浅谈软轴式变速操纵系统(职称论文).d

客车软轴式变速操纵系统的设计与应用
[摘要]近几年来，随着客户对客车使用舒适度的要求的提高，软轴式变速操纵系统慢慢的代替了硬杆式变速操纵系统，并在客车技术中的得到了广泛的运用。

选用匹配合理的软轴式变速操纵系统可以提高整车的可操控性和变速操纵的舒适度。

主题词：软轴变速操纵系统设计故障排除性能评价
The design and application of Bus cable shift control system Abstract:Recently years,with the improvement that customer to bus useage’s comfort. The hard shift system have been replaced by cable shift system step by step.and it have be widely apply in bus technology.chose reasonable cable shift system can improve operation performance and comfort of whole vehicle.
Key words: Cable shift system Design Obviate Failure Performace estimate
1 前言
我国的客车技术坚持技术引进和自主开发相结合的方针发展到今天，已经取得了长足的进步，随着人们生活水平的提高，特别是近几年旅游业的迅速发展，对客车的操控性，舒适性，安全性等方面提出了更高的要求。

变速操纵的可靠性和舒适性已成为人们对客车的一个重要评价指标。

2 软轴式变速操纵系统的重要性及其优势
众所周知，驾驶员主要是通过转向，变速控制，制动，离合，
加速等动作来实现车辆在道路上的行进。

很显然，变速控制是在对车辆控制过程中出现频率较高的动作，特别是城市公交和旅游车，他们需要频繁变换档位和长时间的操控。

如果变速操纵系统的设计和选用不合理，会使驾驶员换档困难，操纵沉重或出现掉档等情况。

变速操纵杆（手柄）表面处理的色泽及造型也会影响到驾驶区域的整体内饰效果，这些都直接影响到人们对客车的评价。

和传统的硬杆式操纵系统比较，软轴式操纵系统有着不可替代的优势。

硬杆式操纵系统多采用空心杆作为主要的传力部件，对于动力后置的客车，就需要4-5段空心杆串连起来传递行程和扭矩，各段之间需要用支座，滑套和万向节等机构来实现连接。

随着城市公交向低地板的方向发展，对安装空间的有了一定的限制，就会出现布置困难的情况。

联接机构之间的摩擦力及杆系本身的自重会增大换选档操纵时阻力。

同时，随着近两年原材料的涨价，硬杆操纵系统给各大主机厂的成本控制带来了一定的难度，软轴式操纵系统与硬杆式操纵系统最主要的区别在于它是采用软轴作为传递行程和力矩的媒介，软轴的柔性给安装带来了很大的便利，它的轻便又能有效地减轻整车的重量。

总之，软轴式操纵系统在安装布置，调整维护，成本控制方面具有一定的优势。

3 软轴式变速操纵系统的组成及各部件的功能
3.1 操纵机构
操纵机构是操纵系统中关键的部件，安装在驾驶区域，它一般由支座，换档臂和选档摇臂等主要零件组成。

常见的支座有铝铸件，钢
铸件或钣金件。

它对整个机构起基础支撑作用，同时也是操纵机构与客车底盘上的横梁或底板的连接件，一般而言，七米以上的客车常选用以铝铸件或钢铸件作为支座的操纵机构。

如上海东风泰利福莫尔斯控制系统生产并广泛运用于客车市场的MK3,MK4,MK6,MK8操纵机构其主要部件为铝铸件。

对于七米内的中巴车，较多的是选用钣金件结构的操纵机构，实际情况要根据整个系统的匹配和负载等因素来定。

驾驶员操纵的是操纵杆上的操纵手柄，主要实现换选档动作，纵向操纵手柄为换档动作横向操纵手柄为选档动作。

换档操纵时，选档摇臂不动，换档臂做前后摆动控制换档软轴进行换档。

在选档操纵时，换档臂左右摆动，并通过其他联动机构（如十字轴承）带动选档臂作摆动，从而控制选档软轴选档。

操纵机构就是根据杠杆原理设计的，换档常为一级杠杆，选档是二级杠杆转化。

3.2 软轴
软轴是系统中操纵力和操纵行程的传递介质，系统一般由两根软轴组成，一根用来选档，另一根用来换档，两根软轴的一端连接操纵机构，另一端连接转换机构或直接连在变速箱的变速操纵轴上。

设计有不同的规格的软轴适用于不同的负载场合，一般软轴由里向外是由索芯，衬管，内衬套，绞制钢丝和外套管组成，见下图：
索芯外套管
绞制钢丝
索芯有不同的绕制形式，可在一根粗的中心钢丝上绕制不同捻数的细钢丝，也可在一捻或几捻细钢丝的外层绕制一根或几根扁钢丝，根据不同的使用强度要求，对索芯的结构和外形有不同的要求。

索芯是软轴中的关键部件，是承力部件，所以结构的合理性和强度的选择都很关键。

衬管是热包在索芯的外面，常用材料是HDPE（高密度聚乙烯），主要作用是使索芯能绕制后更为牢固，成为一个整体，同时也使索芯在推拉运动的过程中减少摩擦。

要求热包后表面平整光滑，特别对其外径有严格的要求，外径的控制直接影响到最后软轴的内阻力和传动效率。

内衬套，绞制钢丝和外套管形成一个整体，它要求有一定的柔韧性的，同时也要保证软轴在底盘上布置时，内衬套的孔径不发生很大的变形，绞制钢丝相当于“骨架”，能有效地防止这种变形，内衬套的的孔壁要求光滑平整，使索芯在内衬套内推拉顺畅。

索芯和内衬套的间隙是软轴一个很重要的控制点，间隙过大，会使系统的空行程大，传动效率低。

间隙过小会使摩擦力大。

软轴在安装使用时，其布置的折弯半径和折弯角度都会影响使用的效率和寿命，根据美国Morse（汽车用软轴专业厂家）的研究，推荐使用的最小弯曲半径如下表：（客车上使用30-100软轴系列）
输入力和输出力之间存在以下关系:
输入力=输出力x 折弯率
在使用推荐的最小折弯半径时,折弯率主要受折弯角度的影响,两者之间有如下关系:
3.3 转换机构及附件
转换机构是对变速箱的变速输出花键轴实施直接操控的部件，在系统中主要功能是合理的调整力和行程的大小。

变速箱上的变速控制可设置为双杆输出轴，和单杆输出轴。

对于双杆控制的变速箱，无须单独的转换机构，直接将软轴连接在两个摇臂上即可。

一般摇臂上会设置多个安装孔，用来调整力臂。

在工作中，软轴将是使换选档摇臂在一定角度里的摆动，从而实现档位转换。

我们知道，对于档位是单杆输出轴控制的变速箱，选档时是使输出轴在轴线方向上作直线运动，而换档是使输出轴一定角度里的摆动，
4 软轴式变速操纵系统的选用和安装调试
4.1 软轴式变速操纵系统的选用
对于主机厂的工程师而言，可能更多关注的是如何根据变速箱和操纵系统布置的情况来选定合适的操纵系统，在选型时主要从以下几个方面进行考虑：
1）换选档的行程能否满足使用的要求，使用的要求应该由变
速箱上的相
关参数决
定，对于双
杆变速控制的变速箱，无需转换机构，软轴直接联接在换选档摇臂上。

其行程可以近视地计算为旋转半径乘以旋转角度的正弦
值。

而对于单杆控制的变速箱，就需要转换器将软轴的运
动转换。

我们来举一个简单的例子，档位的形式如下图，
每排档之间的选档行程间隔为8mm,换档的摆角为±12°，
那我们可以按以下公式来校核行程是否满足使用需要。

选档校核公式：L Gearbox Select×I Translator÷ηCable≤L Select
换档校核公式：2×L S hift arm×Sinθ÷ηCable≤L Shift
其中：L Gearbox Select表示变速箱要求的选档行程，在上例中
L Gearbox Select =3×8=24。

I Translator 表示转换器选档的杠杆比，常按输入有效臂长÷
输出有效臂长计算，该值常大于1。

ηCable 表示软轴的行程效率，即软轴在负载的情况下输出端的行程与输入端的行程比，该值是衡量软轴质量的重要参数，常取
0.75-0.85，影响该值的大小除了软轴本身的质量外还和软轴的长度及负载的大小有关。

L Select 表示操纵机构所能实现的选档行程。

L Shift arm×表示换档摇臂的有效臂长。

θ表示变速箱在换档时的单边摆角。

L Shift表示操纵机构所能实现的换档行程。

在此基础上如要计算，操纵手柄的摆角和行程，那就变得很简单了，只要知道操纵机构的换选档杠杆比和换选档的有效力臂长就可以了。

2）换选档的操纵力能否合适，操纵力的大小主要和转换器，操纵机构的杠杆比，变速箱变速操纵的力矩和软轴的操纵力效率有关。

下图表示的是在变速控制操作中，操纵力和行程所传递的路径（当变速箱的变速控制为双杆控制时，转换器部分可省）。

变速箱的变速阻力主要来自齿轮间的摩擦和箱内的复位弹簧。

转换器本身的阻力可忽略不计，软轴不可避免的存在自阻力，而其阻力的大小和软轴的长短及索芯与套管的间隙等均有关系
我们可以按以下公式对操纵力进行估算
F Gearbox X i Bend factor /I Translator X I Shiftunit = F shift knob
其中：F Gearbox 表示变速箱上摇臂的输出阻力，有时变速箱会提供转矩的大小，可以根据实际安装孔的位置来确定有效力臂的长度，从而确定输出阻力的大小。

i Bend factor 即为在3.2 中提到的弯曲率，
I Shiftunit 表示操纵机构的杠杆比（一般在2.5-7），在计算换档和选档杠杆比时要注意，选档为二级杠杆。

F shift knob 表示在操纵手球上的操纵力大小，这是操纵者能直接感受到的力，也是评判操纵性能的一个重要指标（建议设计时不要大于80N）
注：当没有采用转换器时，上述公式中I Translator可省。

4.2轴式变速操纵系统的安装调试
1）系统安装时需注意的几个参数：
操纵机构使用4个M8螺栓固定，拧紧力矩25Nm,变速箱端安装软轴转换器（或摇臂）力矩35Nm。

软轴的折弯半径不要小于200mm，在布置时，软轴必须避开高温部件或采取有效的隔热措施，软轴的工
作极限温度范围是-400至
1000，
在转换器上或变速箱的摇臂
上直接安装软轴时，要注意尽
量使软轴和摇臂的夹角为90
度，这样才会使有效力臂最
大。

2）首次试装时如何确定软轴的长度：用直径12mm的尼龙软管从操纵机构端的软轴安装孔位置布置到变速箱端的软轴
安装摇臂上，尽可能的布置得直，按实际的情况布置，取
下软管测伸直状态的总长度，再在此基础上预留
50-100mm的长度。

3）软轴在哈勃处允许有一定角度的圆锥摆动,在安装和使用使用时不要超过该角度要求,否则会引起不可修复损伤.
4.3软轴式变速操纵系统的故障分析及排除方法
4.3.1 故障现象：倒档（R）或高档（5，6档）挂不上，或挂上后出现跳档现象。

原因分析：1）换选档的行程不够，可能是操纵器本身的行程就不够，所以在设计和选用操纵器时，既要考虑到结构安装的可行性，也要充分考虑与之匹配的变速箱的换选档行程的需要，重新选用合适的操纵机构。

2）在转换机构段没有调
整到合适的位置，假设选
档软轴输入转换机构的
选档行程一定，当选档软
轴固定在三孔的外侧孔
时，V形组合部件转动的
角度会变小，使得选档顶
杆的行程变小，从而导致
高位档或倒档上不去。

3）换选档软轴固定在操纵
器端时，也要考虑孔位选择
的问题，如左图，一般换选
档杆件上有几个选装的孔
位，操纵手柄转动一定的角度时，旋转半径越大，其行程越大。

4.3.2 故障现象：操纵力很重，挂档不顺畅。

原因分析：1）变速箱在低温环境下，箱内的齿轮油黏度较高，齿轮之间的滑移阻力较大，机器需要预热。

或者是选用的齿轮油型号不对，导致齿轮滑移不顺畅。

2）变速箱内的静态换档力过大，根据GB,对于中型车，变速箱的金态换档力不大于500N，以綦江QJ805五档箱为例，不考虑其他摩擦和防尘罩的变形，操纵手柄操纵力最大不超过75N。

3）软轴内的索芯抽动阻力较大，可能是以下几种原因，软轴套管内存有水分，在寒冷地区后低温环境下，结冰了冻住了索芯。

其次可能是在制造软轴时没有控制好索芯和内衬管之间的间隙，软轴在空负载下的阻力也很大。

再有时可能在车身上固定软轴时，固定点过多（一般1000mm有一处固定点即可），而且固定的太紧，使得衬管压迫索芯，增大了抽动索芯时的阻力。

4）在定购软轴时，选用较长的软轴，在布置时只好采用折弯的办法来勉强布置，而增加折弯或折弯半径过小会导致阻力增大。

5）如前文中图所示，在转换器一端相关运动部件的连接角度尽量采用90度，这能获得最大的有效力臂，使得操纵力变小。

6）操纵机构的相关运动部件润滑不够，特别是有的操纵机构采用的是十字球节，时间长了，会润滑性不好，在十字球节的油嘴上加放润滑脂。

4.3.3 故障现象：操纵手柄空行程很大，操纵舒适性欠佳。

原因分析：1）检查系统中的紧固件是否松旷，松旷不仅能消耗部分行程，还会导致档位挂不上。

2）操纵软轴时用了较长时间后，索芯和内衬管之间的间隙会增大，特别是软轴上的球节，球头在球窝里的间隙增大，导致部分行程的消耗。

这时需要考虑更换软轴。

3）操纵机构端，操纵手杆较长，将操纵机构的空行程放大了。

4）操纵机构的部分零件因长期滑动摩擦，间隙量增大。

可以考虑更换操纵机构。

4.3.3 故障现象：档位完全选不上，即挂档失效。

原因分析：1）检查软轴是否与操纵机构或变速箱端因紧固件脱落而松脱。

2）软轴的哈勃处因安装或使用的原因损坏（超出使用的8度），软轴产生不可恢复的失效。

5 客车软轴式变速操纵系统的舒适性评价
目前，对客车软轴式变速操纵系统的舒适性没有统一的定量评价标准，但可以从以下几个主要方面去评估：
1）操纵手柄的位置，操纵手柄的操纵行程范围，以在下图所示
区域内为合适，即靠背向前100mm,以驾驶员正常坐姿H
点为圆心，半径为600mm的园内，手柄的高度在驾驶员座
垫的上方，在转向盘的下方为宜。

2）操纵力适中，由经验丰富的试车员路试一段时间，再来评价操纵力是否合适。

3）有档位感觉，即在挂档时，能通过操纵手柄明显感觉到档位是否已挂上或摘下。

6结束语
客车软轴操纵系统的设计质量的优劣，选用的操纵系统合适与否，将直接影响到操纵者的使用舒适性和变速箱的使用寿命。

本文中提到的是主要要考虑的因素，但不包括全部。

主机厂的工程人员在设计和选用操纵系统时一定要有系统的概念来考虑和评价，不要只将注意力
和侧重点放在局部。

要均衡各设计参数，如操纵力和操纵行程就是一对矛盾，两者之间要做到平衡，才是一个好的设计。

总之，客车软轴操纵系统的设计和应用，要综合考虑来自主机厂，变速箱厂等单位的相关技术数据输入，如客车底盘的类型，底盘上线缆的布置方式，变速箱的档位情况，变速操纵的力矩要求等。

这是一个系统工程，要达到理想的效果，既要有考虑较为全面的理论设计计算，也要结合样车路试，在使用的过程中及时的发现问题，在设计和工艺上作适当的调整，使之更趋合理，以满足最终客户的使用需求。