段樹平

（揚州亞星客車股份有限公司，江蘇 揚州 225001）

中型客車變速操縱系統(tǒng)改進設計

段樹平

（揚州亞星客車股份有限公司，江蘇 揚州 225001）

針對公司中型客車操縱換檔力比較重以及選檔檔位不清的問題，經(jīng)過理論計算和測試分析，實施改進方案，并通過試驗驗證，效果較好。

中型客車；變速器；操縱；軟軸；選換檔

變速操縱是否輕便，駕駛員對此十分敏感，設計好變速操縱系統(tǒng)對客車是非常重要的[1]。前期公司客戶反映，現(xiàn)中型客車遠距離操縱換檔比較重，選檔檔位不清。針對這些問題，公司對中型客車作了一次徹底的研究分析，制定了相應的整改措施。操縱換檔系統(tǒng)由以下幾個部分組成[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)場裝配有關。因公司中型客車基本裝配哈齒CA6-85，所以以此變速器為實例，進行計算和改進。

1 軟軸效率和阻力測量

軟軸保護套與軟軸之間的摩擦力以及軟軸的轉換效率在換檔操縱力[4]中占有相當大的比重，如果軟軸布置不合理，轉變半徑過小或轉彎角度過大，都會嚴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載效率[5]的關系如表1所示。

表1 軟軸的彎曲角度與負載效率

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，而是以軟軸各處彎曲角度相加之后的值作為標準。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為105°，而不是60°。從表1中看到，當軟軸的彎曲角度等于90°時，軟軸的負載效率（換檔效率）為83.33%。

上面是MORSE提供的數(shù)據(jù)，不能真正反應實際中軟軸負載效率。因此，有必要對實際軟軸進行測量，一是檢測其是否滿足標準規(guī)定；二是找到實際的軟軸負載效率。

1）軟軸效率測試方法[6]。選取一個重量適當?shù)膶嵨?，先測量重物在地面上勻速滑行時的動摩擦力，記錄該值；然后測量軟軸內桿與軟軸外套的摩擦力；最后再測量軟軸與實物結合在一起時，拖動軟軸一端的拉力。分三種情況進行測試，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。測試工具：彈簧秤，測量范圍為0～100N，最小刻度單位為2N。

2）軟軸效率計算。假設以軟軸平直時的狀態(tài)為標準，對軟軸拐彎進行效率計算，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，軟軸成90°角時的效率為4/5.8=68.97%；軟軸繞一圈時的效率為4/8=50%。

軟軸在底盤上總會有不同程度的彎曲和拐點，角度一般不超過90°，同時，軟軸是以管夾或線扣夾緊固定在底盤上。據(jù)此推測，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，可以認為實際測量方法和結果都是有效的，因而，在后面的計算中可以使用這些測量數(shù)據(jù)。

2 換檔力的理論計算

軟軸是一根有較強剛度的繩子，因此，理論計算時可以把軟軸兩端的力看成是相等的。這樣就簡化了操縱桿力的計算模型。軟軸中由于剛繩與外套存在摩擦力，由于摩擦力相對于操縱力要小很多，所以在計算過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到換檔桿轉動點處的力臂[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，不同檔位之間的轉換都對應一個力矩。為簡化計算，力矩取一個偏大值T=13.5N·m，則F=T/L=13.5/0.09=150N。

當操縱桿在中間位置時，操縱桿處的受力分析如圖2所示。當操縱桿位置變換時，F(xiàn)3與操縱桿的夾角角度也隨之變化。現(xiàn)操縱器所設計的換檔運動角度與換檔臂角度[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為換檔臂轉動所合成力；F為軟軸端對換檔臂拉力；η1為軟軸的負載效率，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。通過對軟軸的實際測量得到，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，這個值在44N左右。

如果F放在110mm處時，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，這個值在35N左右。

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

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

3 改裝測試對比及駕駛員反映

現(xiàn)公司YBL6856H客車的軟軸螺絲是放在換檔搖臂的90mm的孔中，又因軟軸長度大概偏長50mm，軟軸前端的固定與操縱器端不在同一個平面內，而是偏約40mm。現(xiàn)對此車型改進情況如下：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孔位，以保證軟軸導向管與換檔搖臂在空檔時盡量成垂直狀態(tài)。同時，把軟軸減少40mm，盡量避免軟軸在車身上出現(xiàn)過多的彎曲過渡，在車身前端，軟軸的布置與操縱平臺處同一直線位置。調試完成后測量操縱手柄處改裝前后的操縱換檔力及行程，得到的結果見表3。

表3 改裝前后操縱力及行程實測結果對比

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成正比。這里出現(xiàn)操縱力的變化率要遠大于操縱行程的變化率的結果，可能跟軟軸在底盤上的布置變動有關。從改進過程中知道，改裝時不僅改變了換檔臂孔的位置，同時，也改變了軟軸在底盤上的布置，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載效率變化率之和。

改進之前，能明顯感覺到換檔到一定的位置時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，幾乎感覺不到阻力的存在，上下?lián)Q檔相當柔順、平滑。

現(xiàn)場對YBL6856H改進后，駕駛員也反映客車操縱選檔力適當，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檔和倒檔位置時不能自動返回到空檔位置，最大的問題是從I、II檔位置撥到倒檔位置時，中間沒有阻力上升的感覺，或中間沒有頓挫感，不能讓駕駛員感覺已經(jīng)從I、II檔位置撥到了倒檔位置。由于以上原因，使駕駛員覺得經(jīng)常找不到檔位。

原因分析：這種型號的變速器[10]箱蓋內沒有回位彈簧，如果有回位彈簧，操縱桿就能從I、II檔位置自動回位到空檔位置，如果再在I、II檔和倒檔內部加裝一根小彈簧，則當操縱桿從I、II檔位置移動到倒檔位置時，由于小彈簧的作用，就會再施加一個阻力給操縱手柄，這時駕駛員就能明顯感覺到手柄從I-II檔位置進入到倒檔位置。經(jīng)過與哈齒聯(lián)系，最終哈齒確定在他們的變速器內加裝一組彈簧。哈齒經(jīng)過廠內試驗，確定在變速器箱蓋內加裝兩根彈簧，可以起到改善操縱選檔的效果。后又經(jīng)過在我公司現(xiàn)場的調試，組合幾組方案進行試驗后，最后采用兩根一長一短、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題。

4 結 論

通過理論計算與分析，經(jīng)過現(xiàn)場最終調試和驗證，采用以下方案解決了公司YBL6856H客車操縱換檔重和選檔不清的問題：

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

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

[1]李伯岳.客車變速操縱系統(tǒng)的設計[J].客車技術與研究，2005，27（1）:24-26.

[2]陳家瑞.汽車構造（第3版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3]李伯岳.客車變速器懸置開發(fā)與應用[J].客車技術與研究，2004，26（3）:22-23.

[4]陳培哲，孫寶忠.基于人機工程學的客車變速操縱系統(tǒng)設計[J].客車技術與研究，2010，32（5）:15-17.

[5]劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[6]日本自動車技術會.汽車工程手冊7：試驗評價篇[K].中國汽車工程學會，譯.北京：北京理工大學出版社，2010.12.

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

[9]QC/T29063-1992，汽車機械式變速箱總成技術條件[S].

[10]張莉，朱波，王鼎龍，等.變速器齒輪沖擊試驗的加載方式研究 [J].客車技術與研究，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

段樹平（1973-），男，工程師；主要從事客車底盤設計工作。