一种工程塑料在操纵机构中的应用

费逢宇 权双璐

摘要 随着中轻卡市场的快速发展，用户对变速器选换挡性能的要求越来越高，轻量化、低摩擦、效率高已成为评价变速器的一种趋势，同時工程塑料作为新型材料，具有质量轻、低摩擦、耐磨性好、自润滑等功能，备受用户喜爱。一种工程塑料在操纵机构的应用是在现有结构上采用工程塑料来提高变速器选换挡性能以满足用户的需求，其结构的改进具有很大的创新性。

关键词 工程塑料；操纵机构；选换挡手感

中图分类号 TQ320.79文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）14-0005-03

0 引言

在中轻卡变速器市场工程塑料由于质量轻、无污染、成本低、性能优越等特点在操纵机构中的使用越来越广泛。该文对比了几种工程塑料的特点，并针对操纵控制块及柱销处采用工程塑料的可行性进行对比分析。

1 工程塑料简介

1.1 塑料简介

塑料是以单体为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物。根据各种塑料不同的使用特性，通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种。车用塑料指的是塑料（或工程塑料）在汽车上的应用。工程塑料分为通用工程塑料和特种工程塑料两类。工程塑料可用作工程材料和替代金属制造机器零部件，具有优良的综合性能，刚性大、蠕变小、机械强度高、耐热性好、电绝缘性好，可在较苛刻的化学、物理环境中长期使用，是作为替代金属材料的首选材料。

1.2 几种塑料及其特点

1.2.1 通用塑料

通用塑料一般是指产量大、价格低、用途广、影响面宽的一些塑料品种，包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）及三元共聚合物（ABS），均为热塑性塑料，共计有五大品种。聚乙烯（PE）具有优良的耐低温性能，化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀，在汽车上主要用于空气导管、制动液储罐、清洗液罐、挡泥板、衬板、行李箱隔板等。聚丙烯（PP）具有较高的耐冲击性，机械性质强韧，抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀，在汽车上主要用于车身内装件、通风取暖系统配件、发动机有关配件以及外装件。聚氯乙烯（PVC）具有优异的耐燃性、耐磨性、抗化学腐蚀性，气体、水汽低渗透性等，汽车上主要用作汽车仪表板表皮、地板隔热垫、座垫套、车门装饰条、转向盘、车门内衬、操纵杆盖板、踏板胶垫、电线包皮（绝缘层）等。聚苯乙烯（PS）流动性、加工性能和尺寸稳定性好，主要用于包装和一次性产品、电子电气和器具、家具和建筑材料、消费型产品、医用产品等。可制成的产品包括计算机外壳、透明的塑料水杯和包装用的泡沫塑料等。ABS塑料抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，在汽车上的应用主要是车身内饰件、外装件[1]。

1.2.2 通用工程塑料

通用工程塑料主要品种包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和热塑性聚酯五大通用工程塑料。聚酰胺具有强韧、耐磨、自润滑、高刚性、耐热、阻燃和绝缘等特性，具有良好的综合性能，被广泛用于制造齿轮、涡轮、密封件、轴承、电器接线柱、管道、过滤器和容器等零部件。聚碳酸酯具有类似有色金属的强度，同时又兼备延展性及强韧性，市场用量最大的是计算机、办公设备、汽车、替代玻璃和片材。聚甲醛具有极高的力学性能，多用于制造轴套、齿轮、滑块等耐磨性零部件。聚苯醚具有优良的机械性能、耐热性、耐蠕变性、耐水性、耐水蒸气性，主要用于汽车仪表盘、散热器格子、扬声器格栅、控制台、保险盒、继电器箱、连接器和轮罩等。热塑性聚酯具有优良的耐化学腐蚀性，主要用于风挡、后视镜、铰链、灯框、配电盘罩等。根据各方面对比，该文选用了一种聚酰胺材料的工程塑料进行试验测试[3]。

2 工程塑料应用方案

2.1 操纵机构介绍

匹配中轻卡的某变速器操纵机构示意图如图1所示：换挡拨头2、倒挡锁控制块3与换挡杆10花键配合。换挡杆10只能转动换挡，不能轴向移动选挡，倒挡锁弹簧5装于螺塞7与手感柱销6之间，手感柱销6通过操纵壳体9与倒挡锁弹簧5的压缩力定位。变速器空挡位置为3/4挡，当选1/2挡时，选挡拨头1通过换挡拨头2推动倒挡锁控制块3压缩选R挡侧平衡簧8至倒挡锁控制块3的斜面与手感柱销6接触，此时即选到1/2挡位置；继续选倒挡时，倒挡锁控制块3斜面与手感柱销6接触不断压缩倒挡锁弹簧5至选到倒挡完成选挡动作[2]。

2.2 工程塑料应用方案介绍

2.2.1 倒挡控制块方案

工程塑料制成滑动轴承11应用倒挡锁控制块具体实施方案如下：①倒挡锁控制块采用半花键，且将滑动轴承11过盈配合压入倒挡锁控制块3的轴向孔内。②半花键与换挡杆10花键配合，起导向作用，且与换挡杆10花键配合的摩擦阻力减小。③滑动轴承11压入后内孔与换挡杆10花键外径间隙配合，且具有固定支撑，因滑动轴承摩擦系数低、质量轻、自润滑等优点，轴向移动摩擦阻力减小。

2.2.2 柱销方案

目前应用变速器的柱销为铁柱销，如图4所示，大钢球及柱销表面材质为钢，大钢球与48个小钢球一同压入壳体里，工作时，与大钢球接触为滚动接触，该文设计的塑料柱销，如图5所示，大钢球材质为钢，柱销表面材质为工程塑料，大钢球压入壳体里，工作时，与大钢球接触为滑动接触，摩擦阻力较铁柱销相对较大，但是结构简单，成本低廉。

2.3 工程塑料操纵选性能试验分析

2.3.1 倒挡控制块方案

针对倒挡锁控制块全花键、倒挡锁控制块半花键+滑动轴承结构进行台架测试，并分析改进前后性能优劣。测试选挡力曲线如图6所示。

图6中，横坐标为内拨头处选挡行程，单位mm；纵坐标为内拨头处选挡力大小，单位N。将选挡力大小设为Fi，选挡回位力设为Fj，有如下公式：

Fi=F弹+f1，Fj=F弹?f1

式中，F弹——弹簧作用力；f1——配合花键摩擦阻力。

（1）工程塑料应用操纵选挡力分析。测试的选挡力大小在一定程度上反馈克服阻力的效率，测试选挡力越小，效率越高；测试选挡力越大，效率越低。如图6所示，测试的选挡力的操纵机构状态分为全花键无润滑、全花键润滑脂、半花键+滑动轴承自润滑、半花键+滑动轴承润滑脂4类。由选挡力曲线可得：

①当选挡力偏小时即3/4选1/2时，4种结构状态的选挡力曲线几乎重合，说明此时花键摩擦阻力占比很小，可忽略影响。②当选挡力偏大时即3/4选R时，4种结构状态的优劣情况如下：半花键+滑动轴承润滑脂≈全花键+润滑脂>半花键+滑动轴承自润滑>全花键无润滑。③润滑脂对于选挡效率影响很大。

（2）工程塑料应用操纵选挡回位感分析。测试选挡回位力大小及曲线刚度在一定程度上反映了选挡回位感，当配合花键摩擦阻力较大时，选挡回位力较小，且刚度线性较差；当配合花键摩擦阻力较小时，选挡回位力较大，且刚度线性较好。如图6所示，测试的选挡力的操纵机构状态分为4类：全花键无润滑、全花键润滑脂、半花键+滑动轴承自润滑、半花键+滑动轴承润滑脂，由选挡力曲线可得：

①4种结构状态的选挡力回位曲线刚度优劣如下：半花键+滑动轴承润滑脂>半花键+滑动轴承自润滑>全花键+润滑脂>全花键无润滑，其中，半花键+滑动轴承结构线性刚度较好，全花键结构线性刚度较差，即回位手感差。②4种结构状态的选挡回位力大小如下：半花键+滑动轴承润滑脂>半花键+滑动轴承自润滑>全花键+润滑脂>全花键无润滑，半花键+滑动轴承结构选挡回位力较大，选挡回位效果更好；全花键选挡回位力较小，当选R挡侧平衡簧8刚度较小时，可能存在选挡不回位的情况。

2.3.2 柱销方案

铁柱销与塑料柱销分别装于某变速器进行选挡性能测试，测试曲线如图7所示：其中横坐标为变速器端拨头处选挡行程，纵坐标为变速器端拨头处选挡力大小。由选挡力曲线对比可知：①铁柱销与塑料柱销应用操纵的选挡行程一致。②塑料柱销应用操纵3/4～1/2及3/4～5/6选挡力要比铁柱销沉。③塑料柱销应用操纵3/4～R选倒挡力与铁柱销大小一致。④塑料柱销应用操纵选挡摩擦阻力要大于铁柱销。

铁柱销与塑料柱销分别装于某变速器进行换挡性能测试，测试曲线如图8所示：其中横坐标为变速器端拨头处挂挡行程，纵坐标为变速器端拨头处挂挡力大小。

由各挡位挂挡力曲线对比可知：①铁柱销与塑料柱销应用操纵各挡位挂挡力曲线几乎重合。②铁柱销与塑料柱销应用操纵各挡位的挂挡行程一致。③铁柱销与塑料柱销应用操纵挂前进挡力及倒挡力大小一致。

3 试验结果

3.1 倒挡控制块方案

通过对全花键无润滑、全花键润滑脂、半花键+滑动轴承自润滑、半花键+滑动轴承润滑脂四种操纵机构状态的试验数据分析可得：①从选挡效率可知：润滑脂对操纵机构的影响较大，半花键+滑动轴承润滑脂选挡力最小，选挡效率最高。②从选挡回位感可知，半花键+滑动轴承结构要优于全花键结构，且半花键+滑动轴承润滑脂状态的选挡回位力及回位线性刚度最优。③综合评定显示，半花键+滑动轴承润滑脂结构状态最好。

3.2 柱销方案

从理论与试验选换挡力曲线分析可知：①由选挡曲线可得塑料柱销应用操纵摩擦阻力要大于铁柱销，与理论相吻合。②由挂挡力曲线可得塑料柱销应用操纵各挡位挂挡力曲线与铁柱销基本吻合，挂挡工作时，柱销移动行程短摩擦阻力可忽略。

4 结论

工程塑料在倒挡锁控制块的应用有效地解决了选挡平衡簧刚度较小时不易回位或回位效果差的问题，并在现有倒挡锁控制块全花键结构基础上提高了选挡效率；当柱销工作行程较短时，塑料柱销摩擦阻力影响较小，选挡力稍大，成本低，在用户要求不高的情況下，可实现互换。工程塑料柱销及滑动轴承具有结构简单、质量轻、成本低等特点，为后续降阻结构设计提供了一种思路。工程塑料作为新型材料，应用于汽车领域也会成为一种趋势。

参考文献

[1]杜彬. 通用塑料在汽车工程中的应用及发展[J]. 机械管理开发， 2007（S1）： 72-74.

[2]陈家瑞. 汽车构造[M]. 北京：机械工业出版社， 2005.

[3]刘金刚， 范琳， 杨士勇. 特种工程塑料市场与应用[J]. 合成树脂及塑料， 2005（6）： 67-70.