客车变速操纵系统的设计和重型载货汽车变速器远距离操纵机构设计
客车变速操纵系统的设计
李伯岳
摘 要: 针对部分客车存在变速器档位操纵比较重的问题, 对影响变速器档位操纵的因素如操纵方式、力传动比、静态换档力、耗散力、同步时间等进行分析, 提出改善档位操纵的一些建议, 并提出采用“老手法”来评价车辆的变速操纵性。
关键词: 客车; 变速器; 操纵系统; 设计; 评价
Abstract: The paper aim s at some buses w h ich have the p roblem of heavy operat ion on gear2sh ift, analyzes some facto rs affect ing the gear2sh ift such as operat ion w ay, fo rce drive rat io, stat ic sh ift fo rce, dissipat ion fo rce,synch ronizat ion t ime etc, puts fo rw ard some imp roving suggest ions, and p ropo ses the method of using old hand
way to evaluate the gear2sh ift perfo rmance1
Key words:Bus; Gear box; Operat ion system; Design; Evaluat ion
客车变速操纵是否轻便, 驾驶员对此十分敏感,直接影响到驾驶员对此车的评价。“人性化设计”更注重人的感受。所以, 设计好变速操纵系统对客车,特别是城市客车(操纵比较频繁) 而言, 是非常重要的。客车的变速操纵与轿车、货车相比, 有其自身特点。对于轿车来说, 因为变速器箱体小, 变速器的静态换档力比较小, 所以, 变速操纵力不会太大。对货车而言, 由于驾驶员离变速器距离近, 大部分操纵杆可以直接布置于变速器上, 减少了操纵机构的路途损失。对于采用了同一型号变速器的客、货两种车的变速操纵力相比, 货车轻便、客车偏重是正常的。因此, 客车变速操纵系统的设计与轿车、货车的相比,难度较大。人们在驾驶不同客车时, 会感受到操纵轻便性是不同的。而且在操纵同一辆车时, 发现有的档位重、有的档位轻。也就是说, 档位的操纵力存在大小不一的问题。
1 主要影响因素
111 变速器的操纵方式
纵观国内外大客车变速操纵机构的发展, 大致可简分为三个阶段。一是杆系传动机械式阶段; 二是绳系传动机械式阶段; 三是电2气操纵式阶段。变速操纵机构的设计最初由于软轴的防锈蚀能力较差以及电2气元件的可靠性差而让杆系传动机械式曾流行一时。在杆系传动机械式的广泛使用中,发现其存在诸如占据空间大、传递效率低、易振动、调整工作量大等不足。特别是随着高速客车加大行
李箱及低地板城市客车的发展要求, 在布置中, 不可避免要加大变速杆传递的拐角。据经验数据, 在力的传递中, 一个拐角导致功的损失可达到10%～ 20% ,
而且夹角大, 损失大。所以, 在杆式传动中, 经常会出现操纵偏重的问题。随着推拉软轴的发展, 出现了传动性能好、传递效率高、装配简单、占据空间小、调整工作量极小的软轴操纵。目前, 国内大部分后置客车均采用了软轴操纵。然而, 软轴操纵存在着可靠性与使用寿命的问题。随着汽车相关产业的发展, 电2气元件可靠性的提高及相关技术的完善, 电控气动变速操纵技术, 在发达国家已经逐步普及到豪华客车上。对于一个五档箱来说, 电控气动技术采用了一个电脑芯片与三个执行气缸, 其操纵件是一枚手柄式开关。电控气动变速操纵有着良好的轻便性与极其小的行程。所以, 电控气动变速操纵方式将是国内变速操纵设计发展的一大方向。
112 力的传动比
降低手柄操纵力, 一个最有效的途径就是加大力传动比, 但带来的负面影响是手柄的行程将会加大。关于手柄的行程范围, 根据人体工程学的要求,客车变速操纵杆布置在以座椅中心线离靠背100mm 处为圆心, 以600mm 为半径所画的圆范围内较合适, 并要求变速操纵杆手柄在任意位置时, 均应位于转向盘下方和驾驶员座椅右边, 在离靠背100 mm处之前时, 手柄高度不低于座垫表面。如在这个范围内, 驾驶员就能很好地抓握变速杆手柄进行操作, 见图1。力传动比的大小不仅影响手柄力的大小, 而且影响手柄的行程。如JT 663 型客车, 采用EQ 140 变速器, 前进档的行程都是13 mm , 采用了变速杆力传动比为7 的直接操纵机构。在不考虑变形下, 手柄前进或后退的挂前进档的运动行程均为91 mm。图1 变速杆手柄中心位置
113 变速器的静态换档力
对于变速器的静态换档力, 国家是有标准要求的。对于中型车, 要求其静态换档力≤500 N。就JT 663 型客车所用EQ 140 型变速器而言, 其静态换档力为465 N。不考虑摩擦、防尘套的变形作用, 手柄操纵力应为66 N。不同厂家生产的不同型号的变速器, 其静态换档力是有差别的。变速器的换档力是驾驶员必须克服的力, 属于有益阻力。
114 耗散力
在变速操纵中, 驾驶员作用于手柄的力, 并没有全部用于克服变速器的换档力, 而存在部分甚至大部分通过物件的变形、热量、声音等能量形式被白白地耗散掉的问题。所谓耗散力, 定义为驾驶员作用于手柄的力, 除去用于克服变速器的换档力后所剩余的力。耗散力通常表现在杆件与支承的摩擦、支承及杆件的变形、防尘套的变形、传递中角度损失、软轴与轴套的摩擦等, 属于有害阻力。对于设计人员, 设计目的之一就是尽量降低耗散力。一般可通过合理布置走向、优化支撑与防尘罩的结构、选用合适的操纵器与支撑材料等措施来降低耗散力。
115 同步时间
在有同步器的变速器中, 操纵手柄力还与同步时间有关, 随同步时间的增大而减小。图2 是惯性式同步器的计算模型, 在分析计算中, 假设忽略润滑油阻力的影响以及在同步中车速恒定, 则换档力为:Fa=3. 14ne30J r sin atfR( 1ik+ 1-1ik) (1)式中 Fa——换档力; ne—— 发动机转速; a, R ——分别为摩擦锥面的半锥角和平均半径; J r——同步器输入端零件的转动惯量; t——同步时间; f——同步器摩擦锥面的摩擦系数; ik+ 1 , ik —— 分别为变速器第k 档和(k+ 1) 档传动比。__为减小换档力, 对同步时间应予以控制, 不能过小。客车变速器高档取013～ 018 s, 低档取1～ 115 s。另外, 从公式(1) 可看出, 各档间级差不同, 将导致各档换档力不同。级差越大, 换档力越大。所以,对同一变速器在挂不同档位时, 就会出现有的档位重, 有的档位轻的现象。拿市场上用得比较好的綦江QJ 805 五档箱来说, 各档速比分别为6135、3127、1177、1100、0181, 其各档倒数间之差分别为01149、01259、01435、01235。可见3、4 档的级差较大。在实际使用中,QJ 805 变速器3、4 档确实存在操纵重的
问题。对于一些变速器独自布置自带软垫的客车, 如亚奔的YBL 6980T 1K 型客车, 在操纵中还应考虑软垫的变形。软垫的变形无疑会损失手柄的行程。对于力传动比为7 的操纵器, 软垫变形2mm 将导致手柄行程的损失大于14 mm。
116 调整
某车采用了ZFS6290 变速器, 变速操纵采用了杆式传动。新车下线后, 发现变速操纵手柄力比较大, 特别是3、4 档操纵力, 经测量为285 N。经过认真调整后, 感到轻便多了, 测得的3、4 档操纵力为100N , 操纵力得到了显著下降。所以, 对杆式变速操纵来说, 一个比较重要的问题就是调整问题。在调整中, 一是尽量保证杆的对中, 二是注重润滑。
2 评价方法
目前, 评价车辆变速器操纵轻便性的方法尚无定量, 因此推荐采用“老手法”解决此问题, 即新车开发后, 找几位经验丰富体态各异(适中、偏高、偏矮、偏胖、偏瘦) 的驾驶员, 即“老手”, 对车的各种工况实际操作一遍, 然后, 要求他们分别对此车的变速器操纵情况发表各自的意见。首先重视反映比较强烈的意见, 加以设计改进, 直到诸方都比较满意为止。
3 结束语
总之, 客车的变速操纵设计与客车的某些总成设计相比, 并不复杂, 但是设计得好坏, 对驾驶员的
重型载货汽车变速器远距离操纵机构设计
【摘要】介绍了目前国内外变速器远距离操纵机构的类型和特点，论述了操纵机构的结构设计要求，并对几种常见的机构设计方案进行了比较，指出了各方案在设计过程中的异同之处和设计时应考虑的各种不同情况。针对该种操纵机构难于适应驾驶室翻转要求的这一难点，通过范例提出了操纵机构设计流程、设计内容及计算公式，并对操纵机构设计中出现的问题提出了解决措施。
主题词：重型载货汽车 变速器 操纵机构 设计
中图分类号：U463．212 文献标识码：A 文章编号：1000—3703(2007)04—0013—04
Design of Gearbox’S Long-Distance Control
Mechanism in Heavy Duty Truck
Wang Yuping
(Shanxi Automobile Industry Group Co．，Ltd．)
【Abstract】This paper introduces diferent types and characteristics of long-distance control mechanisms of trucktransmissions used presently of home and abroad，a general construction of designing request is discussed，at the same time，it compares with some of the familiar designing schemes，and points out the same and different conditions among these schemes，also in the process of designing，the diferent conditions should be considered．Considering it is difficult to let control mechanism adapt the cab’S overturn request，the control mechanism’S designing flow，designing content an d calculate formula are brought forward through examples，and some measures are also put forw ard in order to settle the problems in the process of designing control mechanism．
Key words：Heavy duty truck，Gearbox，Control mechanism，Designing
1 变速器远距离操纵机构的类型和特点
在进行重型载货汽车传动系结构布置时． 目前普遍采用前置(发动机)后(轴)驱动布置型式，变速器大都采用齿轮式有级变速器。这种型式具有维修发动机方便、传动系和操纵系比较简单等优点。但由于变速器距驾驶员座位远．要实现变速器直接操纵较难．因此需在变速操纵杆与变速器选挡摇臂和换挡摇臂间加装辅助杠杆或传动机构以传递运动．从而构成变速器远距离操纵机构(以下称操纵机构)。
操纵机构按变速器选挡轴和换挡轴是否分开可分为双杆式和单杆式两种类型；按变速拉杆结构不同可分为刚性和柔性两种类型；按操纵机构拉杆布置方式不同可分为左操纵型、右操纵型和左右操纵型3种类型在新车型开发过程中．通常要兼顾变型车扩展。因此，在进行操纵机构设计时，主要设计难点在于机构既要能适应驾驶室翻转又不影响操纵机构的正常工作。图l～图3是目前普遍采用的几种操纵机构，各具有其特点。图1为重型汽车SXQ4191G12D的操纵机构，属双杆右操纵型刚性机构。其主要特点是操纵性好、手感明显，但由于变速器选挡轴和换挡轴是分开的，操纵杆及支座总成布置在驾驶室地板上，因此机构零部件数量多，结构复杂。
2 操纵机构的结构设计要求在进行操纵机构的结构设计时应考虑以下几个问题。
a． 保证驾驶室内操纵杆位置符合GB／T15705《载货汽车驾驶员操作位置尺寸》中相应条款要求，即变速杆手柄工作位置应位于转向盘下面和驾驶员座椅右面不低于座垫表面的特定区域：变速杆手柄在任意位置时，距驾驶室内其它零件或操纵杆的距离不得小于50 mm
b． 变速器操纵较频繁，为增强驾驶员操纵手感，要求机构具有足够刚性，且连接件之间的间隙应尽量减小。
c． 变速拉杆总成支座应尽量固定在与变速器壳体刚性连成一体的机件(如发动机、离合器等)上。避免或减小由于车架变形及汽车振动对操纵机构产生的不良影响。
d． 应对驾驶员操纵力和操纵杆手柄的行程进行设计和校核。为减轻驾驶员疲劳。要求操纵力不大于90 N：操纵杆手柄的双向行程之和应不大于200 mm。
e． 应按变速器总成提供的直接操纵挡位图和操纵机构本身的动作特点。正确确定驾驶员操纵杆手柄上的挡位图。
f_ 操纵机构应有行程调节功能．以便在操纵不灵活的情况下对机构进行适当调整．以保证操纵机构灵活有效。
3 操纵机构的结构设计方案比较
采用何种操纵机构取决于车型特点、传动系结构布置、变速器总成结构形式及驾驶室总成技术状态等。同时还应兼顾汽车生产企业的技术和零部件资源储备情况。
3.1 刚性操纵机构
3.1.1 双杆刚性操纵机构
图1所示的双杆操纵机构的操纵杆及支座总成布置在驾驶室地板上．操纵机构不仅要克服其零部件与其它系统发生干涉．而且为满足驾驶室翻转需要。还要增加连杆传动机构．并使摇臂及支座总成的转轴中心尽可能与驾驶室翻转中心接近或重合。所以机构复杂、零件数目多。另外。由于摇臂及支座总成与变速器距离远，需利用拉杆总成通过与车架纵梁相连接的选挡摇臂、T形支架总成、摇臂及卧式支座总成来传递动力。这一段机构的布置可能会与冷却系、排气系、驾驶室后悬置总成等发生运动干涉现象。所以应在结构设计时，及时与总布置、车架及相关系统的设计作好沟通与对接，以免影响设计进度。
3.1.2 单杆刚性操纵机构
图2所示的单杆操纵机构的操纵杆支座布置在驾驶室地板下面的发动机上，为使机构不受驾驶室翻转影响，操纵杆从驾驶室地板较大的孔洞进入驾驶室，这时要考虑地板孔的防尘、防水、隔热等密封问题。有时操纵杆支座布置在驾驶室地板上．操纵机构拉杆是伸缩式的，以适应驾驶室翻转。对于前者，在发动机机体上应预先铸有操纵杆支座总成的安装位置；对于后者应考虑车架和驾驶室总成在行车当中的振动对机构的影响。
另外．单杆机构针对的变速器总成属于选挡轴__和换挡轴合为一体的情况，选挡行程是沿平行于汽车，轴的轴线横向运动，换挡行程则绕着平行于汽车y轴的轴线前后转动。
3．3 柔性(软轴)操纵机构
刚性机构有时存在机构复杂、难于布置等诸多问题。柔性机构可有效解决这些问题。如图3所示的柔性操纵机构．它利用一种推拉式软轴代替刚性拉杆用于远距离操纵。这种软轴一般由芯轴和护套组成，其芯轴为多根钢丝组成并增加了斜绕钢带，外护套为多根细钢丝斜绕而成，同时增加了内护管。也有在外护套中增加斜绕钢带以进一步提高软轴承载能力，但这会影响软轴弯曲性能。柔性机构的操纵杆及支座总成一般布置在驾驶室地板上．操纵杆及支座总成的功能与双杆刚性机构中的操纵杆及支座总成类似，主要区别是增加了软轴支撑的设计。在后部通过软轴支架与变速器总成的选挡臂和换挡臂相连，从而实现其操纵功能。
4 操纵机构的设计计算方法和设计范例
以重型汽车SXQ4191G12D的双杆刚性机构为例来说明操纵机构的设计计算流程和方法。
4．1 机构的设计流程和设计内容
在机构设计前，应首先明确整车的总布置要求，根据设计任务书收集与机构设计相关的设计资料，主要包括整车传动线夹角、车架总成外形尺寸图、驾驶室总成翻转中心点、最大翻转角度及其室内布置图，以及发动机、离合器、变速器各总成连接尺寸图和已有的机构设计资料等。在此基础上，应参考国内外有关车型的机构，设计适合的操纵机构类型且作出机构运动图，并将变速器总成提供的直接换挡挡位图转换成操纵杆手柄上的挡位图；然后根据该运动图设计计算出合理的机构传动比、操纵杆手柄的行程和操纵力；最后进行结构设计和必要的校核。结构设计主要包括操纵杆及支座总成、U形支架带摇臂总成、摇臂及支座总成、选挡摇臂及T型支架总成、摇臂及卧式支座总成、拉杆总成及回位弹簧总成等。由于这些总成的结构比较简单．这里不再详述。需要指出的是，驾驶室总成翻转过程中的运动干涉是设计中的主要问题，既要考虑驾驶室总成外形，还要兼顾机构的动作空间，一般很难一次设计成功。因此，建议在设计机构的传动比和行程时，一定要周密考虑并留有余地。
4．2 机构传动比、行程和操纵力的计算
4．2．1 换挡行程
换挡行程的传动比i和行程S计算如下：
i=(a／b)(c／d)(e仂(g／h) (1)
S=．trji(OL1+OL2)／180 (2)式中， 为变速器总成外换挡摇臂回转半径(图4中
L 0 )； 、 ：为换挡前、后摆角；S为操纵杆手柄向前和向后换挡的总行程；a,b、c、d、e、厂、g、h分别为图4中A01、B101、C103、D103、E1 、G1H1、 y2、K1y2的长度。
根据式(1)和式(2)得出的SXQ4191G12D操纵机构在换挡行程的有关数据及计算结果如表1所列表1 换挡行程计算结果
a／inin b／mm C／inin d／mm e／inin f／mm g／mm
328 100 100 135 135 70 70
h／mm OL1／(。) OL2／(。) j／mm S／mm
85 10．4 10．4 80 3．86 l12
4．2．2 选挡行程
选挡行程的传动比i 和行程S 计算如下：
= (0 ／b )(c ，)(e ／f，)(g ／h，)(r2 ／r1 ) (3)
S =可⋯i(OL1 + 2 )／18O (4)式中， 为变速器总成选挡摇臂回转半径(图4中
TL：)；OL1t、OL： 为选挡左、右极限摆角；S为操纵杆手柄相对于空档向左和向右的总行程；a 、b 、c 、d 、e 、-厂 、g 、h 、r1 、1"2 分别为图4中A01、0 2、C204、D204、E： 、G ：、 、SK：、0】R、O 的长度。根据式(3)和式(4)得出的SXQ4191G12D操纵机构在选挡行程的有关数据及计算结果如表2所
列。根据操纵机构的结构设计要求有5(S )≤5 ，
S 为结构设计要求的操纵手柄最大总行程，可取值
为200 mitt。
一1表2 选挡行程计算结果
n ／ram b ／ram c ／ram d ／ram e ／ram r ／ram g ／ram h ／ram
328 185 100 135 135 50 80 100
r1／mm r1 ／ram 1r／(。) OL 2 ／(。) j’／mm i S ／ram
65 85 18 14 93 3．71 193
4．2．3 操纵力的计算
换挡操纵力 和选挡操纵力 的计算结果均不得大于设计要求的最大操纵力 ⋯ 即
= (1 000m1／j"1 1卵)+p^≤ (5)
= (1 000m2／j2i27／ )+ ≤Fm (6)式中，m 、rrt2分别为操纵变速器总成的换挡摇臂和选挡摇臂的转矩 J：为变速器总成换挡摇臂和选挡摇臂的回转半径；’r／为操纵机构的总传动效率，机械式操纵机构取0．7～0．8；Q 为克服回位弹簧拉力所需的操纵力； 为最大操纵力，根据操纵机构的结构设计要求，可取值90 N。根据式(5)和式(6)可得出SXQ4191G12D操纵机构的操纵力有关数据及计算结果，如表3所列。表3 操纵力计算结果
●
m ／N换挡行程 •m ，1／mm ’7 Qh／N ／N
9．65 80 3．86 0．75 16_3 58
J
选挡行程 tl’t, N•m j2／mm 2 ’7 Qh’／N N
9．65 93 3．71 0．75 16-3 53．6
4．3 操纵杆手柄上的挡位图确定
变速器总成提供的挡位图一般为直接操纵挡位图，应根据操纵机构的运动特征将其转换成正确的操纵杆手柄上的挡位图。图5是重型汽车SXQ4191G12D操纵机构转换前、后的挡位图。8 5 4 1 R P 2 3 6 7(a)转换前 (b)转换后
图5 SXQ4191G12D操纵机构转换前、后的挡位
4．4 操纵机构的行程调节
操纵机构的行程调节功能可以通过旋转某拉杆总成进行，其设计方法是选择机构中调节位置合适的一组拉杆(选挡拉杆和换挡拉杆各1根)．分别将其两端头部的连接螺纹设计成相反旋向．驾驶员在需要调节时通过手握拉杆旋转即可使其伸缩．从而达到调节行程的目的。
5 操纵机构设计中常见问题及解决措施
a． 机构完全不能适应驾驶室翻转。主要原因在于操纵机构的类型选择不当，解决方法是增加连杆传动机构或选择柔性操纵机构。
b． 机构可以适应驾驶室翻转但在翻转过程中出现干涉现象。主要原因在于机构的动作空间不足，解决方法是：选择最佳的操纵机构类型；调整连杆传动机构，并使图1中的摇臂及支座总成的转轴中心尽可能与驾驶室翻转中心接近或重合。
c． 机构的操纵杆手柄与驾驶室内其它零件的距离过小或发生碰撞。主要原因在于机构的操纵杆手柄动作空间不足，解决方法是调整机构的传动比和行程。
d． 机构选挡或换挡的动作不灵活、操纵不准确。主要原因是机构中运动间隙过大或拉杆总成的长短不合适，解决方法是减小机构的运动间隙或利用具有调整功能的拉杆进行转动，实行长度微调。
e． 机构的操纵杆手柄的操纵挡位图与实际车速不符。解决方法是按变速器总成提供的直接操纵挡位图和操纵机构本身的动作特点，正确确定驾驶员操纵杆手柄上的挡位图。
￡ 机构的操纵杆手柄选挡操纵力或换挡操纵力过大。主要原因是机构的传动比较小或变速器总成相应的选挡摇臂或换挡摇臂不合适．解决方法是调整机构的传动比或改变变速器总成的选挡摇臂或换挡摇臂的回转半径．或提供具有换挡助功能的变速器总成。
6 操纵机构的试验
验证变速器操纵机构的动作是否灵活、操纵是否准确将直接影响汽车的操纵稳定性和使用性能，同时也关系到行车安全。因此，在完成机构设计后．还应对装车后的操纵机构进行试验．以检验操纵机构的挡位是否正确，操纵力、操纵行程是否达到了使用要求等，以验证设计的正确性。本文列举的重型汽车SXQ4191G12D的变速器远距离操纵机构，经过装车试验和用户使用．证明可以适应驾驶室的翻转需要和行车要求，操纵机构动作灵活、操纵准确．完全符合设计要求。
