輕型卡車軟軸式變操系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

1、輕型卡車軟軸式變速操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算提要：近幾年來，隨著客戶對卡車操縱舒適度要求的提高，如何選用匹配合理的軟軸式變速操縱系統(tǒng)提高整車的可操控性及舒適度，成為了眾多卡車生產(chǎn)廠家關(guān)注的重點(diǎn)。本文介紹了軟軸式變速操縱系統(tǒng)的部件及功能，并舉例介紹了軟軸式變速操縱系統(tǒng)在整車上的設(shè)計(jì)及計(jì)算方法。關(guān)鍵詞：軟軸式變速操縱系統(tǒng) 選換檔力 選換檔行程 效率前言 我國的卡車技術(shù)堅(jiān)持技術(shù)引進(jìn)和自主開發(fā)相結(jié)合的方針發(fā)展到今天，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，隨著人們生活水平的提高，特別是近幾年汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，對卡車，尤其是輕型卡車的操控性，舒適性，安全性等方面提出了更高的要求。變速操縱的可靠性和舒適性已成為人們對卡車的一個(gè)

2、重要評價(jià)指標(biāo)。1 軟軸式變速操縱系統(tǒng)的重要性及其優(yōu)勢駕駛過程中，駕駛員主要是通過轉(zhuǎn)向，變速控制，制動，離合，加速等動作來實(shí)現(xiàn)車輛在道路上的行進(jìn)。很顯然，變速控制是在對車輛控制過程中出現(xiàn)頻率較高的動作。對于輕型卡車主要用于長短途的運(yùn)輸，如果變速操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不合理，會使駕駛員換檔困難，操縱沉重或出現(xiàn)掉檔等情況，直接影響到人們對卡車的評價(jià)。變速操縱系統(tǒng)是通過操縱器及軟軸或硬桿連接到變速器的選換檔搖臂上，利用杠桿原理，來傳遞駕駛員的變速換擋動作，操縱變速器進(jìn)行擋位變換，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)動力按不同擋位進(jìn)行傳遞。變速操縱系統(tǒng)分為硬桿和軟軸操縱。軟軸操縱與桿式操縱機(jī)構(gòu)相比，其具有重量輕、布置靈活、安裝簡便、

3、更換容易和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著各汽車廠車型更新?lián)Q代的周期越來越短,采用軟軸則正好可以滿足這些日益苛刻的要求，它更適合于專業(yè)化大批量生產(chǎn),因此具有良好的發(fā)展前景。2 軟軸式變速操縱系統(tǒng)的組成及各部件的功能以現(xiàn)南京依維柯輕卡采用軟軸變速操縱系統(tǒng)為例1） 操縱機(jī)構(gòu)操縱機(jī)構(gòu)是操縱系統(tǒng)中關(guān)鍵的部件，安裝在駕駛區(qū)域，它一般由支座，換檔臂和選檔搖臂等主要零件組成。常見的支座有鋁鑄件，鋼鑄件或鈑金件。它對整個(gè)機(jī)構(gòu)起基礎(chǔ)支撐作用，同時(shí)也是操縱機(jī)構(gòu)與駕駛室地板的連接件。實(shí)際情況要根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的匹配和負(fù)載等因素來定。駕駛員操縱的是操縱桿上的操縱手柄，主要實(shí)現(xiàn)換選檔動作，縱向操縱手柄為換檔動作橫向操縱手柄為選檔動作

4、。圖1躍進(jìn)輕卡操縱機(jī)構(gòu) 換檔操縱時(shí)，選檔搖臂不動，換檔臂做前后擺動控制換檔軟軸進(jìn)行換檔。在選檔操縱時(shí)，換檔臂左右擺動，并通過其他聯(lián)動機(jī)構(gòu)（如十字軸承）帶動選檔臂作擺動，從而控制選檔軟軸選檔。 操縱機(jī)構(gòu)就是根據(jù)杠桿原理設(shè)計(jì)的，換檔常為一級杠桿，選檔是二級杠桿轉(zhuǎn)化。2） 軟軸軟軸是系統(tǒng)中操縱力和操縱行程的傳遞介質(zhì)，系統(tǒng)一般由兩根軟軸組成，一根用來選檔，另一根用來換檔，兩根軟軸的一端連接操縱機(jī)構(gòu)，另一端連接轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)或直接連在變速箱的變速操縱軸上。推拉軟軸是由芯線總成和外管總成及其他附件組成(圖示2).它的芯線是由多股鋼絲構(gòu)成,是傳力構(gòu)件,有的芯線外面還纏有一層鋼帶,以提高芯線的承載能力.芯線外面是工

5、程塑料管,為芯線的運(yùn)動起導(dǎo)向作用.再外層是由多股鋼絲纏繞而成的外管和起保護(hù)作用的外皮. 圖2索芯有不同的繞制形式，可在一根粗的中心鋼絲上繞制不同捻數(shù)的細(xì)鋼絲，也可在一捻或幾捻細(xì)鋼絲的外層繞制一根或幾根扁鋼絲，根據(jù)不同的使用強(qiáng)度要求，對索芯的結(jié)構(gòu)和外形有不同的要求。索芯是軟軸中的關(guān)鍵部件，是承力部件，所以結(jié)構(gòu)的合理性和強(qiáng)度的選擇都很關(guān)鍵。襯管是熱包在索芯的外面，常用材料是HDPE，主要作用是使索芯能繞制后更為牢固，成為一個(gè)整體，同時(shí)也使索芯在推拉運(yùn)動的過程中減少摩擦。要求熱包后表面平整光滑，特別對其外徑有嚴(yán)格的要求，外徑的控制直接影響到最后軟軸的內(nèi)阻力和傳動效率。內(nèi)襯套，絞制鋼絲和外套管形成一個(gè)

6、整體，它要求有一定的柔韌性的，同時(shí)也要保證軟軸在底盤上布置時(shí)，內(nèi)襯套的孔徑不發(fā)生很大的變形，絞制鋼絲相當(dāng)于“骨架”，能有效地防治這種變形，內(nèi)襯套的的孔壁要求光滑平整，使索芯在內(nèi)襯套內(nèi)推拉順暢。索芯和內(nèi)襯套的間隙是軟軸一個(gè)很重要的控制點(diǎn)，間隙過大，會使系統(tǒng)的空行程大，傳動效率低。間隙過小會使摩擦力大軟軸的索芯和套管的間隙、索芯表面減摩材料及內(nèi)充潤滑油脂、輸入力、輸出力、長度(L一(L1+L2)和總彎曲度，對索的行程效率、載荷效率和使用壽命有較大的影響。我國鋼絲材料與國外相比有一定差距,為彌補(bǔ)這一不足,在設(shè)計(jì)選型上適當(dāng)加粗了芯線的直徑,并對芯線總成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),在鋼絲繩的外面纏繞了一層扁鋼帶,

7、以提高其承載能力。同時(shí)對芯線采取冷軋工藝,既降低了芯線表面度,也提高了芯線的強(qiáng)度。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)確定了軟軸芯線兩端的壓緊負(fù)荷。壓緊負(fù)荷太大會導(dǎo)致鋼絲在壓嵌過程中受損，使用中造成疲勞斷裂；而壓緊負(fù)荷過小則在使用中會造成芯線與接頭拉脫。因此需不斷改進(jìn)軟軸結(jié)構(gòu)，工藝，提高軟軸壽命和效率。3）選換擋支架選換擋支架是固定軟軸與變速器選換檔搖臂的連接，軟軸一端與變速器的選換檔搖臂相連，通過支架將拉絲導(dǎo)向管伸縮的部分在護(hù)管接頭處與支架固定，通常有金屬鎖片和螺栓固定兩種方式。如圖3和4圖3 金屬鎖片固定方式 圖4 螺栓固定方式a、金屬鎖片固定方式優(yōu)點(diǎn)：安裝方便，拉絲支架簡單；缺點(diǎn)：卡簧或鎖片質(zhì)量不好，在選換檔力

8、大時(shí)，易失效，銷售曾反映此問題。b、螺栓固定方式優(yōu)點(diǎn)：固定牢固，拉脫力好；缺點(diǎn)：選換檔支架較為復(fù)雜，拉絲安裝空間要求較高。選換擋支架通常在變速器或離合器殼體上尋找有效固定點(diǎn)，支架型式不定，只需保證足夠的剛度，拉絲推拉時(shí)不變形，能有效地傳遞拉絲行程和負(fù)載效率。通常支架厚度為34mm，剛度滿足條件下輕量化、簡單化。有的選換檔支架單獨(dú)分開，有的合在一起，為防止生銹，支架通常為鍍鋅件。圖5為目前采用的幾種選換擋拉絲支架總成結(jié)構(gòu)方式。圖5 選換檔拉絲支架總成4）駕駛室內(nèi)塑料組件駕駛室內(nèi)與換擋相關(guān)的塑料組件分為三個(gè)部分：換擋桿蓋、換擋桿套、手柄球頭。如圖6示a、 換擋桿蓋固定在操縱機(jī)構(gòu)支座上，與手剎罩殼和

9、駕駛室地毯緊密貼合。造型流暢，保證操縱機(jī)構(gòu)選換檔搖臂的運(yùn)動空間。顏色、皮紋與駕駛室內(nèi)飾統(tǒng)一。b、 換擋桿套下端固定在換擋桿蓋上，上端卡在操縱桿上。形狀分為單層皮革（如圖6示）和波紋狀（圖7示），材料為PVC。換擋桿套與卡扣合在一起，固定在換擋桿蓋上。主要起到防止灰塵進(jìn)入操縱機(jī)構(gòu)，而造成效率損失。波紋狀的換擋桿套根據(jù)塑料皮革的硬度還能起到一定阻尼的作用。圖7 波紋狀換擋桿套C、手柄球頭 固定在操縱桿的頂端，上面標(biāo)有檔位指示，便于駕駛員操縱。手柄球頭固定方式有螺紋固定和卡槽固定兩種。手柄球頭內(nèi)部有螺紋便于裝拆，但對手柄旋到底正好檔位處于正確指示的位置要求較高?？ú酃潭芎芎玫亩ㄎ坏焕诓鹦?。手柄

10、球頭要求造型美觀，線條流暢，符合人手握感。手柄主體材料為PVC+ ABS,檔位標(biāo)識材料為滴塑層鋁板。檔位順序雖然沒有明確統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但習(xí)慣性將低檔區(qū)放置左邊，高檔區(qū)置于右邊，奇數(shù)檔和偶數(shù)檔分別在前或后。如圖8示輕卡采用的手柄球頭。圖8 手柄球頭3 軟軸式變速操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程1） 首先確定合適的選換檔比。選換檔比大則力小，所需行程大；選換檔比小則力大，運(yùn)動行程小。通常根據(jù)人體工程學(xué)，以駕駛室內(nèi)手柄換檔向前離儀表臺還具有“一拳”距離為宜，手柄高度不宜過高，以坐姿人手自然下垂到扶手的高度即可，選檔行程往駕駛員這邊時(shí)應(yīng)不超過座椅邊，換擋向后時(shí)不能出現(xiàn)打手的情況。駕駛室內(nèi)的操縱器選換檔比一旦定下來，不輕易

11、更改?，F(xiàn)在輕卡采用的操縱器選換擋比為換擋3.355，選檔3.08。采用軟軸操縱則整個(gè)變速操縱的選換檔比為操縱器的選換檔比與變速器的選換檔比之乘積。變速器的選換比為選換檔搖臂與內(nèi)部撥叉臂長度之比，需要變速器廠家提供選、換檔的力矩。一般系統(tǒng)的換檔比在7.58左右，選檔比在5.56左右。2） 確定拉絲結(jié)構(gòu)及固定長度拉絲現(xiàn)在分為螺栓式式和插片式。一般根據(jù)拉絲結(jié)構(gòu)的需要，通常拉絲固定點(diǎn)到選換擋搖臂的距離在160280mm之間。拉絲的選換檔效率由廠家提供，不得低于國家和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。3） 確定拉絲有效行程及布置拉絲走向和長度根據(jù)變速器搖臂的長度及擺動角度，來確定行程，注意要將拉絲的行程效率計(jì)算進(jìn)去。根據(jù)

12、整車布置給出的變速器與發(fā)動機(jī)連接的點(diǎn)坐標(biāo)，布置拉絲走向，盡可能短，不要與周圍部件干涉，測量出長度。4） 確定手柄球檔位圖 根據(jù)變速器各檔位的方向及操縱器搖臂擺動方向，確定手柄上的檔位圖。如不是順檔，通常通過調(diào)整變速器上的選換檔臂方向來實(shí)現(xiàn)。5） 設(shè)計(jì)選換擋支架 根據(jù)拉絲固定方式來設(shè)計(jì)支架，支架安裝孔位一般在變速器上或離合器殼上。支架主要在保證剛度的前提下盡可能簡化。4 軟軸變速操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算以NJ1042DBFZ為例，匹配六合變速器廠的17H26變速器和寧波軟軸軟管廠生產(chǎn)1703NJ300-040拉絲。廠家提供的數(shù)據(jù)如下：選檔力矩：2、3檔到1、R檔或2、3檔到4、5檔力矩為3.15Nm；換

13、擋力矩：6.65Nm拉絲有效行程及效率：選檔的有效行程不小于60mm，換檔的有效行程不小于90mm；在模擬實(shí)際裝車狀態(tài)下，拉絲的行程效率不小于85，負(fù)載效率不小于80%。1)傳動比操縱器的選檔比=3.08，換檔比=3.355變速器內(nèi)部撥叉臂長度：選檔38mm,換檔40mm (廠家提供)變速器外部搖臂長度： 選檔70mm,換擋95mm（變速器通用狀態(tài)）變速器的選檔比=1.842，換擋比=2.375系統(tǒng)選檔傳動比：ix=3.081.842=5.67系統(tǒng)換檔傳動比：ih=3.3552.375=7.968符合系統(tǒng)傳動比的要求。2） 操縱力計(jì)算A、選檔力選檔搖臂力臂長：L1=70mm F=F1R/45=

14、3.15/0.07=45N Mx-選檔力矩（參數(shù)見上面） 圖9 選檔受力分析及行程校核圖 F=根據(jù)選檔受力分析及行程校核圖（如圖9所示）可得:1R=100.7 45=80因此：F1R=45/cos(100.7-90)=45.8NF45=45/cos(80-90)=45.7N取拉絲的負(fù)載效率=80%，球節(jié)處的效率1=98%整個(gè)選檔機(jī)構(gòu)的負(fù)載效率為：11=80%98%98%=76.832%因此，變操手柄處的選檔力為（不考慮扭簧時(shí)）：FS12=45.8/(76.832%3.08)=19.35NFS45=45.7/(76.832%3.08)=19.31N該操縱器選檔軸上加裝了扭簧：如下圖10 圖10

15、扭簧參數(shù)尺寸圖彈簧常數(shù)：以k表示當(dāng)彈簧被扭轉(zhuǎn)時(shí)，每增加1扭轉(zhuǎn)角的負(fù)荷 彈簧常數(shù)公式（單位：kgf/mm）:K=E=線材之鋼性模數(shù)：琴鋼絲E=21000,不銹鋼絲E=19400,磷青銅線E=11200,黃銅線E=11200d=線徑Do=OD=外徑 Di=ID=內(nèi)徑 Dm=MD=中徑=Do-dN=總?cè)?shù)L =負(fù)荷作用的力臂=3.1416我們采用扭簧為琴鋼絲，N=5，d=2.9mm，L選=231mm K=0.014kgf/mm=0.0149.8=0.137N/mm變速器選檔搖臂擺動角度為10.4O，行程為19mm，拉絲行程效率=85% 整個(gè)選檔機(jī)構(gòu)的行程效率為： 11=85%98%98%=81.63

16、4%則操縱器的選檔搖臂行程上下為=23.27mm，手柄上1.R或4、5選檔行程為23.273.08=71.67mm則扭簧力為0.13771.67=9.85N手柄處最終選檔力為：FS12=19.35+9.85=29.2N FS45=19.31+9.85=29.16N B、換檔力換檔臂力臂長：L2=95mm 換檔力 FH= FH=70N整個(gè)換檔機(jī)構(gòu)的負(fù)載效率為：11=80%98%98%=76.832%因此，變操手柄處的換檔力為：FSH)=70/(76.832%3.355)=27.16N注意若由于拉絲布置導(dǎo)致行程效率、負(fù)載效率損失的話，則手柄上的力還會增大。C、行程校核（1）選檔行程根據(jù)選檔行程校核

17、圖9可得，選檔所需的行程為LX=37.8mm 取選檔拉絲的有效行程為60mm行程效率=85% 整個(gè)選檔機(jī)構(gòu)的行程效率為：11=85%98%98%=81.634%因?yàn)?6081.634%=49mm37.8mm 所以選檔拉絲及整個(gè)選檔機(jī)構(gòu)的行程 可以滿足要求。（2）換檔行程從空檔位置到換檔到位，外換檔臂的擺動角度為14.8（廠家提供）(如圖11所示) 因此，換檔所需的最小行程約為 圖11 變速器換擋搖臂行程LH=295sin14.8=48.5mm 取換檔拉絲的有效行程為90mm 行程效率=85% 整個(gè)換檔機(jī)構(gòu)的行程效率為：11=85%98%98%=81.634%因?yàn)?9081.634%=73.47

18、mm48.5mm所以換檔拉絲及整個(gè)換檔機(jī)構(gòu)的行程也是滿足要求的。（3）手柄上的總行程 選檔總行程=37.83.08=116.4mm；換擋總行程=48.53.355=162.7mm滿足操縱器選換檔行程的范圍。5 變速操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要集中以下幾個(gè)方面：（1）軟軸走向合理，盡可能與排氣管不在同側(cè)，而與操縱器同側(cè)布置；（2）檔位變化（操縱手柄標(biāo)識）主要由變速器決定，通常按照國際順檔布置檔位，來調(diào)整選換擋搖臂的方向。也就是低速檔朝左，高速檔超右（針對國內(nèi)方向盤左置，反之則相反）。（3）需注意選換檔支架設(shè)計(jì)是否會與變速器殼體等其他零部件發(fā)生干涉，保證支架剛度； 軟軸變速操縱系統(tǒng)中最重要的零部件就是軟軸。軟軸的結(jié)構(gòu)及布置直接影響著軟軸的使用性能。為了提高變速軟軸的工作效率、延長使用壽命，在設(shè)計(jì)時(shí)，需注意如下事項(xiàng)： (1) 根據(jù)實(shí)際需要選用設(shè)計(jì)正確型號、類型的變速軟軸，保證滿足強(qiáng)度大于拉脫力和拉斷力的要求。 (2) 根據(jù)具體的應(yīng)用情況，確定變速軟軸的長度。長度要適中；若過短，安裝時(shí)易與其他件發(fā)生干涉；若過長，將降低軟軸的行程效率和載荷效率。 (3) 強(qiáng)調(diào)變速軟軸與所選操縱機(jī)構(gòu)的匹配性，保證軟軸使用過程中的拉桿擺角在設(shè)計(jì)范圍(一般為8)內(nèi)。(4) 設(shè)計(jì)時(shí)彎曲半徑?jīng)Q不可以小于小于軟軸生產(chǎn)廠家所規(guī)定的最小允許彎曲半徑，并且，總彎曲度越小越好。圖12 減小擺角