乘用車自動(dòng)變速箱靜態(tài)擋位品質(zhì)試驗(yàn)與分析

潘鵬 李超 江威 陳賽 杜強(qiáng)飛

摘? 要：根據(jù)乘用車自動(dòng)變速箱的研究，對(duì)靜態(tài)擋位品質(zhì)的概念進(jìn)行定義，提出靜態(tài)擋位品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。針對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)給出具體的客觀測(cè)量試驗(yàn)方法，并以某型自動(dòng)變速箱為例，依據(jù)客觀測(cè)量結(jié)果對(duì)其靜態(tài)擋位品質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，進(jìn)而建立自動(dòng)變速箱靜態(tài)擋位品質(zhì)分析方法。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)變速箱;靜態(tài)擋位品質(zhì);評(píng)價(jià)指標(biāo);試驗(yàn)方法

中圖分類號(hào)：U467.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2018）06-0104-06

Experiment and Research of Static Gear Quality of Automatic Transmission on Passenger Car

PAN Peng， LI Chao， JIANG Wei， CHEN Sai， DU Qiang-fei

（ National Automobile Quality Supervision and Test center [Xiangyang]， Xiangyang 441004 ）

Abstract： According to the research of automatic transmission on passenger car， the concept of static gear quality was definedand the static gear quality evaluationindex was put forward.Specific objective measurement test methods were provided for each evaluation index ，taking an automatic transmission as an example ， its static gear quality was systematicallyanalyzed based on objective measurement results，and then an automatic gearbox static gear quality analysis method was established.

1? ? 前言

車輛在換擋過程中存在著沖擊，對(duì)駕乘人員的舒適性有較大的影響，同時(shí)換擋品質(zhì)是換擋舒適性的關(guān)鍵，換擋品質(zhì)的提高能在很大程度上改善換擋舒適性。隨著自動(dòng)變速箱在乘用車市場(chǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)乘用車自動(dòng)變速箱擋位品質(zhì)的研究具有重要的意義。

自動(dòng)變速箱的擋位品質(zhì)由靜態(tài)擋位品質(zhì)和動(dòng)態(tài)擋位品質(zhì)兩部分組成。在自動(dòng)變速箱的靜態(tài)擋位品質(zhì)的研究中，首先需要確定性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后依據(jù)一定的試驗(yàn)方法，進(jìn)行客觀測(cè)量試驗(yàn)，從而獲得各項(xiàng)性能參數(shù)，最后對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析，從而對(duì)自動(dòng)變速箱靜態(tài)擋位品質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

2? ? 靜態(tài)擋位品質(zhì)定義及評(píng)價(jià)指標(biāo)

所謂靜態(tài)擋位品質(zhì)，是指在保證汽車動(dòng)力性和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)壽命的前提下，車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行換擋操作的舒適性及便利性。換擋品質(zhì)的提高能在很大程度上改善駕駛駕車的舒適性并有效減小對(duì)車輛的磨損和沖擊。

與手動(dòng)變速箱相同，在我們進(jìn)行自動(dòng)變速箱靜態(tài)擋位品質(zhì)分析時(shí)，我們通常希望這臺(tái)變速箱能夠具有清晰的擋位吸入感，長(zhǎng)短適中的擋位行程，大小適中的換擋力和選擋力;各個(gè)擋位內(nèi)較小的自由間隙;換擋過程中無(wú)異常阻力（摩擦力、卡滯等），換擋過程中聲音低沉、無(wú)雜音。

針對(duì)這些特點(diǎn)我們對(duì)乘用車自動(dòng)變速箱靜態(tài)擋位品質(zhì)提出六個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：

1）擋位布置特性;

2）換擋力特性;

3）選擋力特性;

4）換擋球頭自由間隙特性;

5）快速換擋特性;

6）剛度特性;

依據(jù)這六個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)自動(dòng)變速箱進(jìn)行客觀測(cè)量試驗(yàn)，并對(duì)采集性能參數(shù)進(jìn)行分析研究，從而正確評(píng)估一臺(tái)自動(dòng)變速箱的靜態(tài)擋位品質(zhì)。

3? ? 靜態(tài)擋位品質(zhì)特性試驗(yàn)及分析

3.1? ?擋位品質(zhì)術(shù)語(yǔ)及定義

將換擋桿置于空擋自由狀態(tài)，以換擋球頭中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以平行于換擋桿且指向車輛下方的方向?yàn)閆軸正向，以垂直于換擋桿且指向車輛前進(jìn)方向?yàn)閄軸正向，以垂直于XZ平面且指向車輛右邊方向?yàn)閅軸正向。

換擋力：在進(jìn)行換擋操作時(shí)換擋球頭沿X軸方向的作用力。

選擋力：在進(jìn)行選擋操作時(shí)換擋球頭沿Y軸方向的作用力。

換擋行程：在進(jìn)行換擋操作時(shí)換擋球頭沿X軸方向的位移。

選擋行程：在進(jìn)行選擋操作時(shí)換擋球頭沿Y軸方向的位移。

換擋球頭自由間隙：將小于5N的力所覆蓋的區(qū)域定義為自由間隙區(qū)域。這個(gè)區(qū)域用X向（行程值）×Y向（行程值）來表示。

換擋系統(tǒng)剛度：測(cè)量出換擋桿靜態(tài)換擋力和位移曲線，取30—120N之間剛度（曲線30-120N時(shí)的斜率）為換擋系統(tǒng)的剛度。

3.2? ?擋位布置特性試驗(yàn)及分析

3.2.1 擋位布置特性試驗(yàn)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，將換擋桿置于P擋位置，以正常的換擋速度操作換擋桿使其經(jīng)過換擋器中的每一個(gè)擋位，并且在經(jīng)過每個(gè)擋位時(shí)須停留數(shù)秒，待換入最后一個(gè)擋位后，按照相同的操作方法將換擋桿換回至P擋位置，至此完成一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。共重復(fù)進(jìn)行多個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。

記錄試驗(yàn)過程中的實(shí)際換擋軌跡及各擋位的自由位置，本文以某型自動(dòng)變速箱非直排式換擋器為例，得到擋位布置圖如圖1所示：

3.2.2 擋位布置特性分析

從擋位布置圖中我們可以看出換擋球頭在各擋位的自由位置（圖1中圓點(diǎn)位置）以及實(shí)際換擋軌跡（圖1中的彩色線條）基本重合，擋位清晰處于較好水平。從擋位布置中我們可以得出各擋位的換擋行程和選擋行程，如圖2所示。選擋及換擋行程的長(zhǎng)短直接影響到駕駛員的主觀操作感受。如果擋位行程太小則會(huì)使得擋位不清晰，而如果擋位行程過大則會(huì)容易造成換擋操作不便或者換擋桿與車內(nèi)其他部件干涉。我們可以根據(jù)人機(jī)工程角度對(duì)換擋行程和選擋行程大小進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.3? ?換擋力特性試驗(yàn)及分析

3.3.1 換擋力特性試驗(yàn)方法

若換擋器中的擋位需要通過施加換擋力來實(shí)現(xiàn)相鄰擋位間的切換，則該擋位與其相鄰擋位之間的換擋力需進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)。如N-D、N-R、P-R等。

以N-D擋試驗(yàn)為例（如圖3所示），發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)，以緩慢而穩(wěn)定的速度將換擋球頭從N擋位置換入D擋位置，再以相同的速度將換擋球頭退回至N擋位置，至此完成一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。共重復(fù)進(jìn)行多個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。

記錄試驗(yàn)過程中的換擋力及換擋行程。在完成N-D擋的換擋力試驗(yàn)后，按照相同的操作要求分別進(jìn)行其他擋位的換擋力試驗(yàn)。

3.3.2 換擋力特性分析

換擋力特性的優(yōu)劣直接影響到消費(fèi)者對(duì)于車輛擋位品質(zhì)好壞的判斷。好的換擋力特性應(yīng)包含大小適中的換擋力、適當(dāng)?shù)奈敫?，同時(shí)具有良好的整體一致性。同樣以N-D擋為例進(jìn)行換擋力特性分析，其換擋力特性曲線如圖4所示。

從換擋力曲線得出D→N換擋力為15N，N→D換擋力為11N，選取擋位力特性評(píng)價(jià)較好的車輛，其換擋力在10-20N之間，因此我們推薦自動(dòng)變速箱換擋器換擋力在10-20N之間。同時(shí)換擋曲線平滑無(wú)毛刺，因此我們認(rèn)為其換擋力特性中換擋力和整體一致性較好。

在進(jìn)行換擋操作時(shí)，在克服進(jìn)擋力后，換擋桿自動(dòng)進(jìn)入擋位到達(dá)擋位自由位置，即在換擋過程中有反向力的出現(xiàn)，這種反向力出現(xiàn)的現(xiàn)象我們稱之為擋位吸入感。從換擋力曲線中我們可以看出在克服換擋力后換擋力有所下降，但并沒有出現(xiàn)較明顯反向力，因此我們認(rèn)為其換擋力特性中吸入感較差。

3.4? ?選擋力特性試驗(yàn)及分析

3.4.1 選擋力特性試驗(yàn)方法

若換擋器中的擋位需要通過施加選擋力來實(shí)現(xiàn)相鄰擋位間的切換，則該擋位與其相鄰擋位之間的選擋力需進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)。如D-M、非直排式換擋器中的P-R等，如圖5所示。

以緩慢而穩(wěn)定的速度將換擋球頭從D擋位置換入M擋位置，再以相同的速度將換擋球頭退回至D擋位置，至此完成一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。共重復(fù)進(jìn)行多個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。

記錄試驗(yàn)過程中的選擋力及選擋行程。在完成D-M擋的選擋力試驗(yàn)后，按照相同的操作要求分別進(jìn)行其他擋位的選擋力試驗(yàn)。

3.4.2 選擋力特性分析

車輛進(jìn)行擋位切換是由換擋操作和選擋操作共同組成的，良好的選擋力特性也可提高駕駛員的操作感受。以P-R為例進(jìn)行選擋力特性分析，其選擋力曲線如圖6所示。

良好的選擋力特性應(yīng)當(dāng)是從擋位自由位置開始選擋力逐漸增加，到達(dá)峰值后趨于不變或者略微下降，從選擋末端回到擋位自由位置的過程中選擋力也稱回位力應(yīng)在0N以上，以保證換擋桿能夠自動(dòng)回位。從選擋力曲線中得出，P→R、R→P選擋力均為22N，P→R、R→P回位力均在0N以上，滿足良好選擋力特性要求。

同時(shí)選擋力曲線平順無(wú)波動(dòng)，具有較好的整體一致性。這樣的選擋特性不但清晰而且減少了駕駛員的操作疲勞。

3.5? ?換擋球頭自由間隙特性試驗(yàn)及分析

3.5.1 換擋球頭自由間隙特性試驗(yàn)方法

以N擋試驗(yàn)為例（如圖7所示），發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)，將換擋桿置于N擋位置，以盡可能小的作用力按圓周方向勻速晃動(dòng)換擋球頭，之后緩慢的增大作用力。

記錄試驗(yàn)過程中的換擋力、選擋力、換擋行程和選擋行程。在完成N擋的換擋球頭自由間隙試驗(yàn)后，按照相同的操作要求分別進(jìn)行其他擋位的換擋球頭自由間隙試驗(yàn)。

3.5.2 換擋球頭自由間隙特性分析

換擋球頭自由間隙體現(xiàn)了各擋位的自由晃動(dòng)量，是外部和內(nèi)部換擋系統(tǒng)間隙的集中體現(xiàn)，其“面積”大小直接影響到駕駛員的換擋感覺。自由間隙過大，會(huì)造成換擋桿在擋位中過于松曠，降低換擋精度，影響駕駛員的擋位感。間隙過小又會(huì)造成換擋生硬、無(wú)柔性，甚至脫擋，使駕駛?cè)藛T感覺不適。因此，換擋球頭自由間隙也是一項(xiàng)很重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

選取換擋球頭自由間隙特性評(píng)價(jià)較好的車輛，其各擋位自由間隙均≤5.0mm×5.0mm，因此我們推薦自動(dòng)變速箱換擋器各擋換擋球頭自有間隙≤5.0mm×5.0mm。圖8為換擋球頭自由間隙分布圖，各擋位自由間隙均≤5.0mm×5.0mm，同時(shí)邊界清晰相互之間無(wú)重疊，具有較好的自由間隙特性。

3.6? ?快速換擋特性試驗(yàn)及分析

3.6.1 快速換擋特性試驗(yàn)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)，將換擋桿置于P擋位置，以盡可能快的速度將換擋球頭從P擋位置換入D擋位置，再以相同的速度將換擋球頭退回至P擋位置，至此完成一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。重復(fù)進(jìn)行多個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。

記錄試驗(yàn)過程中的換擋力、選擋力、換擋行程和選擋行程。在完成P-D擋的快速換擋性能試驗(yàn)后，按照相同的操作要求分別進(jìn)行P-R擋、R-D擋的快速換擋性能試驗(yàn)。

3.6.2 快速換擋特性分析

上文所述的換擋力特性和選擋力特性試驗(yàn)均是以盡可能慢的速度進(jìn)行換擋，以便盡可能真實(shí)的體現(xiàn)換擋器本身的特性，而快速換擋特性試驗(yàn)則是以盡可能快的速度進(jìn)行換擋操作，分析換擋器在快速換擋過程中的力和位移特性，并從總體角度對(duì)換擋舒適性和平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

以P-D快速換擋為例進(jìn)行快速換擋特性分析，其換擋力曲線如圖9所示，從圖中我們可以看出各次換擋換擋力曲線基本重合，整體一致性較好，但換擋力曲線不夠平滑，平順性較差，尤其在R擋附近存在較為明顯的卡滯，影響換擋舒適性。

3.7? ?剛度特性試驗(yàn)及分析

3.7.1 剛度特性試驗(yàn)方法

剛度特性是整個(gè)換擋系統(tǒng)的變形能力在換擋球頭處的一個(gè)綜合表現(xiàn)，換擋系統(tǒng)的剛度特性是由換擋剛度特性和選擋剛度特性兩部分組成的。換擋剛度特性和選擋剛度特性的試驗(yàn)方法和分析方法比較類似，本文進(jìn)行統(tǒng)一介紹。其試驗(yàn)方法如下：

發(fā)動(dòng)機(jī)熄火狀態(tài)，將換擋桿置于換擋器最前端（左端）的擋位，以緩慢而穩(wěn)定的速度對(duì)換擋球頭施加正向換擋力至120N左右（如圖10所示），然后松開換擋球頭，使其自動(dòng)回位，重復(fù)以上操作10次。再將換擋桿置于換擋器最后端（右端）的擋位，以緩慢而穩(wěn)定的速度對(duì)換擋球頭施加反向換擋力至120N左右，然后松開換擋球頭，使其自動(dòng)回位，重復(fù)以上操作10次。

記錄試驗(yàn)過程中的換擋（選擋）力和換擋（選擋）行程。

3.7.2 剛度特性分析

換擋系統(tǒng)中能夠發(fā)生變形的零部件較多，且每個(gè)部件的剛度又是不同的，這就導(dǎo)致整個(gè)換擋系統(tǒng)的剛度在不斷施加外力的過程中是一直變化的，但考慮到在正常換擋操作中駕駛員將換擋桿推至極限位置后最大施加的力一般不會(huì)超過70N，因此在測(cè)量時(shí)選擇30-100N之間的平均剛度來用于后續(xù)的試驗(yàn)分析。

根據(jù)換擋（選擋）力-換擋（選擋）行程關(guān)系圖，測(cè)量換擋（選擋）力在30-100N之間的曲線斜率，其中，正向換擋（選擋）力下的曲線斜率為正向換擋（選擋）剛度，反向換擋（選擋）力下的曲線斜率為反向換擋（選擋）剛度，如圖11所示：

換擋系統(tǒng)的剛度特性對(duì)于實(shí)際換擋操作的準(zhǔn)確性和舒適性有著顯著的影響。換擋系統(tǒng)剛度過大會(huì)在換擋和選擋的過程中有明顯的碰壁感，而換擋系統(tǒng)剛度過小則會(huì)影響到換擋的準(zhǔn)確性和擋位的入位感。參考剛度特性評(píng)價(jià)較好車輛的剛度值，我們推薦換擋剛度在6-12N之間，選擋剛度值在5-10N之間。其中反向換擋剛度和正向選擋剛度在推薦范圍內(nèi)，可以給駕駛員以操作愉悅感，而正向換擋剛度和反向選擋剛度均大于推薦值，在換擋和選擋的過程中會(huì)有明顯的碰壁感，而且會(huì)將變速箱的振動(dòng)傳遞到換擋球頭，影響換擋舒適性。

4? ? 總結(jié)

本文對(duì)乘用車自動(dòng)變速箱靜態(tài)擋位品質(zhì)進(jìn)行定義，提出擋位布置特性、換擋力特性、選擋力特性、換擋球頭自由間隙特性、快速換擋特性、剛度特性六個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)自動(dòng)變速箱換擋品質(zhì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀測(cè)量試驗(yàn)，文中給出了具體的試驗(yàn)方法，并以某自動(dòng)變速箱為例對(duì)采集到的性能參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的分析研究，為乘用車自動(dòng)變速箱靜態(tài)擋位品質(zhì)提供完整的試驗(yàn)方法和分析方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]程闊華，熊強(qiáng).汽車變速器[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

[3]Harald Naunheimer.汽車變速器理論基礎(chǔ)、選擇、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[4]高金武.自動(dòng)變速箱換擋品質(zhì)控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.

[5]孫迎波.六速DCT換擋模型及換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)體系研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士 學(xué)位論文，2015.