乘用车自动变速箱静态挡位品质试验与分析

潘鹏 李超 江威 陈赛 杜强飞

摘  要：根据乘用车自动变速箱的研究，对静态挡位品质的概念进行定义，提出静态挡位品质评价指标。针对各评价指标给出具体的客观测量试验方法，并以某型自动变速箱为例，依据客观测量结果对其静态挡位品质进行了系统的分析，进而建立自动变速箱静态挡位品质分析方法。

关键词：自动变速箱;静态挡位品质;评价指标;试验方法

中图分类号：U467.1    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2018）06-0104-06

Experiment and Research of Static Gear Quality of Automatic Transmission on Passenger Car

PAN Peng， LI Chao， JIANG Wei， CHEN Sai， DU Qiang-fei

（ National Automobile Quality Supervision and Test center [Xiangyang]， Xiangyang 441004 ）

Abstract： According to the research of automatic transmission on passenger car， the concept of static gear quality was definedand the static gear quality evaluationindex was put forward.Specific objective measurement test methods were provided for each evaluation index ，taking an automatic transmission as an example ， its static gear quality was systematicallyanalyzed based on objective measurement results，and then an automatic gearbox static gear quality analysis method was established.

1    前言

車辆在换挡过程中存在着冲击，对驾乘人员的舒适性有较大的影响，同时换挡品质是换挡舒适性的关键，换挡品质的提高能在很大程度上改善换挡舒适性。随着自动变速箱在乘用车市场中得到了广泛的应用，对乘用车自动变速箱挡位品质的研究具有重要的意义。

自动变速箱的挡位品质由静态挡位品质和动态挡位品质两部分组成。在自动变速箱的静态挡位品质的研究中，首先需要确定性能评价指标，然后依据一定的试验方法，进行客观测量试验，从而获得各项性能参数，最后对各项性能指标进行分析，从而对自动变速箱静态挡位品质进行准确评价。

2    静态挡位品质定义及评价指标

所谓静态挡位品质，是指在保证汽车动力性和动力传动系统寿命的前提下，车辆在静止状态下进行换挡操作的舒适性及便利性。换挡品质的提高能在很大程度上改善驾驶驾车的舒适性并有效减小对车辆的磨损和冲击。

与手动变速箱相同，在我们进行自动变速箱静态挡位品质分析时，我们通常希望这台变速箱能够具有清晰的挡位吸入感，长短适中的挡位行程，大小适中的换挡力和选挡力;各个挡位内较小的自由间隙;换挡过程中无异常阻力（摩擦力、卡滞等），换挡过程中声音低沉、无杂音。

针对这些特点我们对乘用车自动变速箱静态挡位品质提出六个评价指标：

1）挡位布置特性;

2）换挡力特性;

3）选挡力特性;

4）换挡球头自由间隙特性;

5）快速换挡特性;

6）刚度特性;

依据这六个评价指标对自动变速箱进行客观测量试验，并对采集性能参数进行分析研究，从而正确评估一台自动变速箱的静态挡位品质。

3    静态挡位品质特性试验及分析

3.1   挡位品质术语及定义

将换挡杆置于空挡自由状态，以换挡球头中心为坐标原点，以平行于换挡杆且指向车辆下方的方向为Z轴正向，以垂直于换挡杆且指向车辆前进方向为X轴正向，以垂直于XZ平面且指向车辆右边方向为Y轴正向。

换挡力：在进行换挡操作时换挡球头沿X轴方向的作用力。

选挡力：在进行选挡操作时换挡球头沿Y轴方向的作用力。

换挡行程：在进行换挡操作时换挡球头沿X轴方向的位移。

选挡行程：在进行选挡操作时换挡球头沿Y轴方向的位移。

换挡球头自由间隙：将小于5N的力所覆盖的区域定义为自由间隙区域。这个区域用X向（行程值）×Y向（行程值）来表示。

换挡系统刚度：测量出换挡杆静态换挡力和位移曲线，取30—120N之间刚度（曲线30-120N时的斜率）为换挡系统的刚度。

3.2   挡位布置特性试验及分析

3.2.1 挡位布置特性试验方法

发动机处于怠速状态，将换挡杆置于P挡位置，以正常的换挡速度操作换挡杆使其经过换挡器中的每一个挡位，并且在经过每个挡位时须停留数秒，待换入最后一个挡位后，按照相同的操作方法将换挡杆换回至P挡位置，至此完成一个试验循环。共重复进行多个试验循环。

记录试验过程中的实际换挡轨迹及各挡位的自由位置，本文以某型自动变速箱非直排式换挡器为例，得到挡位布置图如图1所示：

3.2.2 挡位布置特性分析

从挡位布置图中我们可以看出换挡球头在各挡位的自由位置（图1中圆点位置）以及实际换挡轨迹（图1中的彩色线条）基本重合，挡位清晰处于较好水平。从挡位布置中我们可以得出各挡位的换挡行程和选挡行程，如图2所示。选挡及换挡行程的长短直接影响到驾驶员的主观操作感受。如果挡位行程太小则会使得挡位不清晰，而如果挡位行程过大则会容易造成换挡操作不便或者换挡杆与车内其他部件干涉。我们可以根据人机工程角度对换挡行程和选挡行程大小进行评价。

3.3   换擋力特性试验及分析

3.3.1 换挡力特性试验方法

若换挡器中的挡位需要通过施加换挡力来实现相邻挡位间的切换，则该挡位与其相邻挡位之间的换挡力需进行此项试验。如N-D、N-R、P-R等。

以N-D挡试验为例（如图3所示），发动机怠速状态，以缓慢而稳定的速度将换挡球头从N挡位置换入D挡位置，再以相同的速度将换挡球头退回至N挡位置，至此完成一个试验循环。共重复进行多个试验循环。

记录试验过程中的换挡力及换挡行程。在完成N-D挡的换挡力试验后，按照相同的操作要求分别进行其他挡位的换挡力试验。

3.3.2 换挡力特性分析

换挡力特性的优劣直接影响到消费者对于车辆挡位品质好坏的判断。好的换挡力特性应包含大小适中的换挡力、适当的吸入感，同时具有良好的整体一致性。同样以N-D挡为例进行换挡力特性分析，其换挡力特性曲线如图4所示。

从换挡力曲线得出D→N换挡力为15N，N→D换挡力为11N，选取挡位力特性评价较好的车辆，其换挡力在10-20N之间，因此我们推荐自动变速箱换挡器换挡力在10-20N之间。同时换挡曲线平滑无毛刺，因此我们认为其换挡力特性中换挡力和整体一致性较好。

在进行换挡操作时，在克服进挡力后，换挡杆自动进入挡位到达挡位自由位置，即在换挡过程中有反向力的出现，这种反向力出现的现象我们称之为挡位吸入感。从换挡力曲线中我们可以看出在克服换挡力后换挡力有所下降，但并没有出现较明显反向力，因此我们认为其换挡力特性中吸入感较差。

3.4   选挡力特性试验及分析

3.4.1 选挡力特性试验方法

若换挡器中的挡位需要通过施加选挡力来实现相邻挡位间的切换，则该挡位与其相邻挡位之间的选挡力需进行此项试验。如D-M、非直排式换挡器中的P-R等，如图5所示。

以缓慢而稳定的速度将换挡球头从D挡位置换入M挡位置，再以相同的速度将换挡球头退回至D挡位置，至此完成一个试验循环。共重复进行多个试验循环。

记录试验过程中的选挡力及选挡行程。在完成D-M挡的选挡力试验后，按照相同的操作要求分别进行其他挡位的选挡力试验。

3.4.2 选挡力特性分析

车辆进行挡位切换是由换挡操作和选挡操作共同组成的，良好的选挡力特性也可提高驾驶员的操作感受。以P-R为例进行选挡力特性分析，其选挡力曲线如图6所示。

良好的选挡力特性应当是从挡位自由位置开始选挡力逐渐增加，到达峰值后趋于不变或者略微下降，从选挡末端回到挡位自由位置的过程中选挡力也称回位力应在0N以上，以保证换挡杆能够自动回位。从选挡力曲线中得出，P→R、R→P选挡力均为22N，P→R、R→P回位力均在0N以上，满足良好选挡力特性要求。

同时选挡力曲线平顺无波动，具有较好的整体一致性。这样的选挡特性不但清晰而且减少了驾驶员的操作疲劳。

3.5   换挡球头自由间隙特性试验及分析

3.5.1 换挡球头自由间隙特性试验方法

以N挡试验为例（如图7所示），发动机怠速状态，将换挡杆置于N挡位置，以尽可能小的作用力按圆周方向匀速晃动换挡球头，之后缓慢的增大作用力。

记录试验过程中的换挡力、选挡力、换挡行程和选挡行程。在完成N挡的换挡球头自由间隙试验后，按照相同的操作要求分别进行其他挡位的换挡球头自由间隙试验。

3.5.2 换挡球头自由间隙特性分析

换挡球头自由间隙体现了各挡位的自由晃动量，是外部和内部换挡系统间隙的集中体现，其“面积”大小直接影响到驾驶员的换挡感觉。自由间隙过大，会造成换挡杆在挡位中过于松旷，降低换挡精度，影响驾驶员的挡位感。间隙过小又会造成换挡生硬、无柔性，甚至脱挡，使驾驶人员感觉不适。因此，换挡球头自由间隙也是一项很重要的评价指标。

选取换挡球头自由间隙特性评价较好的车辆，其各挡位自由间隙均≤5.0mm×5.0mm，因此我们推荐自动变速箱换挡器各挡换挡球头自有间隙≤5.0mm×5.0mm。图8为换挡球头自由间隙分布图，各挡位自由间隙均≤5.0mm×5.0mm，同时边界清晰相互之间无重叠，具有较好的自由间隙特性。

3.6   快速换挡特性试验及分析

3.6.1 快速换挡特性试验方法

发动机怠速状态，将换挡杆置于P挡位置，以尽可能快的速度将换挡球头从P挡位置换入D挡位置，再以相同的速度将换挡球头退回至P挡位置，至此完成一个试验循环。重复进行多个试验循环。

记录试验过程中的换挡力、选挡力、换挡行程和选挡行程。在完成P-D挡的快速换挡性能试验后，按照相同的操作要求分别进行P-R挡、R-D挡的快速换挡性能试验。

3.6.2 快速换挡特性分析

上文所述的换挡力特性和选挡力特性试验均是以尽可能慢的速度进行换挡，以便尽可能真实的体现换挡器本身的特性，而快速换挡特性试验则是以尽可能快的速度进行换挡操作，分析换挡器在快速换挡过程中的力和位移特性，并从总体角度对换挡舒适性和平顺性进行评价。

以P-D快速换挡为例进行快速换挡特性分析，其换挡力曲线如图9所示，从图中我们可以看出各次换挡换挡力曲线基本重合，整体一致性较好，但换挡力曲线不够平滑，平顺性较差，尤其在R挡附近存在较为明显的卡滞，影响换挡舒适性。

3.7   刚度特性试验及分析

3.7.1 剛度特性试验方法

刚度特性是整个换挡系统的变形能力在换挡球头处的一个综合表现，换挡系统的刚度特性是由换挡刚度特性和选挡刚度特性两部分组成的。换挡刚度特性和选挡刚度特性的试验方法和分析方法比较类似，本文进行统一介绍。其试验方法如下：

发动机熄火状态，将换挡杆置于换挡器最前端（左端）的挡位，以缓慢而稳定的速度对换挡球头施加正向换挡力至120N左右（如图10所示），然后松开换挡球头，使其自动回位，重复以上操作10次。再将换挡杆置于换挡器最后端（右端）的挡位，以缓慢而稳定的速度对换挡球头施加反向换挡力至120N左右，然后松开换挡球头，使其自动回位，重复以上操作10次。

记录试验过程中的换挡（选挡）力和换挡（选挡）行程。

3.7.2 刚度特性分析

换挡系统中能够发生变形的零部件较多，且每个部件的刚度又是不同的，这就导致整个换挡系统的刚度在不断施加外力的过程中是一直变化的，但考虑到在正常换挡操作中驾驶员将换挡杆推至极限位置后最大施加的力一般不会超过70N，因此在测量时选择30-100N之间的平均刚度来用于后续的试验分析。

根据换挡（选挡）力-换挡（选挡）行程关系图，测量换挡（选挡）力在30-100N之间的曲线斜率，其中，正向换挡（选挡）力下的曲线斜率为正向换挡（选挡）刚度，反向换挡（选挡）力下的曲线斜率为反向换挡（选挡）刚度，如图11所示：

换挡系统的刚度特性对于实际换挡操作的准确性和舒适性有着显著的影响。换挡系统刚度过大会在换挡和选挡的过程中有明显的碰壁感，而换挡系统刚度过小则会影响到换挡的准确性和挡位的入位感。参考刚度特性评价较好车辆的刚度值，我们推荐换挡刚度在6-12N之间，选挡刚度值在5-10N之间。其中反向换挡刚度和正向选挡刚度在推荐范围内，可以给驾驶员以操作愉悦感，而正向换挡刚度和反向选挡刚度均大于推荐值，在换挡和选挡的过程中会有明显的碰壁感，而且会将变速箱的振动传递到换挡球头，影响换挡舒适性。

4    总结

本文对乘用车自动变速箱静态挡位品质进行定义，提出挡位布置特性、换挡力特性、选挡力特性、换挡球头自由间隙特性、快速换挡特性、刚度特性六个评价指标，针对自动变速箱换挡品质各评价指标客观测量试验，文中给出了具体的试验方法，并以某自动变速箱为例对采集到的性能参数进行了细致的分析研究，为乘用车自动变速箱静态挡位品质提供完整的试验方法和分析方法。

参考文献：

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