某乘用车自动换挡器换挡力分析及优化

傅兵 郑威 陈振文 谭火南

摘  要：乘用车自动换挡操纵机构在设计开发、验证过程中，内部评价团队提出换挡力不合适引起换挡操作不舒适。通过对相关自动挡车辆换挡力测试和主观评价得分相关性分析，确定了换挡力优化的必要性及提出了换挡力的优化目标。进一步地分析、确认换挡器和换挡拉索无负载操纵力的影响因素，综合考虑换挡操纵系统的开发成本和周期，选择成本低，周期短的优化方案来达到优化换挡力目的。最后把优化方案的改善样件进行装车效果确认，满足了优化换挡力及操作舒适性要求。

关键词：换挡器;换挡拉索;换挡力;影响因素

中图分类号：U461.99    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2019）04-0047-05

Abstract： In the process of design， development and validation of the gear shift， the internal evaluation team put forward that the inappropriate shift force caused the uncomfortable shift operation. Through the correlation analysis of shift force and subjective evaluation score of relevant automatic transmission vehicles， the necessity of optimization of shift force is determined and the optimization goal is put forward. Further analysis and confirmation of the factors affecting the load-free control force of the gear shift and the shift cable， Considering the development cost and cycle of the shift control system comprehensively， the optimization scheme with low cost and short cycle is selected to achieve the purpose of optimizing the shift force. Finally， the improved prototype of the optimization scheme is loaded into the vehicle to confirm the effect and meet the requirements of optimal shifting force and operational comfort.

乘用車换挡器一般安装在车辆中通道或者仪表台上，为了布置方便，换挡器一般和换挡拉索连接，再通过换挡拉索终端和变速器换挡摆臂相连。驾驶人通过手握换挡球头前后物理运动推动换挡拉索实现变速器挡位切换功能，实现驾驶人的换挡意图。换挡器和换挡拉索是传统乘用车的重要零部件[1-2]。换挡力作为驾驶人直接感受的一项主要主观评价性能项目，在换挡系统设计开发验证过程中，往往需要调整换挡力来优化换挡舒适性[3-5]。由于换挡力的匹配计算需要换挡器、换挡拉索、变速器换挡摆臂多部件结构、性能参数共同决定，在优化换挡力的分析、改善过程中，有必要对具体影响因素通过力学理论知识和台架试验手段进行深层次解析[6-7]、找出一套满足开发进度的低成本、短周期优化方案，并进行优化方案样件装车验证效果。进一步，在新车型开发过程中，可提前参考优化方案匹配计算换挡力要求，保证驾驶员良好的换挡操作舒适性。

1    背景

某乘用车自动挡换挡器在开发验证阶段，内部主观评价团队提出换挡力偏大，影响换挡操作舒适性，需对换挡器换挡力进行优化。

2    问题分析

鉴于换挡力匹配设计阶段目标值已参考国标和企业标准，考虑到评价团队对实车换挡力偏大提出抱怨，可进一步通过测试相关自动挡车型换挡力及对应主观评价得分进行相关性分析，明确换挡力偏大引起的用户抱怨合理性并提出换挡力优化目标。

测试自动挡换挡力挡位及顺序如下图1：

相关自动挡车型换挡力测试及主观评价得分如下表1及表2：

（10分评价法）

根据上表1相关自动挡车型的换挡力及表2对应的主观评价得分，换挡力介于20N～25N，主观评价得分7分以上。

进一步对潜在优化车型换挡力及对应主观评价得分相关性分析，换挡力介于27N～33N，主观评价得分6.5分以下，P<-->R挡主观得分为5.5分，容易引起用户抱怨。

基于上述相关性分析，潜在优化车型由于换挡力偏大容易引起客户抱怨，需对其换挡力进行优化，换挡力优化目标：20N～25N，主观评价得分7分以上。

3    优化方案

在进行优化方案设计之前，首先需对换挡力影响因素进行分解。某自动挡换挡器系统主要由换挡器、换挡拉索、变速器换挡摆臂组成，这三部分组件对换挡力都存在直接影响。

其中F为换挡力，f1为换挡器无负载操纵力，f2为换挡拉索无负载操纵力，f3为变速器换挡摆臂输出力，i为换挡器杠杆比。

为了找出换挡力的主要影响因素并进一步的为优化方案提供指导方向，分别对换挡器、换挡拉索无负载操纵力、变速器换挡摆臂输出力测试并与理论要求值进行对比分析。

根据公式1可知，要降低换挡力，可通过降低换挡器无负载操纵力（f1），换挡拉索无负载操纵力（f2），变速器换挡摆臂输出力（f3），加大换挡杠杆比这四种方式或者组合。

综合考虑优化方案更改成本和周期，选取同时降低换挡器无负载操纵力（f1）、换挡拉索无负载操纵力（f2）的组合方式来达到降低换挡力要求。

降低换挡器无负载操纵力（f1）、换挡拉索无负载操纵力（f2）的具体力值如表7：

表7换挡器无负载操纵力、换挡拉索无负载操纵力

减少目标值汇总表

进一步对换挡器无负载操纵力影响因子静力分析，分析如下图2及图3：

w为悬臂截面宽度：8mm;

t为悬臂厚度：1mm;

L为悬臂弹簧臂长：35mm;

D为悬臂弹簧预压量：3mm;

△X为悬臂弹簧运动过程最大变形量：4.4mm;

δ为钢滚轮-钢轴滚动摩擦系数，取0.001mm;

α、a、b、c为换挡杆尺寸参数，分别为50°、39.4mm、237mm、44.5mm;

根据公式6可知，要降低换挡无负载操纵力，可通过上述多种变量进行单一或者组合调整。

综合考虑优化方案更改成本和周期，采取优化方案为：

1、减小悬臂弹簧预压量D，匹配计算各挡位切换的换挡杆无负载操纵力，达到减小2N的目标;

2、单独减小齿形板尺寸参数△X（换挡杆P<-->R挡齿形尺寸），匹配计算P<-->R挡换挡杆无负载操纵力，达到减小3N的目标。

综上所述，对换挡器优化方案汇总如下表8：

表8 换挡器无负载操纵力优化方案汇总表

进一步对换挡拉索无负载操纵减少力影响因子分析发现：

换挡拉索无负载操纵力影响因子有芯线和护套内涂抹润滑脂种类，润滑脂涂抹量，拉索的布置走向等因素都有关系，且影响机理复杂。鉴于此，可根据得到的台架试验数据选择对应的优化方案来达到降低换挡拉索无负载操纵力的目的。

下图4为换挡拉索走向及结构，图5为换挡拉索结构截面图：

在保持换挡拉索走向和润滑脂类型，换挡拉索按整车坐标布置，通过改变润滑脂涂抹量进行换挡拉索无负载操纵力台架试验，对应的定量关系如下表9：

在保持换挡拉索走向和润滑脂涂抹量（2g），换挡拉索按整车坐标布置，通过改变润滑脂类型进行换挡拉索无负载操纵力台架试验，对应的定量关系如下表10：

在保持换挡拉索润滑脂类型A和润滑脂涂抹量（2g），換挡拉索走向按不同曲率半径布置，进行换挡拉索无负载操纵力台架试验，对应的定量关系如下表11：

半径关系表

综合考虑优化方案更改成本和周期，采取优化方案为：减少换挡拉索润滑脂涂抹量，从2g减少到1.4g。

4    优化方案验证

针对换挡器无负载操纵力优化方案、换挡拉索无负载操纵力优化方案制作样件，对优化样件搭载整车进行主观评价和换挡力测试，最终满足优化目标要求。

测试结果如下表12：

5    总结

通过对自动挡换挡器换挡力分析及优化方案的制定实施，到最后优化方案的装车验证，可以总结出以下结论：

1、换挡器换挡力和主观评价得分存在相关性，换挡力在20N～25N之间，主观评价得分7分以上，此换挡力可作为后续设计参考目标值;

2、换挡器无负载操纵力影响因子有滚轮式悬臂弹簧的截面宽度、悬臂厚度、悬臂弹簧臂长、悬臂弹簧预压量、悬臂弹簧运动过程最大变形量以及换挡杆力臂及角度参数;

3、换挡拉索无负载操纵力影响因子有换挡拉索走向、润滑脂类型、润滑脂涂抹量。对于机理复杂的影响因子可通过台架试验来测试验证，并通过测试数据定量找出其影响换挡拉索无负载操纵力的范围，为后续设计提供可选方案;

4、换挡力影响因子众多，对于已开发出来的样件进行换挡力优化方案的制定，需重点考虑到优化成本和变更周期，尽量对单一、较容易实现的影响因子进行调整、优化、最终达到换挡力优化目的。

参考文献：

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[4]康展权. 汽车工程手册设计篇[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[5]张栋杰，张莉，朱波. 乘用车机械式变速器远距离操纵系统的设计[J]. 北京汽车，2011，（2）：6-8，26.doi：10.3969/j.issn.1002-4581.2011.02.002.

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