软轴变速操纵系统的选型设计与验证

张荣瑾

安徽江淮汽车股份有限公司 安徽合肥 230601

1 前言

随着人们生活水平的提高，特别是近几年中国基础设施建设的迅速发展，对重型卡车产品的可靠性、电子控制技术、人性化设计、产品结构精细化、节能减排等方面提出了更高的要求。变速操纵系统的可靠性和舒适性已成为新生代用户对重型卡车的一个重要评价指标[1]。

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，特别是城市短距离运输和恶劣工况下，需要频繁变换挡位和长时间操控。如果变速操纵系统的设计和选用不合理，会使驾驶员换挡困难、操纵沉重或出现掉挡等情况；变速操纵杆及手柄表面处理的色泽和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重型卡车变速操纵系统的评价。

目前大部分重型卡车使用机械式变速操纵机构，机械式操纵系统选换挡力和行程传递结构复杂，并要求各连接杆件有足够的刚性且间隙不能过大，同时装配时要保证装配质量，否则换挡手感不明显，且增加了变速操纵杆颤动的可能。此外，由于车架变形等汽车振动对各杆件的影响较大，不利于驾驶员操纵。因此，考虑采用软轴式变速操纵机构替代机械式操纵机构。

2 软轴式变速操纵系统的组成及优势

软轴式变速操纵系统由变速操纵杆、换挡器总成、选换挡软轴及软轴固定支架组成，如图1所示。当驾驶员操纵变速杆选换挡时，通过换挡器推动或拉动选换挡软轴，即可实现变速器的选换挡。软轴操纵系统不但结构简单、操纵轻便、软轴传递效率高，零件数量少，可靠性好，而且非常容易布置，装调和维修方便，并且不受车架变形及汽车振动的影响[2]。因此，软轴式变速操纵系统在安装布置、调整维护和成本控制方面均具有一定的优势。

3 软轴式变速操纵系统的选型设计

3.1 换挡器总成

换挡器总成是软轴式变速操纵机构的核心部件，其结构合理与否，对系统的选换挡性能、使用寿命和维护成本均产生决定性的影响。

3.1.1 一般要求

换挡器总成的选型需综合考虑驾驶室的总体设计，如驾驶室地板开口尺寸、仪表台和方向盘的位置、软轴的空间走向，如避免与发动机舱的底盘件干涉、选换挡行程满足设计要求等，换挡器总成本身还要满足以下要求：

a. 在满足软轴走向的前提下，换挡器总成的安装高度要尽量低，给发动机舱的底盘件预留更大的布置空间；

b. 换挡器总成选型完成后，应根据GB/T 15705《载货汽车驾驶员操作位置尺寸》的相关规定，充分考虑选换挡力和行程的要求、仪表台和方向盘的空间位置，设计合适的变速操纵杆，以满足人机工程校核[3]。

3.1.2 选型设计

换挡器总成由换挡拨叉、换挡座、选挡摇臂、换挡摇臂、软轴固定座等组成，如图2所示。换挡器总成根据杠杆原理设计，换挡为一级杠杆，选挡为二级杠杆转化；关节轴承采用自润滑结构，降低在选换挡过程中的阻力，使系统选换挡操纵轻便；优化表面处理工艺，采用达克罗处理，增强耐腐蚀性；同时对软轴固定座的开孔进行扩大，可减轻总成的质量；通过优化锁紧螺栓装配工艺，提高工作可靠性强度。具体参数如表1所示。

表 1 换挡器总成技术参数

3.2 选换挡软轴总成

软轴是变速操纵系统中操纵力和行程的传递介质，一般由选挡和换挡两根软轴组成。软轴的一端连接换挡器总成，另一端连接变速器端的选换挡摇臂。

3.2.1 一般要求

软轴总成根据与换挡器总成和变速器端的摇臂匹配，以及系统的整体布置，具体软轴设计需满足以下要求：

a. 确保软轴的强度满足拉脱力的要求；

b. 软轴应长度适中，走向合理，悬挂部位适当布置支撑点，用以减少运动过程中的振动和磨损；

c. 软轴应尽量避开热源，若布置上有困难，务必要在软轴外表面增加隔热护套。

3.2.2 选型设计

选换挡软轴总成包括软轴主体、护套和球头总成等，如图3所示。球头总成分别与换挡器总成和变速箱选换挡摇臂相连；软轴总成为尼龙花键润滑结构，花键型表面有沟槽，可以存留更多的润滑脂，使选换挡阻力小，可以提高软轴的标准效率；球头总成为全包式结构，避免球头内进入杂质引起的功能失效和性能减退。

软轴主体由里向外是由索芯、衬管、内衬套、绞制钢丝和外套管组成，如图4所示。由于该芯轴外表面涂覆了一层尼龙，使得其与护管之间的摩擦力更小、磨损更少而获得较高的负载效率，同时，由于花键型表面有沟槽，可以存留更多的润滑脂，使芯轴能够得到持久充分的润滑。软轴总成具体参数如表2所示。

表 2 软轴总成技术参数

3.3 软轴固定支架

在变速器端，选换挡软轴是通过软轴固定支架连接选换挡摇臂，需要一定的强度，根据底盘布置以及挡位排布的需要，软轴固定支架可以选择一体式，也可以选择分体式，软轴固定支架的结构和强度直接影响软轴的布置和走向。

3.3.1 一般要求

为保证整个系统的可靠性，设计时要注意以下几点：

a. 保证在空挡位置时，软轴保持平直，并且软轴与摇臂应尽量保持垂直，确保软轴推拉过程中作用力矩最大，效率最高[4]；

b. 在安装空间允许的情况下，软轴固定支架应满足强度要求。

3.3.2 选型设计

将支架设计为一体式铸件结构，结构简单且生产一致性好，如图5所示。通过对选换挡软轴固定支架进行CAE分析得出软轴固定支架受力位移最大为1.1 mm，受力位移变小；局部应力集中点为212 MPa，不存在应力集中点，满足强度设计要求，如图6、7所示，安全系数高；且通过结构优化，质量减小为1.77 kg，轻量化效果明显。

表 3 软轴固定支架技术参数

3.4 系统布置

软轴从驾驶室翻转轴后面布置，增加弯曲半径，弯曲率增大，可减小传递阻力；中间每隔1 000 mm设置固定点，可以降低负载和行程损失，提高传递效率；在后悬置处增加支架固定予以约束防止软轴上窜，另通过支架设计将软轴与周围部件间隙控制在70 mm，有效防止软轴通过排气和制动相关附件的热害问题。具体布置如图8所示。

4 试验验证

4.1 主观评价

目前对软轴变速操纵系统没有统一的定量评价标准，根据相关经验，可以从以下几个主要方面进行主观评价，如表4所示。评价项目可以当作数据库用来收集车型的换挡数据，同时也为技术原因的分解和技术改进提供了标准参照。

表 4 主观评价项目

从主观评价反馈结果可以看出，系统整体匹配良好，尤其在选换挡力和行程方面具有很好的控制，但在挡位间隙和挡位回位方面评价结果不是很理想，后期需要优化换挡器总成结构，解决此类问题。

4.2 试验测量

按上述方案设计的变速操纵系统，整车搭载时进行静态参数测量试验、关键部件的台架试验和整车可靠性试验，选换挡力和行程测量数据如表5所示。

表 5 选换挡力和行程测量数据（12挡为例）

通过以上数据对比分析，试验测量值与理论计算值基本一致，符合设计要求，轻便性效果良好。在可靠性试验验证中，也未出现换挡困难、操纵沉重、跳挡、脱挡等故障。该类车型陆续完成了小批量生产并投入市场，通过半年的市场跟踪验证，无一例变速操纵系统问题反馈，用户比较满意。

5 结语

软轴变速操纵系统较传统的杆系操纵系统相比，零件数量少、可靠性好、通用化程度高；传递效率高，操纵轻便。该系统结构可在自卸车、吊车底盘、挂车等车型上应用，并可实现对整车的多样化配置，以满足不同用户的需求。

[1] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2] 刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.

[3] 周一鸣,毛恩荣.车辆人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社,1999.

[4] 《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册设计篇[M]. 北京:人民交通出版社,2001.