轻型卡车软轴式变操系统的设计与计算.docx

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轻型卡车软轴式变操系统的设计与计算

轻型卡车软轴式变速操纵系统的设计与计算

南京依维柯汽车有限公司郑平

提要：

近几年来，随着客户对卡车操纵舒适度要求的提高，如何选用匹配合理的软轴式变速操纵系统提高整车的可操控性及舒适度，成为了众多卡车生产厂家关注的重点。

本文介绍了软轴式变速操纵系统的部件及功能，并举例介绍了软轴式变速操纵系统在整车上的设计及计算方法。

关键词：

软轴式变速操纵系统选换档力选换档行程效率

前言

我国的卡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，特别是近几年汽车行业的迅速发展，对卡车，尤其是轻型卡车的操控性，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卡车的一个重要评价指标。

1软轴式变速操纵系统的重要性及其优势

驾驶过程中，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。

对于轻型卡车主要用于长短途的运输，如果变速操纵系统的设计不合理，会使驾驶员换档困难，操纵沉重或出现掉档等情况，直接影响到人们对卡车的评价。

变速操纵系统是通过操纵器及软轴或硬杆连接到变速器的选换档摇臂上，利用杠杆原理，来传递驾驶员的变速换挡动作，操纵变速器进行挡位变换，从而实现发动机动力按不同挡位进行传递。

变速操纵系统分为硬杆和软轴操纵。

软轴操纵与杆式操纵机构相比，其具有重量轻、布置灵活、安装简便、更换容易和维护成本低等优点。

随着各汽车厂车型更新换代的周期越来越短,采用软轴则正好可以满足这些日益苛刻的要求，它更适合于专业化大批量生产,因此具有良好的发展前景。

2软轴式变速操纵系统的组成及各部件的功能

以现南京依维柯轻卡采用软轴变速操纵系统为例

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驾驶室地板的连接件。

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。

图1跃进轻卡操纵机构换档操纵时，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。

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。

推拉软轴是由芯线总成和外管总成及其他附件组成（图示2）.它的芯线是由多股钢丝构成,是传力构件,有的芯线外面还缠有一层钢带,以提高芯线的承载能力.芯线外面是工程塑料管,为芯线的运动起导向作用.再外层是由多股钢丝缠绕而成的外管和起保护作用的外皮.

图2

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，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”，能有效地防治这种变形，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

软轴的索芯和套管的间隙、索芯表面减摩材料及内充润滑油脂、输入力、输出力、长度（L一（L1+L2））和总弯曲度，对索的行程效率、载荷效率和使用寿命有较大的影响。

我国钢丝材料与国外相比有一定差距,为弥补这一不足,在设计选型上适当加粗了芯线的直径,并对芯线总成的结构进行了改进,在钢丝绳的外面缠绕了一层扁钢带,以提高其承载能力。

同时对芯线采取冷轧工艺,既降低了芯线表面度,也提高了芯线的强度。

经过反复试验确定了软轴芯线两端的压紧负荷。

压紧负荷太大会导致钢丝在压嵌过程中受损，使用中造成疲劳断裂；而压紧负荷过小则在使用中会造成芯线与接头拉脱。

因此需不断改进软轴结构，工艺，提高软轴寿命和效率。

3）选换挡支架

选换挡支架是固定软轴与变速器选换档摇臂的连接，软轴一端与变速器的选换档摇臂相连，通过支架将拉丝导向管伸缩的部分在护管接头处与支架固定，通常有金属锁片和螺栓固定两种方式。

如图3和4

图3金属锁片固定方式图4螺栓固定方式

a、金属锁片固定方式

优点：

安装方便，拉丝支架简单；

缺点：

卡簧或锁片质量不好，在选换档力大时，易失效，销售曾反映此问题。

b、螺栓固定方式

优点：

固定牢固，拉脱力好；

缺点：

选换档支架较为复杂，拉丝安装空间要求较高。

选换挡支架通常在变速器或离合器壳体上寻找有效固定点，支架型式不定，只需保证足够的刚度，拉丝推拉时不变形，能有效地传递拉丝行程和负载效率。

通常支架厚度为3~4mm，刚度满足条件下轻量化、简单化。

有的选换档支架单独分开，有的合在一起，为防止生锈，支架通常为镀锌件。

图5为目前采用的几种选换挡拉丝支架总成结构方式。

图5选换档拉丝支架总成

4）驾驶室内塑料组件

驾驶室内与换挡相关的塑料组件分为三个部分：

换挡杆盖、换挡杆套、手柄球头。

如图6示

a、换挡杆盖

固定在操纵机构支座上，与手刹罩壳和驾驶室地毯紧密贴合。

造型流畅，保证操纵机构选换档摇臂的运动空间。

颜色、皮纹与驾驶室内饰统一。

b、换挡杆套

下端固定在换挡杆盖上，上端卡在操纵杆上。

形状分为单层皮革（如图6示）和波纹状（图7示），材料为PVC。

换挡杆套与卡扣合在一起，固定在换挡杆盖上。

主要起到防止灰尘进入操纵机构，而造成效率损失。

波纹状的换挡杆套根据塑料皮革的硬度还能起到一定阻尼的作用。

图7波纹状换挡杆套

C、手柄球头

固定在操纵杆的顶端，上面标有档位指示，便于驾驶员操纵。

手柄球头固定方式有螺纹固定和卡槽固定两种。

手柄球头内部有螺纹便于装拆，但对手柄旋到底正好档位处于正确指示的位置要求较高。

卡槽固定能很好的定位但不利于拆卸。

手柄球头要求造型美观，线条流畅，符合人手握感。

手柄主体材料为PVC+ABS,档位标识材料为滴塑层＋铝板。

档位顺序虽然没有明确统一标准，但习惯性将低档区放置左边，高档区置于右边，奇数档和偶数档分别在前或后。

如图8示轻卡采用的手柄球头。

图8手柄球头

3软轴式变速操纵系统设计流程

1）首先确定合适的选换档比。

选换档比大则力小，所需行程大；选换档比小则力大，运动行程小。

通常根据人体工程学，以驾驶室内手柄换档向前离仪表台还具有“一拳”距离为宜，手柄高度不宜过高，以坐姿人手自然下垂到扶手的高度即可，选档行程往驾驶员这边时应不超过座椅边，换挡向后时不能出现打手的情况。

驾驶室内的操纵器选换档比一旦定下来，不轻易更改。

现在轻卡采用的操纵器选换挡比为换挡3.355，选档3.08。

采用软轴操纵则整个变速操纵的选换档比为操纵器的选换档比与变速器的选换档比之乘积。

变速器的选换比为选换档摇臂与内部拨叉臂长度之比，需要变速器厂家提供选、换档的力矩。

一般系统的换档比在7.5~8左右，选档比在5.5~6左右。

2）确定拉丝结构及固定长度

拉丝现在分为螺栓式式和插片式。

一般根据拉丝结构的需要，通常拉丝固定点到选换挡摇臂的距离在160~280mm之间。

拉丝的选换档效率由厂家提供，不得低于国家和企业标准的规定。

3）确定拉丝有效行程及布置拉丝走向和长度

根据变速器摇臂的长度及摆动角度，来确定行程，注意要将拉丝的行程效率计算进去。

根据整车布置给出的变速器与发动机连接的点坐标，布置拉丝走向，尽可能短，不要与周围部件干涉，测量出长度。

4）确定手柄球档位图

根据变速器各档位的方向及操纵器摇臂摆动方向，确定手柄上的档位图。

如不是顺档，通常通过调整变速器上的选换档臂方向来实现。

5）设计选换挡支架

根据拉丝固定方式来设计支架，支架安装孔位一般在变速器上或离合器壳上。

支架主要在保证刚度的前提下尽可能简化。

4软轴变速操纵系统设计计算

以NJ1042DBFZ为例，匹配六合变速器厂的17H26变速器和宁波软轴软管厂生产1703NJ300-040拉丝。

厂家提供的数据如下：

选档力矩：

2、3档到1、R档或2、3档到4、5档力矩为3.15Nm；

换挡力矩：

6.65Nm

拉丝有效行程及效率：

选档的有效行程不小于60mm，换档的有效行程不小于90mm；

在模拟实际装车状态下，拉丝的行程效率不小于85％，负载效率不小于80%。

1）传动比

操纵器的选档比=

=3.08，换档比=

=3.355

变速器内部拨叉臂长度：

选档38mm,换档40mm（厂家提供）

变速器外部摇臂长度：

选档70mm,换挡95mm（变速器通用状态）

变速器的选档比=

=1.842，换挡比=

=2.375

系统选档传动比：

ix=3.08×1.842=5.67

系统换档传动比：

ih=3.355×2.375=7.968

符合系统传动比的要求。

2）操纵力计算

A、选档力

选档摇臂力臂长：

L1=70mmF⊥=

F⊥1R/45=3.15/0.07=45N

Mx-选档力矩（参数见上面）图9选档受力分析及行程校核图

F=

根据选档受力分析及行程校核图（如图9所示）可得:

α1R=100.7°α45=80°

因此：

F1R=45/cos（100.7°-90°）=45.8N

F45=45/cos（80°-90°）=45.7N

取拉丝的负载效率η=80%，球节处的效率η1=98%

整个选档机构的负载效率为：

η×η1×η1=80%×98%×98%=76.832%

因此，变操手柄处的选档力为（不考虑扭簧时）：

FS12=45.8/（76.832%×3.08）=19.35N

FS45=45.7/（76.832%×3.08）=19.31N

该操纵器选档轴上加装了扭簧：

如下图10

图10扭簧参数尺寸图

弹簧常数：

以 k表示当弹簧被扭转时，每增加1°扭转角的负荷   

弹簧常数公式（单位：

kgf/mm）:

K=

 E=线材之钢性模数：

琴钢丝E=21000 ,不锈钢丝E=19400 ,磷青铜线E=11200 ,黄铜线E=11200

  d=线径

 Do=OD=外径 Di=ID=内径 Dm=MD=中径=Do-d

 N=总圈数

L=负荷作用的力臂

 ∏=3.1416 

我们采用扭簧为琴钢丝，N=5，d=2.9mm，L选=231mm

K=

=0.014kgf/mm=0.014×9.8=0.137N/mm

变速器选档摇臂摆动角度为10.4O，行程为19mm，

拉丝行程效率η′=85%

整个选档机构的行程效率为：

η′×η1×η1=85%×98%×98%=81.634%

则操纵器的选档摇臂行程上下为

=23.27mm，

手柄上1.R或4、5选档行程为23.27×3.08=71.67mm

则扭簧力为0.137×71.67=9.85N

手柄处最终选档力为：

FS12=19.35+9.85=29.2NFS45=19.31+9.85=29.16N

B、换档力

换档臂力臂长：

L2=95mm换档力FH=

FH=

=70N

整个换档机构的负载效率为：

η×η1×η1=80%×98%×98%=76.832%

因此，变操手柄处的换档力为：

FSH）=70/（76.832%×3.355）=27.16N

注意若由于拉丝布置导致行程效率、负载效率损失的话，则手柄上的力还会增大。

C、行程校核

（1）选档行程

根据选档行程校核图9可得，

选档所需的行程为LX=37.8mm取选档拉丝的有效行程为60mm

行程效率η′=85%

整个选档机构的行程效率为：

η′×η1×η1=85%×98%×98%=81.634%

因为60×81.634%=49mm>37.8mm

所以选档拉丝及整个选档机构的行程

可以满足要求。

（2）换档行程

从空档位置到换档到位，外换档臂的

摆动角度为14.8°（厂家提供）（如图11所示）

因此，换档所需的最小行程约为图11变速器换挡摇臂行程

LH=2×95×sin14.8°=48.5mm取换档拉丝的有效行程为90mm

行程效率η′=85%

整个换档机构的行程效率为：

η′×η1×η1=85%×98%×98%=81.634%

因为90×81.634%=73.47mm>48.5mm

所以换档拉丝及整个换档机构的行程也是满足要求的。

（3）手柄上的总行程

选档总行程=37.8×3.08=116.4mm；换挡总行程=48.5×3.355=162.7mm

满足操纵器选换档行程的范围。

5变速操纵系统设计要点及注意事项

设计要点主要集中以下几个方面：

（1）软轴走向合理，尽可能与排气管不在同侧，而与操纵器同侧布置；

（2）档位变化（操纵手柄标识）主要由变速器决定，通常按照国际顺档布置档位，来调整选换挡摇臂的方向。

也就是低速档朝左，高速档超右（针对国内方向盘左置，反之则相反）。

（3）需注意选换档支架设计是否会与变速器壳体等其他零部件发生干涉，保证支架刚度；

软轴变速操纵系统中最重要的零部件就是软轴。

软轴的结构及布置直接影响着软轴的使用性能。

为了提高变速软轴的工作效率、延长使用寿命，在设计时，需注意如下事项：

（1）根据实际需要选用设计正确型号、类型的变速软轴，保证满足强度大于拉脱力和拉断力的要求。

（2）根据具体的应用情况，确定变速软轴的长度。

长度要适中；若过短，安装时易与其他件发生干涉；若过长，将降低软轴的行程效率和载荷效率。

（3）强调变速软轴与所选操纵机构的匹配性，保证软轴使用过程中的拉杆摆角在设计范围（一般为8°）内。

 （4）设计时弯曲半径决不可以小于小于软轴生产厂家所规定的最小允许弯曲半径，并且，总弯曲度越小越好。

  图12减小摆角的安装示意图

（5）当变速软轴的终端与摆杆相连接时，连接点的运动轨迹成弧形，应尽可能地减小拉杆的摆角。

如图12所示，图中a、b的拉杆摆角大于c的拉杆摆角。

    （6）软轴的悬挂部位需要适当地布置支承点，即增加卡箍，用以减小运动过程中的振动。

卡箍夹紧力要适当。

夹紧力过小，起不到支撑和限位的作用；夹紧力过大，会造成软轴衬管的变形,影响芯线的运动。

 （7）软轴走向布置时不要直接接触高温部件，如发动机壳体、排气管等。

由于软轴的外皮,衬套均是塑料制品，在高温下会发生变形，老化甚至融化。

若布置上有困难，则要在软轴的外面增加隔热套或在热源与软轴之间加上隔热板。

6结束语

软轴式操纵系统的设计质量优劣，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。

要达到理想的效果，既要有考虑较为全面的理论设计计算，还要结合样车路试，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，以满足客户的使用需求。

参考文献

1、张洪欣《汽车设计》机械工业出版社1994年；

2、王望予《汽车设计》机械工业出版社2000年；

3、陈家瑞《汽车构造》机械工业出版社2000年；

4、陈榕林《机械设计应用手册》科学技术文献出版社1995