中型客車(chē)變速操縱系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

段樹(shù)平

（揚(yáng)州亞星客車(chē)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225001）

中型客車(chē)變速操縱系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

段樹(shù)平

（揚(yáng)州亞星客車(chē)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225001）

針對(duì)公司中型客車(chē)操縱換檔力比較重以及選檔檔位不清的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和測(cè)試分析，實(shí)施改進(jìn)方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，效果較好。

中型客車(chē)；變速器；操縱；軟軸；選換檔

變速操縱是否輕便，駕駛員對(duì)此十分敏感，設(shè)計(jì)好變速操縱系統(tǒng)對(duì)客車(chē)是非常重要的[1]。前期公司客戶反映，現(xiàn)中型客車(chē)遠(yuǎn)距離操縱換檔比較重，選檔檔位不清。針對(duì)這些問(wèn)題，公司對(duì)中型客車(chē)作了一次徹底的研究分析，制定了相應(yīng)的整改措施。操縱換檔系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成[2]：變速器[3]、選換檔軟軸總成、操縱桿和操縱器總成以及固定軟軸的支架等由ZF資料提供。這些部件在操縱換檔力中所占的比重分別為65%、10%、5%以及5%，其余的15%則跟現(xiàn)場(chǎng)裝配有關(guān)。因公司中型客車(chē)基本裝配哈齒CA6-85，所以以此變速器為實(shí)例，進(jìn)行計(jì)算和改進(jìn)。

1 軟軸效率和阻力測(cè)量

軟軸保護(hù)套與軟軸之間的摩擦力以及軟軸的轉(zhuǎn)換效率在換檔操縱力[4]中占有相當(dāng)大的比重，如果軟軸布置不合理，轉(zhuǎn)變半徑過(guò)小或轉(zhuǎn)彎角度過(guò)大，都會(huì)嚴(yán)重影響軟軸的換檔效率。根據(jù)MORSE提供的資料，軟軸的彎曲角度與負(fù)載效率[5]的關(guān)系如表1所示。

表1 軟軸的彎曲角度與負(fù)載效率

需要注意的是，上面提到軟軸的彎曲角度不是以其中彎曲最大值為基準(zhǔn)，而是以軟軸各處彎曲角度相加之后的值作為標(biāo)準(zhǔn)。例如，如果軟軸一端的彎曲角度為45°；另一端的彎曲角度為60°，則軟軸的彎曲角度值就應(yīng)為105°，而不是60°。從表1中看到，當(dāng)軟軸的彎曲角度等于90°時(shí)，軟軸的負(fù)載效率（換檔效率）為83.33%。

上面是MORSE提供的數(shù)據(jù)，不能真正反應(yīng)實(shí)際中軟軸負(fù)載效率。因此，有必要對(duì)實(shí)際軟軸進(jìn)行測(cè)量，一是檢測(cè)其是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；二是找到實(shí)際的軟軸負(fù)載效率。

1）軟軸效率測(cè)試方法[6]。選取一個(gè)重量適當(dāng)?shù)膶?shí)物，先測(cè)量重物在地面上勻速滑行時(shí)的動(dòng)摩擦力，記錄該值；然后測(cè)量軟軸內(nèi)桿與軟軸外套的摩擦力；最后再測(cè)量軟軸與實(shí)物結(jié)合在一起時(shí)，拖動(dòng)軟軸一端的拉力。分三種情況進(jìn)行測(cè)試，第一種是把軟軸平直放在地面上；第二種是把軟軸擺放成垂直形狀，拐彎處的半徑為100mm；第三種是把軟軸繞成一圈，半徑為1000mm。測(cè)試工具：彈簧秤，測(cè)量范圍為0～100N，最小刻度單位為2N。

2）軟軸效率計(jì)算。假設(shè)以軟軸平直時(shí)的狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)軟軸拐彎進(jìn)行效率計(jì)算，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，軟軸成90°角時(shí)的效率為4/5.8=68.97%；軟軸繞一圈時(shí)的效率為4/8=50%。

軟軸在底盤(pán)上總會(huì)有不同程度的彎曲和拐點(diǎn)，角度一般不超過(guò)90°，同時(shí)，軟軸是以管夾或線扣夾緊固定在底盤(pán)上。據(jù)此推測(cè)，一般情況下，軟軸的阻力在6N左右，軟軸的換檔效率在70%～80%之間。這與MORSE的推薦值相差6%左右，在工程允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為實(shí)際測(cè)量方法和結(jié)果都是有效的，因而，在后面的計(jì)算中可以使用這些測(cè)量數(shù)據(jù)。

2 換檔力的理論計(jì)算

軟軸是一根有較強(qiáng)剛度的繩子，因此，理論計(jì)算時(shí)可以把軟軸兩端的力看成是相等的。這樣就簡(jiǎn)化了操縱桿力的計(jì)算模型。軟軸中由于剛繩與外套存在摩擦力，由于摩擦力相對(duì)于操縱力要小很多，所以在計(jì)算過(guò)程中也可以先不考慮摩擦力。

變速器的換檔桿受力如圖1所示。換檔桿受到的拉力[7]F=T/L，其中T為變速器的輸出力矩，L為力F到換檔桿轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)處的力臂[7]。我公司的軟軸都裝在90mm的孔中，即L=90mm。哈齒提供的力矩T值如表2所示，不同檔位之間的轉(zhuǎn)換都對(duì)應(yīng)一個(gè)力矩。為簡(jiǎn)化計(jì)算，力矩取一個(gè)偏大值T=13.5N·m，則F=T/L=13.5/0.09=150N。

當(dāng)操縱桿在中間位置時(shí)，操縱桿處的受力分析如圖2所示。當(dāng)操縱桿位置變換時(shí)，F(xiàn)3與操縱桿的夾角角度也隨之變化?，F(xiàn)操縱器所設(shè)計(jì)的換檔運(yùn)動(dòng)角度與換檔臂角度[8]α 相等（α=10.3°）。

表2 變速器搖臂力矩值 T/N·m

從圖3中得到F3=F2/cosα。根據(jù)軟軸剛性原理，由圖 1、圖 3可得 F2=F'2/η1=F/η1cosα（公式中 F'2為換檔臂轉(zhuǎn)動(dòng)所合成力；F為軟軸端對(duì)換檔臂拉力；η1為軟軸的負(fù)載效率，可在 70%～80%之間，現(xiàn)取 η1=75%，α=10.3°）。因而F3=F/η1(cosα)2=206.6N。駕駛員施加于操縱手柄處的操縱力F1=F3×a/b。故F1=F3×a/（b×η2），公式中η2為操縱桿系的換檔效率。通過(guò)對(duì)軟軸的實(shí)際測(cè)量得到，軟軸彎曲角一般不大于90°，取η2=95%。a、b的數(shù)據(jù)都已給出，則代入上式中。F1=154.95×0.105/（0.75×0.95×0.620）=36.83N。如果加上軟軸中的摩擦力，這個(gè)值在44N左右。

如果F放在110mm處時(shí)，輸出的力F′=T/L=13.5/0.11/（cos10.3）2=124.737 N，操縱手柄處的力 F5=124.737×0.105/（0.75×0.95×0.620×（cos10.3）2）=29.65N。如果加上軟軸中的摩擦力，這個(gè)值在35N左右。

公司中型客車(chē)的軟軸目前都是放在換檔搖臂90 mm的孔中，通常軟軸導(dǎo)向管不垂直于搖臂。如果把軟軸導(dǎo)向管調(diào)整到110mm的孔中，并且要求導(dǎo)向管垂直于搖臂，F(xiàn)5比F1減少了6.82N，減少率為19.5%，調(diào)整效果非常明顯。

雖然調(diào)整效果明顯，但還要考慮有效性的問(wèn)題，即調(diào)整后的操縱手柄能不能符合駕駛員的人機(jī)工程學(xué)。在行程計(jì)算中得出，在110mm處操縱手柄的行程分別為259.58mm和268.66mm，能夠達(dá)到操縱手柄的行程規(guī)范要求[9]。

3 改裝測(cè)試對(duì)比及駕駛員反映

現(xiàn)公司YBL6856H客車(chē)的軟軸螺絲是放在換檔搖臂的90mm的孔中，又因軟軸長(zhǎng)度大概偏長(zhǎng)50mm，軟軸前端的固定與操縱器端不在同一個(gè)平面內(nèi)，而是偏約40mm?，F(xiàn)對(duì)此車(chē)型改進(jìn)情況如下：把軟軸螺絲裝在換檔搖臂的110mm的孔中，并且把固定軟軸的支架往下移一個(gè)孔位，以保證軟軸導(dǎo)向管與換檔搖臂在空檔時(shí)盡量成垂直狀態(tài)。同時(shí)，把軟軸減少40mm，盡量避免軟軸在車(chē)身上出現(xiàn)過(guò)多的彎曲過(guò)渡，在車(chē)身前端，軟軸的布置與操縱平臺(tái)處同一直線位置。調(diào)試完成后測(cè)量操縱手柄處改裝前后的操縱換檔力及行程，得到的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 改裝前后操縱力及行程實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

從表3中看到，除III檔操縱力的變化率與操縱手柄處行程的變化率大致相等之外，另兩個(gè)檔位的操縱手柄處的力的變化率都要大于操縱行程的變化率，特別是高速檔處，變化率相差最大，幾乎達(dá)到一倍的效果。理論上講，操縱力的變化率與操縱行程的變化率應(yīng)成正比。這里出現(xiàn)操縱力的變化率要遠(yuǎn)大于操縱行程的變化率的結(jié)果，可能跟軟軸在底盤(pán)上的布置變動(dòng)有關(guān)。從改進(jìn)過(guò)程中知道，改裝時(shí)不僅改變了換檔臂孔的位置，同時(shí)，也改變了軟軸在底盤(pán)上的布置，盡量使軟軸的走向與操縱器后端面成一平面，這種變換必然提高了軟軸的負(fù)載效率，使得操縱力的變化率等于操縱行程的變化率與軟軸負(fù)載效率變化率之和。

改進(jìn)之前，能明顯感覺(jué)到換檔到一定的位置時(shí)操縱手柄上有一種頓挫感；改裝之后，這種頓挫感明顯改善，特別是在低速檔，幾乎感覺(jué)不到阻力的存在，上下?lián)Q檔相當(dāng)柔順、平滑。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)YBL6856H改進(jìn)后，駕駛員也反映客車(chē)操縱選檔力適當(dāng)，行程也不大，只是有的CA6-85變速器的選檔檔位不清，經(jīng)常找不到檔位。從空檔位置撥到I、II檔和倒檔位置時(shí)不能自動(dòng)返回到空檔位置，最大的問(wèn)題是從I、II檔位置撥到倒檔位置時(shí)，中間沒(méi)有阻力上升的感覺(jué)，或中間沒(méi)有頓挫感，不能讓駕駛員感覺(jué)已經(jīng)從I、II檔位置撥到了倒檔位置。由于以上原因，使駕駛員覺(jué)得經(jīng)常找不到檔位。

原因分析：這種型號(hào)的變速器[10]箱蓋內(nèi)沒(méi)有回位彈簧，如果有回位彈簧，操縱桿就能從I、II檔位置自動(dòng)回位到空檔位置，如果再在I、II檔和倒檔內(nèi)部加裝一根小彈簧，則當(dāng)操縱桿從I、II檔位置移動(dòng)到倒檔位置時(shí)，由于小彈簧的作用，就會(huì)再施加一個(gè)阻力給操縱手柄，這時(shí)駕駛員就能明顯感覺(jué)到手柄從I-II檔位置進(jìn)入到倒檔位置。經(jīng)過(guò)與哈齒聯(lián)系，最終哈齒確定在他們的變速器內(nèi)加裝一組彈簧。哈齒經(jīng)過(guò)廠內(nèi)試驗(yàn)，確定在變速器箱蓋內(nèi)加裝兩根彈簧，可以起到改善操縱選檔的效果。后又經(jīng)過(guò)在我公司現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試，組合幾組方案進(jìn)行試驗(yàn)后，最后采用兩根一長(zhǎng)一短、但同粗的彈簧后選檔效果最好，如圖3所示。變速器蓋加裝兩根彈簧后基本上能解決哈齒六檔箱選檔不清的問(wèn)題。

4 結(jié) 論

通過(guò)理論計(jì)算與分析，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)最終調(diào)試和驗(yàn)證，采用以下方案解決了公司YBL6856H客車(chē)操縱換檔重和選檔不清的問(wèn)題：

1）改變換檔軟軸在換檔搖臂上的安裝孔位置，增大了操縱換檔比，從而減小了操縱手柄處的換檔力。

2）重新布置該車(chē)的換檔軟軸，使軟軸的走向與操縱器在同一個(gè)平面內(nèi)，盡量提高軟軸的負(fù)載效率，減輕換檔力。

3）協(xié)調(diào)變速器廠家，在變速器蓋內(nèi)部加裝兩根彈簧，有效地改善了操縱桿不回位的問(wèn)題。

[1]李伯岳.客車(chē)變速操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2005，27（1）:24-26.

[2]陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]李伯岳.客車(chē)變速器懸置開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2004，26（3）:22-23.

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[5]劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[6]日本自動(dòng)車(chē)技術(shù)會(huì).汽車(chē)工程手冊(cè)7：試驗(yàn)評(píng)價(jià)篇[K].中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)，譯.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.12.

[7]余志生.汽車(chē)?yán)碚摚ǖ?版）[M]：北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[8]徐輝，李高鵬，郭旭東.宇通ZK6118HG系列城市客車(chē)的技術(shù)特點(diǎn) [J].客車(chē)技術(shù)與研究，2004，26（4）20-21.

[9]QC/T29063-1992，汽車(chē)機(jī)械式變速箱總成技術(shù)條件[S].

[10]張莉，朱波，王鼎龍，等.變速器齒輪沖擊試驗(yàn)的加載方式研究 [J].客車(chē)技術(shù)與研究，2011，33（6）42-43.

修改稿日期：2012-11-04

Improvement Design of Medium Bus Gear-shift Operation System

Duan Shuping
（Yaxing Bus Co.，Ltd，Yangzhou 225001，China）

As for the problems of heavy for ceand unclear shift position of the company's medium busgear shift，the author makes the improvements chemeand takes the testing verification based on the theory calculation and examination analysis.The result saregood.

medium bus;transmission(gearbox);operation;flexibleshaft;shiftgear

U 463.212

B

1006-3331（2013）02-0031-03

段樹(shù)平（1973-），男，工程師；主要從事客車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)工作。