影响城市环卫车匹配变速器的情况分析

张 翔

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

影响城市环卫车匹配变速器的情况分析

张 翔

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

城市垃圾车又称环卫车，是一种专用车与普通汽车的区别主要是改装了具有专用功能的上装部分，能完成某些特殊运输和作业功能。其中变速操纵是否轻便，取力器工作是否可靠，驾驶员对此十分敏感，设计好上述系统对城市环卫车是非常重要的。文章从离合、离合管路、变速器、变速操纵及取力器管路5个方面分析了城市环卫车匹配变速箱的情况分析，并针对各个影响因素提出改进方法，提出了可行的评价操控性能的优劣方法。在设计过程中，以上5个方面是逐一排查匹配变速箱的关键要素，并通过反复的主观评价和逐步优化，可以取得良好的效果。

汽车；换挡；离合器；离合管路；变速器；变速操纵；取力器管路

CLC NO.:U463.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-41-05

引言

随着社会的发展和驾驶员年轻化，80、90的驾驶员越来越注重商用车“乘用车化设计”的感受。我国目前城市发展迅猛，使用的城市环卫车绝大多数为手动变速器。变速器由于换挡、取力工作频繁，驾驶员对于换挡操纵是否舒适，取力器工作是否可靠都十分敏感，此项性能直接影响到驾驶员对车型的评价。针对手动挡变速器匹配的问题，文章从选换挡、取力器工作等相关的各个系统进行分析，提出问题的症结所在和改善措施，并根据设计经验提出参数优化经验值。

1、换挡困难的影响因素及改进方法

1.1 离合器

离合器和离合器操纵系统示意图，如图1所示。

1.1.1 离合器后备系数

离合器的后备系数(β)是离合器所能传递的最大静摩擦力矩与发动机最大转矩之比，离合器的后备系数必须大于1。β不足会导致车辆正常行驶时离合器打滑，车辆加速缓慢，

车速提升速度与发动机转速提升速度失调。此时摩擦片、压盘及飞轮之间过度滑摩产生大量的热量，严重时会导致离合器完全烧蚀，丧失分离和接合功能，车辆无法换挡。

根据汽车设计的标准，乘用车的 一般取β值1.2～1．75。家庭用轿车的β可相对选取小些，而商务车型及小型客货车的β应相对大些。由于受目前国内路况、国产零部件精度、国产离合器高温时产生的压盘预形变而带来的结合不均匀、车辆使用情况以及驾驶员水平的影响，离合器的实际后备系数将小于理论设计值。建议在设计垃圾车后备系数时，根据实际情况增加一个传动系统效率损失系数(η)，η一般取0．9(经验值)。

1.1.2 离合器滑磨功

离合器的滑磨功是汽车起步时离合器接合一次所产生的总热量，而单位面积滑磨功则是指离合器接合一次单位面积摩擦片上产生的热量。单位面积滑磨功体现了离合器工作时的热量释放情况，该值应越小越好。此时需根据滑磨功的计算值合理地选择摩擦材料，保证其性能和寿命满足车辆使用要求。此外在空间允许的情况下，可考虑适当增大离合器摩擦片的尺寸来减小单位面积滑磨功。

1.1.3 离合器压盘温升

离合器压盘温升是指离合器接合一次压盘温度升高值，它体现出离合器的散热性能，该值应越小越好。压盘温升过大会导致离合器散热不及时，同样会造成离合器烧蚀故障，丧失分离和接合功能，车辆无法换挡。为了使每次接合的温升不致过高，压盘应具有足够大的质量以吸收热量；为了保证在受热情况下不致翘曲变形，压盘应具有足够大的刚度且一般都较厚。此外，压盘的结构设计还应注意其通风冷却要好，例如在压盘体内铸出导风槽或改变压盘平面内凹角度使高温时压盘形变能增加接合面积。

1.1.4 摩擦材料的选择

各种摩擦片具有各自特定的使用温度、耐磨性能、抗压能力和摩擦因数，摩擦材料的好坏直接影响到离合器的寿命，同时也影响着离合器的成本。根据计算出的后备系数和滑磨功等值，选择适合的摩擦材料，达到性能和成本的平衡。

1.1.5 离合器从动盘轴向压缩量的设计

离合器从动盘轴向压缩量是指从动盘自由状态和压紧状态下厚度的差值，它由从动盘的波形弹簧产生，用于缓冲离合器快速接合时产生的动载荷， 轴向压缩量过小会导致换挡松，离合时车辆前后抖动， 同时会有摩擦片破损的隐患。轴向压缩量过大则会导致离合器分离行程不足，离合器无法彻底分离，车辆挂不上挡。

1.2 离合操纵系统

液压离合操纵机构主要由主泵、分泵、油管、拨叉、分离轴承和离合踏板等组成。

1.2.1 离合主、分泵效率低

离合主、分泵效率分为力效率和行程效率。泵的力效率过低会导致离合踏板力偏大，影响操作舒适性。泵的行程效率过低则会导致离合器分离点偏低。在设定了分离点位置和分离力之后，想要降低离合器分离力和增大离合器压盘升程，就必须要提高主、分泵系统的行程效率和力效率。影响离合主、分泵效率的因素主要有缸体内壁圆度和粗糙度；皮碗的形状和加工精度；缸体内壁与皮碗的配合公差等。通过使用铸铝结构缸体提高缸体的加工精度、提高皮碗的精度以及优化缸体内壁与皮碗的配合公差等方法，可以有效地提高主、分泵系统的效率。

离合踏板分离点行程可用式(1)计算：

式中：S——踏板实际分离点行程，mm；

S——分离点时分离轴承的行程，mm；

I1——拨叉杠杆比；

I2——液压助力比；

I3——踏板杠杆比；

μ——主、分泵系统行程效率；

So——踏板空行程，mm。

离合踏板分离力可用式(2)进行计算：

式中：F——最大离合踏板力，N：

f——离合器分离指的最大分离力，N；

η——主、分泵系统力效率。

1.2.2 分离轴承破损或卡滞

离合系统的分离轴承直接承受着离合器的分离力，当离合器分离指不平或者离合器烧蚀、环境温度过高时就易造成分离轴承破损，从而产生异响故障。此外，分离轴承本身的卡滞故障会导致离合器分离指异常磨损，产生异响，严重时会造成分离指折断，顾分离轴承关键部位的精度设计是尤为重要的。

1.2.3 离合操纵机构润滑差

离合操纵机构需要使用润滑脂减小其摩擦损耗。不加润滑脂或是润滑脂选用不当会导致分离轴承卡滞、踏板力偏大

及离合踏板回位缓慢或不回位故障。同时缺少润滑脂的操纵机构也会产生异响故障。分离轴承内圈、拨又球窝、拨叉头、分泵推杆以及离合踏板助力弹簧等处都需要涂抹适量的油脂，过量的油脂甩到摩擦片上会导致离合器烧蚀。

1.2.4 离合踏板助力和回位力不合适

为减轻驾驶员踩踏板的操作力，离合踏板需增加助力弹簧， 同时为保证离合踏板在离合器接合后快速回位，该弹簧同时需具备回位弹簧功能。离合踏板回位力选择不当将导致踏板回位缓慢、甚至不回位故障。同时回位力选择不当也可能造成踏板力过大，影响驾驶舒适性。最大助力点应当尽量靠近离合器压盘最大分离力点，以便保持离合踏板操作轻便。助力和回位力变换点应放在离合器接合点之后， 以便离合器接合后踏板快速回位，减小半接合时间。

1.2.5 优化踏板行程和分离点位置

离合踏板的分离点位置和分离力直接影响了驾驶员的操纵舒适性，一般要求专用车保持在(100±10)N的范围内。专用车的后备行程(总行程一分离点行程)需控制在(35±5)mm范围内。图2示为我公司现研发垃圾车最佳离合器踏板行程和力的曲线图。

表1 离合踏板曲线图关键点解释

1.3 变速器

变速器、同步器和选换挡机构，如图3、图4所示。

1.3.1 同步器性能

在手动机械式变速器中，为实现换挡操作迅速轻便无冲击，有利于提高汽车的动力性和燃料经济性，在各挡位中多采用同步器来实现换挡操作。同步器中同步环的同步容量是衡量同步器性能的重要参数。同步容量满足设计要求，可以很容易的进挡，挂挡时间短，反之如果同步容量不足，就需要更长的时间使被挂入挡位齿轮和同步器齿套实现同步。同步器结构图，如图4所示。

可以通过提高同步性能进行改进。试验证明，单锥环摩擦因数平均在0．1左右；双锥环的摩擦因数平均为0．17，比相同大小的单锥提高了70%；三锥同步器齿环使摩擦面数目增加到了3个，从而进一步增大了摩擦力矩，与相同大小的单锥齿环和双锥齿环相比，具有更大同步扭矩／容量，进一步减小换挡力。试验证明，双锥环摩擦因数平均在0．17

左右，三锥环的摩擦因数平均为0．24，比相同大小双锥的提高了40%。图5～ 图7示单锥环、双锥环及三锥环摩擦因数试验曲线。

1.3.2 选换挡机构的设计

变速器内部通过换挡轴→换挡拨头→拨叉轴→拨叉进行换挡， 并通过回位扭簧来实现选挡阻力。运动传递路线中配合公差和尺寸链是否合适，回位扭簧力的大小等，最终反映到驾驶者的选换挡力是否合适。

1.4 换挡操纵系统

变速器的换挡操纵系统结构示意图，如图8所示。

1.4.1 选换挡软轴运动不畅

软轴的作用就是作为媒介将驾驶员给操纵机构的换挡动作传递给变速器，以实现换挡。导致软轴运动不畅的主要原因有：软轴芯轴和护管的润滑不良，软轴芯轴和护管配合间隙过小或过大，软轴走向过于曲折。要求软轴最好选用花键自润滑式芯轴并保证芯轴与护管的间隙在0.5mm左右，软轴走向应尽量减小大角度的弯曲，弯曲角度不得小于200mm。

1.4.2 换挡器总成运动状态不良

换挡器总成运动不良的原因主要有：换挡器总成本身由于可靠性较差，运动件磨损导致间隙过大引起的选换挡沉重或失效；润滑不当引起的卡滞现象；换挡器不符合人机工程学引起的选换挡沉重或挂档不清。

1.4.3 选换挡软轴固定支架设计不当

选换挡软轴固定支架的质量和固定“U”型螺栓孔的角度对使用软轴操纵的变速器的换挡力影响很大，很多情况都是由于支架的设计不合理（或因模块化统一借用的关系导致匹配状态不理想）而引起的选挡困难、挂挡沉重。目前来说，进口软轴的质量要比一般的国产软轴强很多，但是价格也比国产软轴高出许多倍。只要布置合理，一般的软轴都是可以满足使用要求的。笔者最近处理的一批换挡沉重的专用车，就是由于支架固定处与软轴匹配不合理造成选换挡卡滞，最终导致软轴内部断裂的情况。如图9、图10所示。

1.5 取力器管路装置

1.5.1 轴承损坏和油封漏油

1)取力器的转速非常高，采用的又是飞溅润滑方式，润滑不均匀必然会加重摩擦生热。在润滑和散热不良的双重因素作用下，使取力器高温，轴承与油封损坏。2)取力器进灰。进灰使润滑油变质、润滑不良，加重摩擦生热，如果发现不及时，会加速取力器各部件的损坏。

1.5.2 连接齿轮损坏

我公司目前开发的城市垃圾车匹配的都是法士特和东风变速箱，由气动电磁阀控制取力器挂挡，设计中要注意不要因气路漏气或电磁阀故障造成取力器挂挡不到位，导致取力器打齿，齿轮异常磨损或失效。

1.5.3 输出轴倾斜角度

输出轴连接部件变形是反复的挂挡冲击造成的，我公司开发垃圾车取力器有两种，分别是花键式和传动轴式，其中传动轴式连接需要注意传动轴匹配角度不宜过大，一般情况下小于6º。

1.5.4 防挂不上档

1)气压不足。气压低于工作压力，在设计中应注意电磁气阀前、后气管走向平顺且供气筒压力高于工作气压。2）控制系统故障。当传动机构的齿轮啮合不良、拨叉与推杆连接螺栓松动时，取力器会出现异常声响。同时注意润滑油加注情况，一般情况下取力器加注润滑油与变速器一体在变速器上顶盖加注（少数情况需要单独加注）。

2、评价

垃圾车变速器选换挡操纵过程是否平顺、换挡是否精准、取力器工作是否可靠，不仅影响垃圾车的使用性能，同时也关系到行车安全。目前对上述三项操作尚无定量，因此推荐检测人员和有经验的驾驶员对变速器安装在整车上的各项操作性能进行仪器测量和主观感受评价，来模拟客户的需求，直到“客户”满意为止。具体评价可参照表2我公司开发的

垃圾车选换挡测量数据和表3主观评价项。

表2 垃圾车选换挡力及行程测量值

表3 主观评价项

3、结论

正常挂档、行驶、取力是垃圾车的基本功能，而能保证舒适顺畅的挂档，柔和平稳的起步等对驾驶者的影响很大。从企业发展专用车的角度来看，对垃圾车的变速器匹配需要从多角度考虑，对评价不高的垃圾车进行优化。

文章对垃圾车匹配变速器设计进行系统的分析，明确了设计关键要素，并指出了各个要素应该予以重视的关键点。主观评价接近使用客户感受，是“服务销车”最切实有效的设计出发点。

[1] 刘惟信。汽车设计[M]。清华大学出版社，2001.

[2] 陈荣林。机械设计应用手册[M]。北京科学技术文献出版社，1995.

[3] 藏杰、阎岩。汽车构造[M]。机械工业出版社，2008.

The impact of urban sanitation trucks matching transmission analysis

Zhang Xiang
（Anhui Jiang Huai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

City garbage truck called sanitation trucks, is the difference between a carand the car is modified with part has a special function, can accomplish some specialtransportation and operation function. The speed control is light, PTO work is reliable,the driver is very sensitive to this, good design of the system is very important to thecity environmental sanitation vehicle. Analysis from the 5 aspects of the clutch, clutch,transmission line, transmission and power take-off line analysis of city sanitation truckgearbox of the match situation, and put forward the improvement method in view ofvarious factors, the quality evaluation of control performance and feasible. In the design process, these 5 aspects are the key elements one by one investigationgearbox of the match, and the subjective evaluation of repeated and gradually optimized, can achieve good effect.

automobile; shift; clutch; clutch line; transmission; variable speed control; pipelinePTO

U463.2

A

1671-7988(2014)12-41-05

张翔，助理工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司商用车研究院，从事离合器、变速箱及选换挡操纵布置等工作。