乘用车换挡拉索热伤害性能试验与分析

李亚飞 刘志刚 谭火南 郑威 陈振文

【摘 要】乘用车新车型开发过程中，换挡拉索需同时满足曲率要求和与排气管的安全间隙要求。以不同的披覆层材料和内衬管材料组合的换挡拉索为研究对象，模拟实车状态，距离520℃热源不同的距离进行试验，根据试验数据分析得到披覆层材料为PA6、PP，內衬管材料为PTFE、PBT等换挡拉索的热伤害性能，并绘制换挡拉索与热源的温度分布图。设计换挡拉索的布置数据时，可参考设置换挡拉索与排气管的安全距离。

【关键词】换挡拉索；热伤害；排气管；安全距离

中图分类号：U461.91 文献标识码： A 文章编号：2095-2457（2018）05-0043-002

【Abstract】During the development of new models of passenger cars， the shift cable needs to satisfy both the curvature requirement and the safety clearance requirement of the exhaust pipe. The shifting cables combined with different coating materials and inner liner materials were used as research objects to simulate the actual vehicle state. The distances from 520°C heat source were tested. According to the test data， the coating materials were PA6 and PP. The inner liner material is the hot damage performance of PTFE， PBT， etc. shift cable， and draw the temperature distribution map of shift cable and heat source. When designing the layout data of the shift cable， reference can be made to setting the safety distance of the shift cable and the exhaust pipe.

【Key words】Shift cable； Thermal damage； Exhaust pipe； Safety distance

换挡拉索连接驾驶室内换挡器与发动机舱的变速箱换挡操纵机构，用来传递驾驶人施加在换挡器上的换挡操纵力和行程，从而选择变速箱的特定挡位，实现驾驶人的意图，是传统乘用车的重要零部件[1]。目前多数新能源车型和某些高端品牌车型上开始采用线控换挡技术（Shift By Wire， SBW）[2-4]，取消了换挡拉索，然而传统的拉索式换挡机构相对SBW技术具有成本低、可靠性高、技术成熟等优势，未来仍将大范围应用[5-9]。一般情况下，换挡拉索需从副驾驶台穿过车身中通道底板，经排气管上方连接到变速箱换挡摇臂。由于乘用车排气管挠性节部位的工作环境恶劣[10-11]，极端工况下的最高温度可以达到500℃以上，若换挡拉索与排气管的间隙不足，将导致拉索表面融化，致使换挡力偏大或换挡失效，造成安全隐患，因此应研究不同材料换挡拉索的温度分布情况及隔热护管的隔热效果，在新车型开发过程中，需考虑换挡拉索的热伤害因素，保证其与排气管的安全间隙。

1 换挡拉索热伤害试验

1.1 试验对象

试验所采用的换挡拉索结构，其中披覆层常采用的材料为PA6、PP等，内衬管常采用的材料为PBT、PTFE等[12-14]，不同的材料组合及内外径尺寸构成不同类型的换挡拉索，试验规定所采用的换挡拉索外径D为7.2mm，内径d为2.7mm，规定样本1#为PP+PBT，样本2#为PP+PTFE，样本3#为PA6+PBT，样本3#为PA6+PTFE，以样本1#、2#、3#、4#为对象进行热伤害试验。

1.2 试验设备

试验设备为拉索热试验装置，该设备热源的最高温度540℃，精度为±2℃。试验模拟广汽某SUV车型耐久试验过程中排气管最高温度（约520℃），将设备的热源温度设定为520℃。该设备达到平衡时间约需要15min，其自带的测试软件设定采集温度的频率为3min/次，在热稳定以后采集10次，即每组试验用时为平衡时间加上数据采集时间，约为45min，需另外计算样件准备时间等。

设备热箱中的拉索夹持结构，该夹持结构在安装拉索样件时速度慢、高度不可调，为提高试验效率，快速调整拉索距热源的高度，制作了简易工装。其操作方法为：拉索安装于竖杆端部的挂钩处，每块铝板的厚度计为1.5mm，同时增减两边支撑位置的铝板数量以实现高度的可控调节。

2 试验过程和结果分析

2.1 样本1#安全距离试验

样件1#的材料组合方式为PP+PBT，在满足性能的基础上其材料成本较低，以样本1#作为试验对象，与520℃热源的距离分别为40mm，60mm，65mm，67mm，70mm，进行试验。为对比材料来源不同对拉索耐热性能的影响，试验采用了某进口材料的换挡拉索竞品1#作为试验对象，距离520℃热源40mm进行了试验。

通过试验可知，没有任何隔热措施时，样件1#的换挡拉索需距离520℃热源大于70mm时，其表面才能避免融化，此时拉索表面平均温度130.4℃。该换挡拉索距离热源40mm时，拉索表面温度最高可达200.1℃，融化严重。由试验观察可知，拉索表面开始融化后，其表面温度将迅速升高，融化速度也将加剧。

当采用竞品1#，距离520℃热源40mm进行试验时，热平衡后检测900s，其表面开始融化，温度约175.9℃，抗热性能稍优于样本1#（热平衡后600s，最高温度200.1℃，融化严重）。这说明规格和材料类别相同的拉索，若材料性能存在差异，它们的抗热性能也不相同。

2.2 样本4#安全距离试验

以样本4#为试验对象，其材料为PA6+PTFE，分别距离520℃热源40mm，50mm，60mm时进行试验，试验结果。

2.3 不同材料组合的换挡拉索热害性能试验分析

以样件1#、2#、3#、4#作为试验对象，距离520℃热源60mm进行试验，试验结果如表4。

根据试验结果，距离热源60mm时，同样披覆层材料、不同内衬管材料（PP+PBT/PP+PTFE或PA6+PTFE/PA6+PBT）的拉索样件，拉索表面温度较为接近（159.0℃/158.3℃或141.3℃/145.1℃），披覆层材料为PP的拉索样件表面融化，PA6拉索样件表面正常。分析可知，同样条件下内衬管材料的好坏对拉索抗热冲击性能的影响较小，披覆层材料对拉索表面是否融化有更直接的影响，其中PA6材料的抗热性能要优于PP。

2.4 不同材料换挡拉索的温度分布

由以上试验可知，同種类型的换挡拉索，与热源的距离不同时，其表面温度不同。而且，不同材料组成的换挡拉索，与热源的距离相同时，由于材料性能等不同，其表面温度也不相同。试验分别以不同材料组合的换挡拉索为对象，与520℃热源距离一定高度加热，并逐渐下调拉索悬挂的高度，得到不同材料组成的换挡拉索的温度分布图。

2.4.1 PP+PBT拉索样件的温度分布

先前试验中采用的拉索样件外径均为7mm，本试验以外径9mm的PP+PBT拉索样件进行测试，距离520℃热源高度由70mm逐渐向下调整，得到PP+PBT换挡拉索样件的温度分布。

由2.1可知，样本1#（PP+PBT，外径7mm）换挡拉索距离520℃热源70mm时，表面平均温度130.4℃，拉索表面正常。本试验中，外径为9mm的换挡拉索PP+PBT距离热源70mm时，在热源温度上升至520℃的过程中，拉索表面已出现融化现象。热源稳定至520℃后，拉索表面温度达到147.6℃，表面融化。试验在该基础上，逐渐缩小与热源的距离，得到的温度分布，为该型换挡拉索提供温度参考。两种外径不同的同种材料换挡拉索，距离相同时，抗热性能不同，其原因可能有两点：（1）外径大的换挡拉索受热面积大，与同种材料的小半径拉索相比，抗热性能稍差；（2）试验误差影响。

2.4.2 带隔热套管的样本1#拉索样件的温度分布

设计换挡拉索时，在经过布置优化、热伤害分析后，换挡拉索仍然存在热伤害风险时，可以在换挡拉索表面布置隔热套管。常用的拉索隔热套管由铝箔和玻纤布构成，采用铆接方式套在换挡拉索披覆层外侧，主要通过热反射保护内层换挡拉索。

试验在样本1#的换挡拉索外侧套上隔热套管，与520℃热源的高度由40mm开始，逐渐向下调整，试验过程中同时检测拉索披覆层表面的温度和隔热套管表面的温度。其中距离11.5mm时，在520℃热源作用下继续加热了约15min，换挡拉索披覆层温度为106.7℃，样件性能正常。

2.4.3 样本3#拉索样件的温度分布

由2.3可知，样本3#（材料PA6+PBT）的换挡拉索距离520℃热源60mm时，换挡拉索表面的平均温度为145.1℃，拉索表面正常，拉索性能正常。试验样本3#拉索样件为对象，距离热源的高度由60mm逐渐下调，得到的温度分布。

2.4.4 样本4#拉索样件的温度分布

由2.3可知，样本4#换挡拉索距离520℃热源60mm时，换挡拉索表面的平均温度为141.3℃，拉索表面正常，性能正常。试验以样本4#为对象，从距离热源60mm开始，逐渐缩小距离，直至其表面明显融化，以得到温度分布。

3 结语

以披覆层材料为PP或PA6、内衬管材料为PBT或PTFE的换挡拉索为试验对象，在520℃热源的条件下进行热伤害试验，得到以下结论：

（1）若无隔热板，拉索不带隔热套管，距离热源40mm时，试验条件下样件1#换挡拉索表面最高温度超过200℃，表面融化严重；若拉索增加隔热套管，距离热源40mm时，试验条件下样件1#换挡拉索表面平均温度81.4℃，隔热套管表面平均温度92.8℃，拉索性能正常；

（2）以披覆层和内衬管不同材料组合的换挡拉索为试验对象，距离520℃热源60mm进行试验，可知，同样披覆层材料的条件下内衬管材料的不同对拉索抗热性能影响较小，披覆层的材料对拉索表面是否融化。

【参考文献】

[1]陈家瑞.汽车构造：上册[M].北京：人民交通出版社，1993.

[2]孙文涛，孙瀚文，龚进峰，等.总线技术在自动变速器换挡控制中应用的试验研究[J].汽车工程，2011，33（4）：325-328， 339.

[3]孟志华，马世伟，朱伟，等.基于3D Hall传感器的SBW挡位采集系统优化设计[J].电子测量技术，2011，34（1）：82-85，118.

[4]彭江，马翔，夏超，等.搭载机电控制CVT的电子换挡系统设计[J].重庆理工大学学报（自然科学版），2015，29（11）：28-36.