某乘用车自动换挡器换挡力分析及优化

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.
【期刊名称】《汽车科技》
【年(卷),期】2019(000)004
【总页数】5页(P47-51)
【关键词】换挡器;换挡拉索;换挡力;影响因素
【作者】傅兵;郑威;陈振文;谭火南
【作者单位】广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广州511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广州511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广州511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广州511434
【正文语种】中文
【中图分类】U461.99
乘用车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：
图1 自动挡车型挡位及换挡顺序
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：
表1 相关自动挡车型换挡力统计表D<-->S/（N）车型1 22 25 24 20车型2 23 25 24 23车型3 25 22 22 25车型4 20 23 23 24车型5 21 22 21 25车型6 24
23 20 22车型7 20 22 25 20优化车型 33 27 27 29序号 P<-->R/（N）R<-->N/（N）N<-->D/（N）
表2 相关自动挡车型换挡力主观评价得分表（10分评价法）序号 P<-->R R<-->N N<-->D D<-->S车型1 7.5 7.5 7 7车型2 7 7.5 7.5 7.5车型3 8 8 8 7.5车型4 7 7.5 7.5 7车型5 7.5 7.5 7 7.5车型6 7 7.5 7.5 7.5车型7 7.5 8 7.5 7.5优化车型 5.5 6.5 6.5 6
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。

换挡力经验公式如下：
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。

换挡器无负载操纵力如下表3：
表3 某乘用车自动挡换挡器无负载操纵力统计表序号 P<-->R R<-->N N<-->D
D<-->S理论要求值无负载操纵力（N）9 9 9 9 ≤11
换挡拉索无负载操纵力如下表4：
表4 某乘用车自动挡换挡拉索无负载操纵力统计表序号 P<-->R N<-->D D<--
>S R<-->N理论要求值无负载操纵力（N）8 8 8 8 ≤5
变速器换挡摆臂输出力如下表5：
表5 某乘用车自动挡变速器换挡摆臂输出力统计表
images/BZ_81_297_1921_1201_2147.png
经对换挡器样件测量，换挡器杠杆比为i=3。

根据公式1计算得出，某乘用车自动挡换挡力及需要减少力值如下表6：
表6 某乘用车自动挡换挡力images/BZ_81_295_2430_1199_2884.png
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优化项目
P<-->R R<-->N N<-->D换挡力减少目标差（N） 8 5 5 5 目标差5 2 2 2 优化方案目标换挡器无负载操纵减少力（N）换挡拉索无负载操纵减少力（N）3 3 3 3 优化方案目标D<-->S 备注
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：
图2 自动挡换挡杆静力分析图
图3 滚轮式悬臂弹簧静力分析图
根据图2、图3静力分析图，可得出如下公式：
根据公式2、公式3、公式4、公式5，可推导出换挡杆无负载操纵力公式：
注：E为悬臂弹簧弹性系数：206kg/m2；
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优化项目P<-->R（N）R<-->N（N）
备注D<-->S（N）操纵减少力5 2 2 2优化方案目标换挡器无负载臂弹簧预压D）2 2 2 2 D从3mm减小到1.4mm方案1（减小悬方案2（减小齿形板尺寸△X）3
--- --- ---N<-->D（N）△X从4.4mm减小到1.9mm（P<-->R挡齿形板）
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：
图4 换挡拉索走向及结构图
图5 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：
表9 换挡拉索无负载操纵力和润滑脂涂抹量关系表
images/BZ_82_1313_2057_2213_2467.png
在保持换挡拉索走向和润滑脂涂抹量（2 g），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：
表10 换挡拉索无负载操纵力和润滑脂类型关系表润滑脂类型换挡拉索无负载操
纵力/N 备注A 8现状态润滑脂类型B 4 C 10
在保持换挡拉索润滑脂类型A和润滑脂涂抹量（2g），换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：
表11 换挡拉索无负载操纵力和拉索布置曲率关系半径关系表
images/BZ_83_305_726_1205_1102.png
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：
表12 优化样件换挡力主观评价和客观测试数据汇总表
images/BZ_83_298_1850_1202_2220.png
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。

专家推荐
李少华：
换挡力影响因子众多，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；作者根据经验公式以及大量试验数据论证分析，得出最佳设计方案。

该文条例清晰，运用经验公式以及试验论证相结合，分析得当，数据准确，有一定实用性。

经验公式和分析方法，有参考价值。

【相关文献】
[1]陈家瑞. 汽车构造：上册[M]. 北京：人民交通出版社，1993.
[2]王东萍. 操纵拉索的结构及其在汽车上的应用[J].轻型汽车，1993，（2）：13-20.
[3]胡运康，景荣春. 理论力学. 北京：高等教育出版社，2006.
[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.
[6]孙海. 换挡操纵总成设计与换挡性能研究[D].重庆大学.2016.
[7]刘鸿文. 材料力学[M]. 3版. 北京：高等教育出版社，1992.。