某乘用车换挡器球头拔脱力模型及优化研究

2022-05-12邝志辉陈建国唐林丁

机电工程技术 2022年3期

邝志辉，陈建国，唐林丁

（广汽零部件有限公司技术中心，广州511447）

0 引言

随着消费市场的快速发展，为了满足市场对消费产品的高品质要求，对产品也提出了更好的要求，特别是国内外随着汽车行业不断的发展[1]，对汽车使用性及体验感方面要求越来越高。首先就是在汽车外饰方面，越来越多的关注是造型曲线感[2-3]，华丽上档次。其次是内饰部分，需要优雅精致、舒适等。因此每个乘用车企业根据自己的客户群体，制定了特有的要求、标准，然后根据此要求及标准进行内部零件的开发及制造，对于一些装配件，需要保证装配精度及强度[4]，特别是影响安全性、使用性的关键零部件，但随着国家新四化的推行，汽车轻量化方面也发展迅速，因此使用一些塑料或其他轻量化材料结构件代替，也能满足安全性、使用性的要求。

朱江[5]对汽车横向稳定器进行了轻量化设计，并通过仿真对其轻量化设计后的疲劳寿命分析，发现高温尼龙塑料可以满足结构强度要求，也降低了零部件的质量。也有很多学者从结构、材料等方面入手，研究了零部件的装配性、强度的影响因素[6-10]，而对于汽车中控换挡器部分，主要功能是用于换挡，实现驾驶员操纵性的最重要的零部件，鲜有学者研究报导，因此本文将以此作为切入点，设计一种可拔脱的球头结构，研究了换挡器球头拔脱力的相关影响因素，为客户体验感及操纵性提供理论依据及一种可行性方案，也为汽车中控零部件的设计提供一种良好的借鉴。

1 可拔脱结构设计、拔脱过程方案及拔脱模型分析

1.1 可拔脱结构设计

根据输入，设计出一种可以满足要求的拔脱力模型，包括球头及换挡杆两部分，如图1所示，其中球头部分包括换挡杆1、球头尾套2、球头本体3、球核4、下装饰板5、中装饰板6、上装饰板7、螺钉8、球头上盖9、卡簧10等零件，以及总成装配件11。换挡杆为换挡器中的一个零件，主要作用是用于与球头装配，实现换挡功能。

图1 球头总成及爆炸图Fig.1 Ball head assembly and exploded view

1.2 拔脱过程

球头总成与换挡杆是属于两个部件，首先将球头通过球头孔位装入换挡杆，直至卡簧扣入换挡杆角度槽位，此时换挡杆完全装配至球头球核孔位中，完成装配，如图2所示。

图2 球头总成拔脱过程Fig.2 Ball head assemblypull-outprocess

在拔脱时，固定换挡杆一侧，将球头向上拔脱，此时卡簧受到力F1使卡簧发生弹性变形，促使卡簧向右变形，换挡杆相对球头的脱离力F2向下，直至卡簧在力F1受力下从换挡杆角度槽位弹出，此时继续向上拔脱球头时已无阻力抵挡，球头即可顺利拔出，实现整个球头拔脱，如需要再次安装，可以重复上述过程即可。

2 实验要求及方法

2.1 设计要求输入

某乘用车根据前期试验条件开发需要，并结合调研结果，对球头拔脱力的测试条件提出了要求，即设计要求是拔脱力测试同一个件需进行5次，前2次拔脱力值需大于250 N，后3次拔脱力值大于180 N，这样才能满足要求。

2.2 材料选型

根据某乘用车对球头拔脱力的要求，并结合拔脱力结构分析，拔脱力与换挡杆角度、卡簧刚度及接触条件有关，因此针对以上从换挡杆角度、卡簧材料、接触条件进行验证，寻求一种能够满足条件要求的拔脱力模型，并且根据轻量化及强度的要求，对换挡杆采取铝合金材质，球头部分除换挡杆、卡簧、螺钉外，都采用塑料注塑实现轻量化。卡簧具体选取的参数如表1所示。

表1 卡簧材质Tab.1 Material of circlip

2.3 测试设备

本文使用的是综合测试平台，搭配瑞士生产的kisler5073A型的传感器，通过专用治具将换挡器及球头固定在测试设备上，并通过自动控制拔脱的方式，传感器自动记录并将拔脱力数值输出，能够准确地评价出拔脱力真实情况，某换挡器拔脱过程如图3所示。

图3 拔脱力测试设备Fig.3 Pull-outforcetestequipment

3 实验结果及分析

3.1 不同卡簧材料对拔脱力的影响

图4所示为不同卡簧材料对应35°换挡杆的拔脱力。由图可以看出，此条件下3种材料都不满足条件，首先对于卡簧65 Mn材料，初次拔脱力最大，约为133 N，前3次拔脱时力消退明显，第3次仅为88 N，第3次后拔脱力达到稳定，其次对于卡簧T9A材料，首次拔脱力仅为94 N，第3次达到稳定为78N左右，最后对于卡簧SWPB材料，首次拔脱力约为122 N，第3次后达到稳定，为79 N左右，5次拔脱力的趋势和65 Mn接近一致。从结果中可以看出，拔脱力随着拔脱次数的增加是下降的，这个主要是因为换挡杆槽位处磨损导致，拔脱第3次后卡簧与换挡杆接触条件达到平衡，因此此时拔脱力消退较小。

图4 不同卡簧材料拔脱力测试结果Fig.4 Pull-out force test results of different circlip materials

针对以上验证，换挡杆角度可能是最大的影响因素，而65 Mn材料是最能满足要求的卡簧材料，因此接下来通过卡簧65 Mn材料针对不同换挡杆角度进行验证。

3.2 不同换挡杆角度对拔脱力的影响

图5所示为不同换挡杆角度对应65Mn材料的拔脱力。由图可知，首次拔脱情况下，角度越小，拔脱力越大，但此条件下3种角度也都不满足条件，首先对于25°的换挡杆，初次拔脱力最大，约为785 N，符合要求，但第2次拔脱时力时消退明显，仅为230 N，不满足要求，第3次拔脱后达到稳定，仅为140 N左右；其次对于30°的换挡杆，均不符合要求，第1点首次拔脱力为205 N，第2次达到稳定为170 N左右；最后对于35°的换挡杆，首次拔脱力为90 N左右达到稳定，拔脱力均不符合要求。从结果中可以看出，25°的换挡杆磨损程度很严重，不适用拔脱力模型的选型，但角度过大时，即35°的换挡杆拔脱力基本退化很小，这主要是因为角度过大后，拔脱力减少对换挡杆的摩擦也随之减少。

图5 不同换挡杆角度拔脱力测试结果Fig.5 Pull-out force test results of different shift lever angles

针对以上验证，排除了卡簧材料和换挡杆角度是最大的影响因素，球头结构方面可能不适用，因此通过对球头球核结构进行改善，增加限位挡边，结合以上验证在换挡杆角度30°时比较接近要求，接下来通过球核增加限位挡边在30°换挡杆情况下、验证不同卡簧材料的影响程度。

3.3 限位挡边对拔脱力的影响

图6所示为不同卡簧材料对应的拔脱力。由图可知，3种卡簧材料首次拔脱都已满足条件，但第2次之后只有65 Mn卡簧材料满足条件，具体表现如下所述：首先对于65 Mn材料，初次拔脱力最大，约为381 N，第2次时拔脱时力消退明显，仅为251 N，在要求值的下限，第3次后拔脱力达到稳定；其次对于T9A材料，首次拔脱力为320 N，满足要求，但第2次仅为233 N左右，不满足要求，第3次达到稳定，为173 N，拔脱力也不满足要求；最后对于SWP-B材料，首次拔脱力约为350 N，满足要求，但第2次仅为243 N左右，不满足要求，第3次达到稳定，为190 N，直至第5次为176 N，不满足要求。

图6 限位挡边拔脱力测试结果Fig.6 Pull-off force test result of limit stop

针对以上验证，已找出能够满足条件的参数，但参数中某些力值已经接近条件要求的下限值，存在不满足的风险，为了能够得到大批量符合条件，因此通过对卡簧和换挡杆配合处接触条件进行改善，即增加润滑条件，由于以上验证在不同卡簧材料都比较接近条件，接下来通过增加卡簧和换挡杆配合处的润滑情况下、验证不同卡簧材料的影响程度。

3.4 接触条件对拔脱力的影响

图7所示为不同卡簧材料对应的拔脱力。由图可知，增加润滑条件后，3种卡簧材料5次拔脱力全部满足要求，具体表现如下所述：首先对于65 Mn材料，初次拔脱力最大，约为342 N，第2次时拔脱时力消退至264 N，第2次后拔脱力基本达到稳定，退化较小；其次对于T9A材料，首次拔脱力为300 N，第2次时拔脱力减少至243 N左右，临近下限250 N要求，不满足要求，第3次时达到稳定，之后下降较小；最后对于SPW-B材料，首次拔脱力约为322 N，满足要求，第2次为252 N左右，满足要求，第3次达到稳定，之后下降较小。

图7 接触条件拔脱力测试结果Fig.7 Pull-off force test result of contact condition

针对以上验证，找出能够满足条件的参数，65Mn与SWP-B材料的卡簧在球头球核有挡边且增加润滑情况下满足拔脱力要求，但SWP-B卡簧材料第二次拔脱力值已经接近下限，存在不满足的风险，为了能够得到大批量符合条件，因此结合上述实验结果，选用30°的换挡杆、65Mn材料的卡簧，加限位挡边的球核及增加润滑条件作为最终选定方案。