乘用车手动变速箱外部换挡系统设计提升及试验验证

潘鹏 姜晓来 孙晓娜 王青海 孙天宇

摘  要：根据乘用车手动变速箱外部换挡系统的研究，对外部换挡系统的主要结构原理进行分析，找出系统结构和挡位品质的相关性，进而提出外部换挡系统品质提升方案，并通过主观评价和客观测试对提升方案在静、动态挡位品质改善上的效果进行充分验证。为外部换挡系统挡位品质提升，建立一套完整的设计开发、试验验证流程方法。

关键词：外部换挡系统;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（2020）05-0059-06

Abstract： According to the research of manul transmission external shifting system on passenger car， the main structural principles of external shifting system was analysed， the correlation between system structure and gear quality was found， then the gear quality improvement scheme of external gear shifting system is put forward， subjective evaluation and objective observation test were used to fully verify the effect of the improvement scheme on improving static and dynamic gear quality. A complete design and test verification process method is established for the gear quality improvement of external gear shifting system.

Key Words： External Shift System; Gear Quality; Evaluation Index; Experiment Method

前言

随着乘用车在市场上的不断普及，以及消费者对车辆认知的不断加深，人们也越来越重视车辆各个方面的质量品质，相应的针对车辆各零部件的研发和评估也越加细致和深入。换挡系统操作力在驾驶员的日常驾驶中可谓是至关重要，它直接影响到驾驶员的操作感受进而影响到驾驶员对车辆品质的判断，因此，为了提高自身产品的品质，各大汽车厂家已逐渐加大了对换挡系统品质的研究。

换挡系统品质是由变速箱外部换挡机构品质和变速箱内部换挡机构品质两部分共同组成的。其中，变速箱外部换挡机构是由换挡球头、换挡器和换挡软轴等零件构成的，这些零件的质量、杠杆比、曲率等相关参数都直接影响到外部换挡系统品质。因此，在外部换挡系统的研究中，如何合理的调整这些参数变量，提升外部换挡系统品质便成为了研究重点，同时如何通过主观评价和客观测试对提升方案进行验证也十分必要。

1    外部换挡系统品质要素分析

乘用车手动变速箱外部换挡系统主要由平衡块、选换挡软轴、手球、换挡器总成四个部分组成，如图1所示：

乘用车手动变速箱换挡品质优劣取决于动力总成系统和外部换挡系统，其中外部换挡系统换挡品质要素如下：

（1）平衡塊：平衡块安装在变速箱换挡支架上，可利用平衡块旋转惯量改善换挡吸入感、换挡平顺性。平衡块的旋转惯量越大，则吸入感越强、平顺性越好，但会导致换挡力增大。

（2）选换挡软轴：选换挡软轴的走向和刚性影响选换挡力和系统的振动噪声，选换挡软轴安装后的最小曲率越大，选换挡软轴的内阻越小，则选换挡力越小。选换挡软轴的刚性越大，则振动噪声越大;刚性越小，则选换挡系统刚度越小，对自由间隙和选换挡行程均有不利的影响。通过优化选换挡软轴的安装走向，提高曲率半径，优化选换挡软轴套管及芯线材质，使选换挡力得到下降。

（3）手球：手球的形状、材质、高度匹配直接影响手动挡换挡品质友好性，通过采用适当的手球质量、整体高度，提升操作舒适性、美观度及换挡吸入感。

（4）换挡器总成：换挡器中各摩擦副性能水平、各摩擦副的配合间隙、杠杆比、回位弹簧性能、换挡器结构、各部件刚度、缓冲材料性能，换挡器总成对换挡品质的影响如下表1所示。

2    外部换挡系统挡位品质提升方案

2.1   平衡块惯量匹配

平衡块旋转惯量合理匹配能很好的改善换挡吸入感、换挡平顺性，本方案将平衡块设计为调整式，通过调整安装的平衡块数量来改变旋转惯量。如图2所示：

以主观评价为主，客观测量为辅的测试方案，确定换挡吸入感、换挡平顺性与换挡力综合评价最优方案，最终确定选择5个平衡块的配重方案。

2.2   选换挡软轴匹配

软轴的内阻与其走向密切相关，转弯越少，曲率半径越大，走向就越平顺，其内阻也就越小。本方案通过调整变速箱换挡支架安装固定点，进而调整软轴布置，使其曲率半径由130mm加大到200mm，进一步减小软轴内阻。

软轴内阻由套管和芯线结构、材料决定，本方案预制了由不同的套管、芯线材料制成的七种选换挡软轴改善方案。结合平衡块选择方案，对七种选换挡软轴方案进行客观测量和主观评价，综合考虑性能水平及成本，最终确定选择方案七。如图3所示：

2.3   换挡器总成改善

2.3.1 球衬改善方案

球衬由整体式改为两半式，增加柔性垫。通过柔性垫预压变形消除自由间隙，并在磨损后实现间隙补偿。采用新摩擦副材料，摩擦阻力减小，表面加工精度要求提高。如图4所示：

2.3.2 选挡摇臂改善方案

选挡摇臂转轴两端增加轴承，加大支撑跨距，提升转轴稳定性，减小间隙。轴端增加波形垫片，提升压紧力，消除转轴轴向间隙。降低选挡回位弹簧刚度，减小选挡力。如图5所示：

2.3.3 选挡摇臂改善方案

换挡杆、选挡摇臂处加装柔性材料，降低振动噪声。如图6所示：

2.3.4 换挡器底座改善方案

换挡器底座加宽，优化换挡器结构，提升换挡器刚度。

3    外部换挡系统品质提升验证

手动变速箱的挡位品质是由静态挡位品质和动态挡位品质两部分组成。其中静态挡位品质是由挡位布置特性、静态换挡特性、静态选挡特性、换挡球头自由间隙、斜向换挡性能和换挡系统刚度这六部分组成。动态挡位品质主要由动态换挡特性、结合分离特性和二次冲击特性组成。

在手动变速箱的挡位品质验证中采用客观测试和主观评价两种验证方式，从主、客观两个维度进行验证，同时将外部换挡系统原方案、外部换挡系统改善方案和对标车三种状态主、客观测试结果进行对比分析，充分验证外部换挡品质提升方案的改善情况。

3.1   静态挡位品质验证

3.1.1 选换挡行程

选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。从表2可以看出改善方案较原方案部分换挡行程减小2-7mm，接近对标车水平，选挡行程部分挡位减小5-10mm，优于对标车水平。

3.1.2 自由间隙

换挡球头自由间隙体现了各挡位的自由晃动量，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。从表3中可以看出改善方案较原方案自有间隙X向减小4-10mm，Y向减小5-10mm，有较明显的改善，总体仍差于对标车水平。

3.1.3 吸入感

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。从表4中可以看出改善方案较原方案1挡、2挡、3挡、4挡、5挡吸入感下降较明显，R挡吸入感增强，整体靠近对标车水平，改善方案优于原方案。

3.1.4 静态换挡力

换挡力是指换挡杆在入挡过程中遇到的最大阻力，换挡力的大小直接影响到驾驶员的操作感受。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。从表5中可以看出改善方案较原方案换挡力下降2-7N，优于对标车。从图7中可以看出各挡换挡力的一致性、平顺性有明显改善。

3.1.5 静态选挡力

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。同时选挡力曲线应平顺无波动，具有较好的整体一致性。从表6中可以看出改善方案较原方案选档力大小改善明显，改善后选档力大小优于对标车，从图8中可以看出改善方案向右选檔方向，选档力上升趋势变缓，选档平顺性有明显改善。

3.1.6 选换挡刚度

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。从表7中可以看出改善方案选换挡刚度未有改善。

3.2   动态挡位品质验证

本文通过主观评价结果对比来展现动态挡位品质的验证情况，评价中选取六个主观评价指标：怠速时的换档特性、结合和分离特性、动态换档性能、二次冲击、急踩（急松）油门、换档时的振动和噪声。从表8中我们可以看出在各个评价指标得分上改善方案较原方案均有所提高，且总体得分高于对标车。

4    总结

本文首先对乘用车手动变速箱外部换挡系统品质要素进行梳理分析，阐明系统结构与挡位品质之间的相关性，进而提出外部换挡系统品质提升方案，从平衡块惯量匹配、选换挡软轴匹配、换挡器总成改善三个方向提出具体的改善方案，最终从客观测量和主观评价两个方面，对比原方案、改善方案、对标车静态挡位品质和动态挡位品质结果，对提升方案的改善情况进行细致的分析验证。本文为乘用车手动变速箱外部换挡系统品质提升提供了一套完整的设计开发和试验验证流程方法。

参考文献：

[1]王望予. 汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]程阔华，熊强. 汽车变速器[M]. 北京：国防工业出版社，2012.

[3]Harald Naunheimer. 汽车变速器理论基础、选择、设计与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

[4]孙迎波. 六速DCT换挡模型及换挡品质评价体系研究[D]. 合肥工业大学硕士学位论文，2015.

[5]李超，刘杰. 乘用车手动变速箱静态挡位品质分析研究[J]. 汽车科技，2015，第1期：63-70.

[6]刘杰，李超. 乘用车手动变速箱动态换挡性能测试与分析[J]. 汽车科技，2014，第6期：47-50.