汽車換擋機構設計指南

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底盤系統(tǒng)設計指南 目 錄 第二章 換檔機構 1 簡要說明 33 1.1變速操縱機構綜述 33 1.2 設計目的 33 1.3 適用范圍 34 1.4 裝置的零部件構成圖 34 2 設計構想 36 2.1 設計原則 36 2.2 設計參數(shù) 36 2.3 軟軸拉線的布置 41 2.4 環(huán)境條件 41 2.5 設計基本限制因素 42 2.6 零件裝配設計 43 4.1 通過什么樣的標識進行識別 121  第二章 換檔機構 1 簡要說明 1.1變速操縱機構綜述 1 汽車變速操縱機構分為手動變速操縱機構（MT）、自動變速操縱機構（AT&CVT&AMT）。 2 按傳遞行程和力的方式可分為拉索式換檔操縱裝置、桿系換檔操縱裝置及電訊號直接驅動換檔裝置;如圖 2, 桿系換檔操縱裝置它是由一根或者兩根細長的（空心）剛性桿件組成的。因為是空間運動桿系，其運動分析和自由度的確定，無論是用作圖法，或用解析法都是比較復雜的；運動件本身的干涉，及其與相鄰件干涉的校核也是相當繁瑣的；還好，現(xiàn)在可以借助于CAE使設計分析工作簡化和可靠。同時，這種結構還有一個很難克服的問題，就是由于其運動鏈長，桿件剛度弱，鉸接處存在間隙，且潤滑不便等原因，容易產生振動、噪聲、檔位不清晰、換檔操縱手感不良等現(xiàn)象。于是，一種拉索式換檔操縱裝置應運而生，并將逐漸取代桿系換檔操縱裝置. 如圖 1,為拉索式換檔操縱裝置.所謂拉索式換檔操縱裝置，是用一種柔性的推拉軟軸替代空間運動的剛性的桿件。這種換檔操縱裝置克服了上述剛性空間桿系存在的那些問題。同時柔性推拉軟軸的走向“自如”，給汽車的總體布置和變速器操縱裝置的安排帶來諸多方便。而且柔性軟軸具有吸振的作用，能夠消除動力總成和車身傳至換檔操縱手柄的振動，因此能得到清晰的檔位和舒適的手感。拉索式操縱因其易于布置，傳遞效率高，成本低廉，目前是最常用的結構. 以上兩類都屬于手動換檔操縱機構;自動換檔操縱機構中也用到拉索式操縱裝置,如圖1.4-3,同時也用到電訊號驅動裝置以實現(xiàn)特殊的換檔要求;在電控機械自動變速箱(AMT)上則完全使用電訊號驅動裝置完成換檔. 1.2 設計目的 1.在任何情況下能夠可靠地實現(xiàn)換檔,并保證換檔平順; 2.在任何行駛條件下須保證操縱機構總成可靠的操縱力及操縱行程輸出; 3.布置上，應充分考慮到人機工程因素，確保最適宜的行程、力及操作位置，保證拉線在前艙的走向應平順，避開相關干涉，遠離熱源等； 4.涉及到電子通訊部分，須保證對輸入信號的準確識別、可靠的信號處理及精確輸出，并具備相應的抗干擾能力； 5.滿足在不同工作溫度下，保證足夠的傳遞效率及操作手感； 6.使用壽命的要求； 7.對外觀有要求的件（如換檔手柄、防塵罩、換檔面板等），應與整車內飾相匹配，并滿足整車定位對料質、做工、性能等因素的要求； 8.結構簡單、緊湊、質量小、工藝性好、維修方便及適合大批量生產，充分體現(xiàn)平臺共用最大化的原則. 1.3 適用范圍 適用于各車型通用手動及自動變速操縱機構裝置； 1.4 裝置的零部件構成圖 圖 1拉索式換檔操縱裝置 1.變速操縱機構總成 2.螺栓 3.過渡支架總成 4.選換檔拉線總成 5.螺栓 6.軟軸卡箍 7．軟軸支架 8.螺栓 9.開口銷 10.換檔手柄及護罩總成 圖2桿系換檔操縱裝置 1. 換檔操縱機構總成 2.螺栓 3. 選檔臂總成 4.換檔軸及支架總成 5.螺栓 6.選檔拉桿Ⅰ總成 7.選檔搖臂總成 8.襯套 9.螺栓 10.選檔拉桿Ⅱ 11.開口銷 12.螺母 13.搖臂總成 14.螺母 15.螺栓 16.換檔手柄及護套總成 圖3自動換檔操縱機構帶拉索裝置 1. 螺母 2.自動換檔操縱機構總成 3.卡箍 4. 軟軸拉線總成 5. 螺栓 6. 螺栓 7. 軟軸支架 8. 組合螺母 2 設計構想 2.1 設計原則 1.該零件的功能要求 1) 能夠可靠地實現(xiàn)換檔; 2) 保證操縱機構總成可靠的操縱力及操縱行程輸出; 3) 涉及到電子通訊部分，須保證對輸入信號的準確識別、可靠處理及精確輸出，并具備相應的抗干擾能力； 4) 壽命要求； 2.該零件的顧客要求 1) 操縱須輕便、準確、換檔平順； 2) 外觀應與內飾搭配協(xié)調，做工較精細，手感應較好； 3.該零件的性能要求 1) 通過性能試驗及整車可靠性試驗要求； 2) 工作性能應穩(wěn)定、可靠，使用壽命長； 3) 應保證在－40C至90C溫度區(qū)間內，可靠的實現(xiàn)功能； 4) 力求做到結構簡單、緊湊、重量輕、制造工藝性好及拆裝維修調整方便等。 2.2 設計參數(shù) 1. 決定尺寸的因素 1) 布置因素：總成周邊的邊界空間是決定總成外廓尺寸和軟軸走向的直接因素； 2) 變速箱對輸入的要求：主要涉及換檔行程和換檔力的輸入要求； 3) 結合人機工程的布置及總體杠桿比調校，即可確定總成的運動尺寸； 2. 決定重量的因素 1) 零部件外廓尺寸； 2) 加工工藝及材質：目前廣泛采用的是整體注塑成型工藝，一般為工業(yè)塑料；部分高檔產品也采用鑄鋁件； 3) 沖壓焊接件因其重量大，工藝復雜，質量過程控制困難等因素，已漸有減少的趨勢。 3.手動換檔操縱裝置的行程及杠桿比的設計 1) 換檔操縱手柄的行程 換檔操縱裝置手柄的行程是影響換檔操縱手感的主要技術性能指標之一，在選取換檔操縱裝置手柄的行程時要符合以下原則： a. 轎車手動變速器操縱裝置手柄的換檔行程，一般為100～150（mm）； b. 選檔行程（多數(shù)用換檔操縱桿的擺角控制）要小于換檔行程； c. 倒檔換檔行程要等于或大于前進檔的換檔行程。 d.選取操縱裝置手柄行程時要注意以下兩點：第一，手柄位置應適應整車布置的要求，接近性好，便于操縱；第二，手柄向前換檔時不能碰到儀表板，選檔和向后換檔時不能碰到座椅墊和手制動手柄等。 2) 換檔操縱裝置的杠桿比 首先根據(jù)同步器換檔（或移動齒輪換檔）所需的行程，設計換檔撥叉軸上的檔位鎖止槽的距離，然后用下式計算出操縱裝置所需的杠桿比: 式中：is ——變速器換檔機構的杠桿比。 ——FF變速器換檔操縱裝置多采用軟操縱裝置，因此在計算時要考慮軟換檔操縱裝置的位移效率。 4.換檔操縱手柄的作用力和杠桿比的校核 換檔操縱裝置杠桿比的另一個約束條件是作用在手柄上的換檔力，推薦轎車操縱手柄的換檔力[7]。 在“摘檔→同步效應→掛檔”的全過程中，同步效應時的作用力Fs最大，因此用Fs校核換檔操縱裝置杠桿比。校核表達式如下： 式中：—— 同步效應時作用力； —— 現(xiàn)代變速器換檔操縱裝置多采用軟操縱裝置，因此在計算時要考慮軟換檔操縱裝置的傳動效率。 當操縱手柄的換檔力不在推薦范圍內時，可適當?shù)恼{整換檔操縱裝置的杠桿比，同時也應兼顧換檔操縱手柄的行程是否理想。 換檔操縱裝置的杠桿比最終確定以后，還要根據(jù)換檔操縱裝置的結構特點，把計算的總杠桿比合理的分解到各個桿件，并確定各個桿件的最終設計長度。 5.換檔操縱裝置的桿系運動學分析 換檔操縱裝置是三維空間運動桿系。當換檔操縱手柄的運動軌跡確定以后，需要對換檔操縱裝置的各個桿件和鉸接點的自由度、約束、運動干涉等作機構運動學分析。 通常情況下，可用簡便可靠的“作圖法”進行定性的分析；當需要作定量的分析時，則可用比較麻煩的“解析法”求解。不過，現(xiàn)在一般的三維軟件都有機構運動學分析的功能，這為換檔操縱裝置的設計和分析提供了極大的方便。 6.拉線式變速操縱機構的校核計算 圖4 拉線式換檔機構的簡化模型 Fh = Fh1 (N) H = h1 (mm) Fx = Fx1 (N) X = X1 (mm) Fh1-換檔力,變速箱換檔所需力 (N); Fx1-選檔力,變速箱選檔所需力(N); h1-換檔位移量,變速箱換檔所需行程 (mm); ηx — 拉線位移效率 X1-選檔位移量,變速箱選檔所需行程 (mm); ηf — 拉線載荷效率 Fh-駕駛員操縱換檔機構所需換檔力(N); — 換檔機構傳動效率 Fx-駕駛員操縱換檔機構所需選檔力(N); h－ 駕駛員操縱換檔機構所需換檔行程(mm); X－駕駛員操縱換檔機構所需選檔行程(mm); 7.自動換檔操縱機構的參數(shù)設計 1) 自動變速箱的類型及特點 汽車自動變速箱常見的有三種型式，分別是液力自動變速箱（簡稱AT）、機械無級自動變速箱（簡稱CVT）、電控機械自動變速箱（簡稱AMT）。目前轎車普遍使用的是AT，AT幾乎成為自動變速箱的代名詞。 與手動變速箱相比，液力自動變速箱（AT）在結構和使用上有很大的不同。手動變速箱主要由齒輪和軸組成，通過不同的齒輪組合產生變速變矩；而AT是由液力變扭器、行星齒輪和液壓操縱系統(tǒng)組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達到變速變矩。其中液力變扭器是AT最具特點的部件，它由泵輪、渦輪和導輪等構件組成，直接輸入發(fā)動機動力傳遞扭矩和離合作用。 CVT采用傳動帶和可變槽寬的棘輪進行動力傳遞，即當棘輪變化槽寬肘，相應改變驅動輪與從動輪上傳動帶的接觸半徑進行變速，傳動帶一般用橡膠帶、金屬帶和金屬鏈等。CVT是真正無級化了，它的優(yōu)點是重量輕，體積小，零件少，與AT比較具有較高的運行效率，油耗較低。但CVT的缺點也是明顯的，就是傳動帶很容易損壞，不能承受較大的載荷，因此在自動變速器占有率約4%以下。 AMT在機械變速器（手動變速箱）原有基礎上進行改造，主要改變手動換檔操縱部分。即在總體傳動結構不變的情況下通過加裝微機控制的自動操縱系統(tǒng)來實現(xiàn)換擋的自動化。因此AMT實際上是由一個 機器人系統(tǒng)來完成操作離合器和選檔 的兩個動作。其優(yōu)點是效率高，成本低，由于AMT能在現(xiàn)生產的手動變速箱基礎上進行改造，生產繼承性好，投入的責用也較低，容易被生產廠接受。其缺陷是換檔過程中動力中斷，有負加速。AMT的核心技術是微機控制，電子技術及質量將直接決定AMT的性能與運行質量。據(jù)悉我國今后的汽車自動變速箱國產化將重點發(fā)展AMT。 近年來在歐洲流行一種雙離合器自動變速器，簡稱DCT。DCT將單數(shù)檔和雙數(shù)檔的齒輪分給兩組離合器控制，變速箱由雙中間軸。其優(yōu)點是換檔時間縮短，動力不中斷。雙離合器自動變速器將是未來變速箱的一種趨勢。 2) 自動換檔操縱機構的參數(shù)設計 對于AT和CVT的變速箱,換檔機構的形式和控制策略是差不多的,而AMT的換檔操縱機構則完全由電訊號驅動.自動換檔操縱機構裝置行程及換檔力的設定方法可以參照手動換檔機構;但由于自動換檔操縱機構裝置涉及到電訊號,因此首先要有功能定義,是否需要P檔鎖止機構、手動解鎖機構、檔位顯示等功能,根據(jù)變速箱TCU以及整電器提供的輸入來設計開發(fā)自動換檔操縱機構的電訊號驅動裝置. 3 )自動換檔機構的設計標準 2.3 軟軸拉線的布置 拉線在前倉布置時走向應平順（最小曲率半徑為R160）,過渡的圓弧越大越好；避免和前倉內的運動件干涉，遠離熱源；為降低力在拉線上的損失 ,通過軟軸支架軟軸拉線(如圖5)應與變速箱選檔(換檔)臂行程范圍中心線成90，如下圖所示。 圖5 軟軸布置角度示意圖 2.4 環(huán)境條件 1) 零件的工作溫度范圍 在-40C~90C工作溫度區(qū)間內應保證潤滑充分，橡膠部件其特性無變異，檔位操縱順暢準確；電子器件工作特性正常，外觀件不得有不可回復的變形；在120C溫度區(qū)間放置10分鐘，不得有零件自燃及可燃成分滴下； 2) 其他注意事項 選換檔拉線及其附件（支架、卡箍等）因布置于前倉，環(huán)境復雜惡劣，故對溫度，鹽霧，老化，臭氧均有嚴格要求；詳見企業(yè)標準SQR.04.285. 2.5 設計基本限制因素 1.變速箱輸入 主要包括： 檔位布置（前進檔位數(shù)及各檔位分布情況）行程，選換檔力(或換檔沖量)，空行程量，同步器沖擊力等；具體計算方法見2.2.3手動換檔操縱裝置的行程及杠桿比的設計和2.2－4換檔操縱手柄的作用力和杠桿比的校核. 2.TCU對輸入信號及控制策略的要求 主要針對AT或CVT變速箱；隨著自動變速箱技術的日益成熟，控制策略也越加復雜；因我公司目前尚未具備變速箱的完全開發(fā)能力，故目前自動檔車型均大量引進歐美日成熟變速箱；其控制策略多種多樣，要求操縱機構的輸入信號也都不同；較為簡單的是采用開關觸發(fā)信號（如B11－1504010）；復雜的有采用霍爾電磁感應式傳感器（A15-1504010）等；鑒于國內供應商的開發(fā)實力，較為常規(guī)的做法是仿制原件進行開發(fā)；對于自行研發(fā)或合作研發(fā)的自動變速箱則統(tǒng)一了通訊信號的定義，如CVT19及4HP20等，都采取了B11的通訊信號系統(tǒng)； 變速箱的控制策略決定了操縱機構的電路系統(tǒng)；前期的操縱機構只是起著傳遞行程和力的基本用途，其研發(fā) 難度與MT相當；但隨著汽車電子技術和變速箱技術飛速發(fā)展，特別是手自一體式變速箱和CVT的出現(xiàn)，對操縱機構的電路系統(tǒng)提出更高的要求：操縱機構需提供“＋、－”檔的操縱信號，檔位信號，儀表顯示；提供P檔鎖止的輸入端子；某些特殊功能如“WINTER”模式、“SPORT”模式、“OVERDRIVE”模式的操縱觸發(fā)信號等； 3.布置因素 包括軟軸拉線的布置：曲率應大于等于R200；走向應留有彎曲余量，以確保動力總成抖動時（按最大15mm）的可伸縮量；遠離熱源和運動部件等； 操縱手柄的布置：應符合人機工程要求; 4.外觀要求 取決于手柄和面板（防塵罩）的A面造型及整車的內飾定義；常見的表面處理有仿桃木、鍍鉻（鎳）、包裹真皮等； 2.6 零件裝配設計 1.組成該系統(tǒng)的的零部件 參見裝置圖1、2和3. 2.該部件在該零件上的定位、裝配模式／組裝 若機構為機構為沖壓焊接件，則其安裝、定位靠主要靠焊接夾具予以保證；產品一致性較差；如B11-1504010、S11-1703010等；如圖6; 圖6 目前廣泛應用的為注塑成形；其主體部分為一次注塑成形，部件連接多采用過盈配合壓裝，輔以卡箍、鉚釘?shù)榷喾N連接方式；雖然模具的一次性投入較大，但重量輕，質量穩(wěn)定，生產成本低，更適宜大批量生產；此種結構的主要缺點是模具修整困難，不易返工；拆裝不便等；如A15-1504010等； 圖7 拉線與操縱機構，拉線與車身、拉線與軟軸支架、手柄與操縱桿等的裝配，均采用自鎖式卡接結構，且連接處多采用橡膠阻尼，以增強緩沖，改善振動與操作手感；詳見圖1和圖3. 3.各部件的裝配要求 裝置內部各部件之間的連接要求定位準確，連接可靠；最好為“軟連接”，以抵消動力總成振動引起的沖擊；尤其是拉線與操縱機構之間的連接通常要求拉線為長度可調的，以確保拉線的行程可以均勻分配； 4.系統(tǒng)內的部件材料說明 因各種操縱機構的結構、制造方式不同，下面以A21變速操縱機構裝置為例說明； 表2 A21換檔操縱裝置材料定義 5.特別注意事項 1 )調節(jié)裝置 裝置內軟軸拉線應設置可調節(jié)長度的調節(jié)機構，確保最終的裝配誤差可在此處予以釋放，以保證實現(xiàn)換檔機構的功能要求；通常此調節(jié)處設置于拉線與機構連接處（或拉線與變速箱搖臂連接處） 2) 通用化要求 各部件之間的接口采用通用化、標準化接口，以保證可靠性，加快開發(fā)進度； 3)行程匹配與杠桿比的選擇 作為顧客要求，確保操縱裝置各檔位行程和操縱力均勻，且數(shù)值保持在適宜范圍內，操作便利； 4) 對于有特殊功能要求的變速操縱系統(tǒng)，應在結構設計初期予以充分考慮； 例如自動檔的“P”檔鎖止功能，檔位指示燈順序顯示功能等；手動檔的倒檔鎖止功能等； 5)通訊信號 應確保操縱機構所發(fā)出的信號免受溫度、干擾信號等的影響，可準確、唯一、可靠的傳遞至TCU、ECU或GIU，執(zhí)行正確的操作指令； 6. 圖紙模式 圖紙應包含以下內容： 裝置各部件的輪廓尺寸； 行程尺寸； 系統(tǒng)各部件間及系統(tǒng)間的配合接口尺寸； 通訊信號的定義及檢測方式； 技術要求:包含靜態(tài)、動態(tài)強度，及耐久性，耐溫性，耐蝕性，耐候性的性能要求； 布置尺寸:含整車的相關布置坐標信息及布置要求； 16 ★ 機密文件 嚴禁外傳 ★