某中型卡车型换挡困难分析与改进
2018-10-21吴江赵培生黄东东
吴江 赵培生 黄东东
摘 要：文章针对某中型卡车1/2挡难挂问题，对离合器系统、发动机转速、变速器换挡力、操纵系统阻力、软轴性能及其布置形式进行了实验分析，发现换挡困难的根本原因为软轴布置不合理和软轴性能低。据此，提出了优化软轴的结构和布置的改善方法，并对所提出的优化方案进行试验验证。结果表明所提出的优化方法解决了该车型1/2挡难挂的问题，提升了整车的换挡性能，并为以后的换挡系统设计提供了理论依据。
关键词：离合器；换挡力；软轴；换挡性能
中图分类号：U462.3 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）17-139-04
Abstract： In this paper， an experimental analysis is carried out on the clutch system， engine speed， transmission gear shifting force， control system resistance， soft shaft performance and its layout of a medium-sized truck. It is found that the root cause of the shifting difficulty is the improper placement of soft shaft and low performance of soft shaft. Based on this， an improved method to optimize the structure and layout of the soft shaft is proposed， and the proposed optimization scheme is tested and verified. The results show that the proposed optimization method can solve the problem of gear shifting， improve the gear-shifting performance of the whole car， and provide a theoretical basis for the future gear-shifting system design.
Keywords： Clutch； Shift force； Soft shaft； Shift performance
CLC NO.： U462.3 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-139-04
前言
隨着社会经济的快速发展。用户对商用车驾驶舒适性要求越来越高，而换挡性能作为驾驶舒适性的一个关键评价指标，成为提升汽车驾驶体验的重点难题。本文主要针对某中卡车型1/2挡难挂的问题通过进行系统性的分析及验证。
1 问题描述
某款中卡市场反馈“挡位难挂”，通过对该公司市场故障反馈系统（DMS）反馈的挡位难问题进行梳理并走访市场后确认，用户新车主要主要存在起步1/2挡挂挡力大的问题。
根据客户反馈的情况，随机抽取4台车辆进行1/2挡怠速换挡力进行测量，测试结果如表1。
由测试结果可以得出， 1/2挡换挡力均远大于目标值（≤55N），由此可确认新下线车型存在1/2挡怠速挂挡力大的问题。
2 换挡原理及过程分析
如图1所示，为某中卡车型变速系统结构图。对于手动变速器，驾驶员在进行换挡操纵时，通过操作换挡手把进入指定挡位来实现。
上述换挡过程中，影响驾驶员操作力的主要有变速操纵座总成的阻力，操纵座的杠杆比，软轴的阻力及变速箱本身的换挡力大小；怠速状态下进行换挡操作，还需要对变速箱的动态换挡性能进行评价，可以基于下面的公式（1）对影响动态换挡性能的因素进行说明[3]：
式中：MC为同步力矩；F为作用在同步环上的轴向力；μC为同步环摩擦系数；Rc为同步环锥度半径；θ为同步环锥度半角；Mg为惯性力矩；Jw为输入端转动惯量；?ω为转速差；t为同步时间。
在适当的力F和同步时间t下，同步器提供的同步力矩MC必须大于或等于此时目标挡位的惯性力矩Mg，这样才能顺利换入目标挡位，否则会导致驾驶员感觉换挡力大或者换挡冲击。
从公式（1）分析，除了排查同步器本身的设计因素外，影响动态换挡的要素主要为输入端的转动惯量Jw，其中关键是与其匹配的离合器从动盘的转动惯量，一般要求在满足整车使用的情况下从动盘的转动惯量越小越好；同时必须保证换挡时，离合器分离彻底，否则会导致整体输入端的转动惯量剧增，严重影响换挡性能。其次是转速差?ω，理论要求转速差越小越好，而在怠速状态下，由于车辆处于静止状态，影响转速差的关键是发动机的怠速转速。
利用质量管理工具中的故障树，对可能导致变速操纵换挡力过大的的原因进行了多层次的详细分析，其故障树分析如图3所示。
3 原因分析
3.1 离合器系统检查
对离合器系统的从动盘惯量和离合器的分离两个方面分别进行分析。
3.1.1 离合器从动盘转动惯量检查
从公式（1）可以看出，离合器从动盘的转动转量是决定换挡水平的一个重要因素。随机抽取3个离合器从动盘进行转动惯量的测试，测试结果如表2所示。
由表2测试结果可知所选的5个离合器从动盘符合设计要求（≤0.075kg·m2 ）。现将合格的离合器装到故障车辆上，进行换挡实验，换挡性能没有变化，可以判断从动盘转动惯量为非主要原因。
3.1.2 离合器分离检查
分析可知，当推杆行程≥23.1mm即可彻底分离。现对测试换挡力的10台车进行推杆行程测试，测试结果如图4所示。
由图3可知，推杆行程测量最小值为24mm，均满足要求。可以判定离合分离不是主要原因。
3.2 操纵系统杆杠比确认
通过对标杆及同类车型的手柄端换挡行程进行对比本车型换挡行程及杠杆比是合适的，判定操纵系统杠杆比不是主要原因。
3.3 发动机怠速检查
由公式（1）可知怠速转速可能对换挡力产生影响，对比同类车型在相同输出扭矩下发动机的怠速状态的转速，从对比数据可以看出同一输出扭矩的发动机怠速转速基本相当，可以判定发动机怠速时的转速不是主要因素。
3.4 变速器换挡力检查
驾驶员手柄处换挡力为[4] 。
当系统效率η及操纵机构换挡比i比一定时，手柄端换挡力主要受变速器端换挡力影响，根据此公式计算，整车手柄端换挡力F≤55N时，变速器端换挡力F变≤155N，抽取不同批次的变速器进行台架测试，测试数据满足要求。更换检测后的变速器进行评价：换挡性能无变化，可排除变速器换挡力大因素。
3.5 操纵系统阻力分析
3.5.1 操纵座检查
随机抽取5套操纵机构进行测试，對其操纵座的阻力分别进行测量，满足标准要求。
3.5.2 软轴阻力检查
在如图4所示的软轴测试台架上模拟整车布置对软轴空载阻力进行测试[5]，测试结果如表3。
从测试数据可以看出软轴空载阻力偏大，不满足设计要求（阻力≤8N），软轴阻力大的原因，一是软轴布置不合理，二是软轴性能差。
a）软轴布置不合理
对整车软轴布置进行检查，发现软轴弯曲半径较小，且软轴管夹固定过紧，对软轴布置进行调整，换挡力下降，可判定其为主要原因。
b）软轴性能检查
抽取3套软轴按行标《QC/T 29101 汽车用操纵拉索总成》对软轴进行测试[6]。测试结果软轴性能符合行标要求（效率≥85%，阻力≤8N）。
4 优化设计
根据上述分析可知换挡力过大的主要原因是软轴布置不合理和软轴性能差，现针对这两个主要原因进行优化设计。
4.1 优化软轴的布置
将软轴固定位置从车架腹面改为上翼面固定，增大软轴的转弯半径；固定方式由夹紧固定改为间隙固定如图5所示，减小阻力。
经过以上对策实施，对整车换挡力进行测试及主观评价，测试结果如表5所示。
从改进后的测试结果可以看出，改进软轴布置后换挡力明显降低，但未达到标准要求，说明分析排查过程存在问题，需要进行二次确认。经过台架试验软轴布置和整车对比，发现软轴测试标准软轴布置和实车布置不一致，标准不能完全代替实际状态；按整车布置状态进行台架测试，测试结果如表5所示。
从测试结果可以看出软轴的空载阻力不满足设计要求（阻力≤8N）。所以在整车布置条件下，软轴性能差，不符合设计要求，也是1/2挡换挡力大的主要原因，软轴性能需进一步提升。
4.2 优化软轴结构
对软轴进行改进。如图10所示，内衬采用具有自润滑性能的PTFE材料；芯轴表面增加注塑芯轴，减小摩擦面积，降低阻力；
将改进后的软轴，模拟整车布置进行台架测试，测试结果如表6所示。
改进后软轴的空载阻力满足要求（阻力≤8N）。
5 整车测试
现抽取安装优化后的软轴进行测试，测试结果如表7所示。
从测试结果可以看出，安装优化后的软轴，此款车型的换挡力都小于目标设定值55N以下。
6 结论
（1）通过逐步验证的方法找到了影响某中卡车型1/2选换困难的原因是因为软轴布置不合理和软轴性能较差。
（2）优化设计了软轴的结构和布置，有效解决了某中卡车型1/2选换困难的问题。
（3）优化后感受换挡力有明显下降，且换挡手感较以前明显变好，整车换挡性能大幅提升。
参考文献
[1] 陈玉祥，臧孟炎，陈勇等.基于虚拟样机技术的手动变速器换挡力分析[J].中国机械工程，2012， 23（8）：996-1000.
[2] 王霄锋.汽车底盘设计[M]. 清华大学出版社， 2010.
[3] 陆静静，叶尚阳.汽车选换档软轴操纵的设计[J].汽车实用技术， 2017（5）：19-22.
[4] 马岩.汽车换档操控机构综合性能试验系统控制研究[D].长春理工大学， 2013.
