箱換擋軸的繞Z向轉(zhuǎn)動，從而帶動換擋撥叉和同步器進行換擋和倒檔動作。

2 換擋性能影響因素分析

由于換擋性能涉及整個變速箱內(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，本文從五個方面對影響換擋性能因素進行了分析。

2.1 裝配線檢查

整車在裝配線安裝時，需嚴格按照各部件工藝裝配技術(shù)要求執(zhí)行。變速箱與外換擋機構(gòu)之間的連接是否準確裝配，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的換擋性能優(yōu)越性及平順性。若換擋機構(gòu)未按照設(shè)計要求進行裝配，致使變速箱換擋撥叉不能按照駕駛員的意愿準確實現(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 潤滑系統(tǒng)檢查

潤滑系統(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。同時可以使連接件之間的相對運動保持良好的運行狀態(tài)。因此在總成件及整車裝配線的生產(chǎn)工藝實施過程中，對潤滑系統(tǒng)提出了明確規(guī)定。通過對建立的整車選檔和換擋行程模型進行分析，換擋操縱系統(tǒng)的潤滑系統(tǒng)主要包含零部件之間鉸接副、移動副及球型副等連接位置組成。

2.3 零部件檢查

對于換擋系統(tǒng)的零部件檢查主要分變速箱和換擋機構(gòu)兩個主要組成部分。對于不同模塊下的零件需要對總成件和單個散件分別進行分析，重點分析與傳遞運動和動力相關(guān)的關(guān)鍵部件。針對變速箱主要對換擋軸、換擋撥叉、同步器進行檢查。對于外換擋機構(gòu)主要對換擋桿、換擋球型支座、殼體轉(zhuǎn)臂、銷軸、拉索、前換擋桿及回轉(zhuǎn)臂進行檢查。依據(jù)圖紙和相應(yīng)標準要求對關(guān)鍵部件進行尺寸、材料測試，同時對不同總成件進行換擋力測試。檢查各零部件的性能是否符合標準要求。

2.4 換擋系統(tǒng)性能試驗

汽車換擋操縱性能要求各零部件滿足設(shè)計要求，裝配線安裝完畢后，需要進行整車驗收。換擋性能評價和試驗是整車驗收的一項重要環(huán)節(jié)。整車驗收通常分主觀評價和客觀試驗兩部分組成。對汽車手動換擋系統(tǒng)進行優(yōu)化分析，要從整體角度進行分析，將相應(yīng)關(guān)聯(lián)的零部件需要進行優(yōu)化改進，并非只針對某單一零件進行改進。優(yōu)化改進要從多個因素進行綜合分析，并制定相應(yīng)措施。

3 變速箱內(nèi)部優(yōu)化

根據(jù)建立的選檔和換擋行程模型，以及對影響換擋力的各零部件進行拆檢，檢查各零部件之間匹配、結(jié)構(gòu)及尺寸。本文是某車型開發(fā)過程的換擋性能優(yōu)化為案例，從如下三個方面對變速箱內(nèi)部優(yōu)化進行了分析。

3.1 換擋軸總成優(yōu)化

通過拆檢變速箱內(nèi)部零部件，對換擋軸內(nèi)部直臂處存在毛刺進行表面優(yōu)化處理。通過對直臂處進行拋光處理，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

對影響換擋操縱力的換擋撥叉總成進行優(yōu)化。通過對面換擋撥叉進行測試和分析，可以對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

針對變速箱內(nèi)部齒輪加強生產(chǎn)工藝監(jiān)控，對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程監(jiān)控，保證相應(yīng)尺寸滿足要求。對一檔和二檔換擋齒輪齒形公差/倒錐角/單周節(jié)周累/周累的進行精確測量，并對跨棒距和徑向跳動進行在線測量。

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

4 外換擋機構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)建立的選檔和換擋行程模型，對影響換擋力較明顯的外換擋機構(gòu)各零部件進行分解檢查，并通過對換擋機構(gòu)進行換擋摩擦力對比試驗可知。針對換擋機構(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方面對換擋拉索進行優(yōu)化改進。

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，外拉索靠兩端接口保持固定連接，內(nèi)拉索在外拉索內(nèi)部來回滑動形成移動副。若兩端接口在生產(chǎn)工藝實施過程中壓合過緊，在內(nèi)拉索與外拉索之間便產(chǎn)生較大摩擦力，進而使換擋過程中的換擋力加大。

對優(yōu)化前的外拉索進行壓合前后尺寸檢測可知，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)整壓合過程中的生產(chǎn)工藝，擴大外拉索內(nèi)徑，使內(nèi)外拉索之間的相對滑動摩擦力保持在較低的水平。

4.2 內(nèi)拉索優(yōu)化

通過分析內(nèi)外拉索之間的換擋傳遞關(guān)系以及對比內(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。

造成內(nèi)拉索直線不理想的原因可能來自三個不同方面：首先是鋼絲繩芯直線度不佳;其次是鋼絲纏繞時纏繞力不均勻;最后是成品內(nèi)拉索使用圓盤處理產(chǎn)生彎曲影響。因此在生產(chǎn)加工時通過增加一道矯直工藝，同時將成品內(nèi)拉索切斷后放置，避免園盤狀態(tài)在物流過程中造成對鋼絲繩形態(tài)的改變。通過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

為保證批量階段的換擋機構(gòu)總成摩擦力100%滿足設(shè)計要求，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設(shè)備。將每臺換擋機構(gòu)進行編號處理，并將所有下線的換擋機構(gòu)摩擦力值進行記錄，并儲存在數(shù)據(jù)庫中，后續(xù)可以查詢?nèi)我患Q擋機構(gòu)的拉索換擋力數(shù)據(jù)。換擋力不合格的零件設(shè)置警示標識，禁止流通到成品庫中。在進行100%終端檢測時，要求測試臺架的按照整車換擋系統(tǒng)的安裝位置搭建，保證測出的試驗結(jié)果與整車換擋過程的實際狀態(tài)一致。通過加強在線管理與控制，從而保證所有出廠的外換擋機構(gòu)換擋力合格。

5 優(yōu)化驗證分析

本文重點對外換擋機構(gòu)進行優(yōu)化前后試驗對比，驗證措施的有效性。同時將優(yōu)化后的變速箱和換擋機構(gòu)安裝整車上進行評價與驗收，通過整車主觀和客觀評價，驗證優(yōu)化措施的可行性。

5.1 換擋機構(gòu)優(yōu)化驗證

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

通過試驗對比分析可知，優(yōu)化后相比優(yōu)化前換擋機構(gòu)在換擋力X向和選檔力Y方向均明顯改善。這說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，同時通過增加內(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 整車換擋性能驗證

整車終端檢測是驗證優(yōu)化措施有效性的末端評價環(huán)節(jié)，優(yōu)化改進的措施是否可行，需要在整車上進行驗證和評價。將優(yōu)化前后的變速箱和換擋機構(gòu)安裝到整車上進行靜態(tài)和動態(tài)主觀換擋對比評價，通過人機工程學(xué)進行整車性能驗收，評價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價標準。

6 結(jié)論

研究表明，通過分析汽車手動換擋系統(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程中的動力和運動傳遞關(guān)系。對換擋系統(tǒng)換擋力影響因素進行逐一分析和排查，可準確找到影響換擋力的關(guān)鍵因素。對相關(guān)零部件進行優(yōu)化改進和試驗對比分析，并通過換擋系統(tǒng)性能評價，驗證優(yōu)化措施的有效性。通過本文研究及分析，為今后汽車換擋系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)作用。

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