劉志剛 王振興 譚火南 李亞飛

摘要：為了研究乘用車換擋操縱拉索性能與結(jié)構(gòu)和布置因素的影響，分兩個(gè)階段對選換擋操縱推拉索性能提升進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，拉通性能與因素之間的客觀聯(lián)系。第一個(gè)階段采用析因法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將拉索結(jié)構(gòu)影響因素（護(hù)管材料、芯線結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯管材料、間隙潤滑脂、總長度）制作成“樣件編碼表”，再結(jié)合空間布置影響因素（總彎曲角度、曲率半徑），設(shè)計(jì)出“試驗(yàn)矩陣表”。按照一定的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得每個(gè)影響因素對拉索性能的影響客觀數(shù)值，再對影響因素進(jìn)行權(quán)重分析。得出結(jié)構(gòu)可以通過組合分成性能好和性能差兩種狀態(tài)，結(jié)構(gòu)方面內(nèi)襯管材料和潤滑脂加注量，布置方面曲率半徑、彎曲角度對性能影響權(quán)重大。第二階段，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和布置優(yōu)化兩個(gè)維度對拉索陛能提升進(jìn)行研究，獲得R70/438°和R150/176°兩種極限狀態(tài)的負(fù)載效率分別為63.1%和92%，并進(jìn)一步得到R90/360°、R110/270°和R130/227°幾種中間狀態(tài)的負(fù)載效率分別為69.6%、76.2%和86.6%。結(jié)果表明，常用的單獨(dú)某一項(xiàng)的影響因素，對性能的最終結(jié)果影響不大，但因素組合后變化就變得很明顯，特別是彎曲角度和曲率半徑的組合。

關(guān)鍵詞：汽車工程;拉索性能提升;試驗(yàn)設(shè)計(jì);換擋拉索;析因法;樣件編碼;負(fù)載效率

中圖分類號：U463.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0054-08

劉志剛

畢業(yè)于長安大學(xué)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，從事底盤系統(tǒng)及零部件研發(fā)工作，主要研究方向：換擋操縱系統(tǒng)及零部件開發(fā)。前言

換擋操縱手柄作為用戶日常駕駛中頻繁操作的人機(jī)接口，換擋手感的好壞直接影響品牌形象。而換擋推拉索的性能是影響換擋手感的重要因素之一。在整體提升換擋手感之前，有必要對推拉索性能進(jìn)行深入研究。

乘用車新車型開發(fā)過程中，選換擋操縱拉索在結(jié)構(gòu)選型和空間布置時(shí)，往往是通過經(jīng)驗(yàn)在理論上進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒有具體的客觀數(shù)值進(jìn)行指導(dǎo)。

肖俊華等采用理論公式的方法來計(jì)算換擋拉索無效行程和負(fù)載效率，并找出它們與拉索的整車布置、護(hù)管與芯線間隙、護(hù)管與芯線摩擦力等因素的客觀關(guān)系。但該方法在計(jì)算時(shí)，將相關(guān)參數(shù)理想化，在實(shí)際應(yīng)用中最終試驗(yàn)室獲得的結(jié)果與之有一定的差異。

關(guān)麗麗等設(shè)計(jì)的拉索總成試驗(yàn)臺架，是一個(gè)基礎(chǔ)拉索性能測試模型工具，介紹了臺架的總體方案和布置設(shè)計(jì)，以及簡單的測試方法。對于拉索性能與相關(guān)影響因素的客觀聯(lián)系試驗(yàn)方法并沒有提出，也沒有客觀數(shù)值測量結(jié)果的分析與研究，只能作為試驗(yàn)的一個(gè)基本方案，并不能實(shí)際指導(dǎo)整車開發(fā)過程中換擋拉索布置設(shè)計(jì)。

按照實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，我們知道影響拉索性能的影響因素很多，也可以羅列出來，但每個(gè)因子影響的程度卻不是很明確，本文通過析因法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分兩個(gè)階段來研究之間的客觀規(guī)律。

第一階段，根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，通過樣件編碼和試驗(yàn)矩陣工具，分析每種影響因素不同狀態(tài)對應(yīng)的拉索客觀性能。然后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的敏感度，對影響因素的影響權(quán)重進(jìn)行排序。

第二階段，將影響權(quán)重大的因子提取出來，進(jìn)行組合，并細(xì)化影響因素狀態(tài)，進(jìn)行客觀測試。獲取拉索性能與影響因素之間的直接客觀聯(lián)系，以便于指導(dǎo)整車開發(fā)中拉索的結(jié)構(gòu)和布置設(shè)計(jì)。

1影響因素分析與選擇

1.1試驗(yàn)對象

本文所述的乘用車選換擋推拉索性能，包含無效行程、行程效率、無負(fù)載滑動阻力和負(fù)載效率。無效行程/無負(fù)載力，數(shù)值越小，性能越好;行程效率/負(fù)載效率，數(shù)值越大，性能越好。

1.2影響因素確定

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，總結(jié)出如圖1所示的相關(guān)影響因素。結(jié)構(gòu)方面有：拉索總長度、護(hù)管結(jié)構(gòu)、芯線結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯管材料、間隙（內(nèi)襯管與芯線之間）和油脂的填充量共6個(gè)因素;應(yīng)用和布置方面主要有：負(fù)載/行程大小、總彎曲角度和最小曲率半徑。

2析因試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)目的

根據(jù)上述圖1所示的影響因素得知，對換擋推拉索性能影響的因素較多。為了更全面的考察這些影響因素對拉索性能的影響，按排列組合的方法對以上所有影響因素進(jìn)行一一驗(yàn)證，需要進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)非常多，若試驗(yàn)之間的關(guān)系不明確的話，得不出有效的結(jié)論。針對此，引入析因法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.2析因法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

假設(shè)：拉索負(fù)載效率僅由長度L、曲率半徑R和彎曲角度A，3個(gè)因素影響，每個(gè)因素僅有兩種狀態(tài)。

狀態(tài)1：R1=150mm、L1=1000mm，彎曲角度A1=90°時(shí)，測得負(fù)載效率η=59%;

狀態(tài)2：R1=150mm、L1=1000mm，彎曲角度A2=180°時(shí)，測得負(fù)載效率η=79%;

狀態(tài)3：R1=150mm、L2=1500mm，彎曲角度A1=90°時(shí)，測得負(fù)載效率11=52%;

狀態(tài)7：R2=200mm、L1=1000mm，彎曲角度A1=90°時(shí)，測得負(fù)載效率η=61%;

狀態(tài)8：R2=200mm、L1=1000mm，彎曲角度A2=180°時(shí)，測得負(fù)載效率η=87%。

以上采用的是單因素變化法，僅是針對彎曲角度不同獲得的結(jié)果，如果事先不規(guī)劃，想知道半徑、長度不同時(shí)的結(jié)果，還得重復(fù)再測試2×8=16種狀態(tài)。

使用完全析因法，將半徑、長度和角度按兩種狀態(tài)排列組合如上表所示。僅完成一組8種狀態(tài)測試，并繪制表格，如表1所示，可直觀得出各因素對結(jié)果的影響程度，以及相互之間的關(guān)系。

2.3試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

按照析因法試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，有n個(gè)影響因素，每個(gè)因子僅考慮兩種狀態(tài)，為了得出所有n個(gè)影響因素對測試結(jié)果的影響，總的試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)為2ⁿ次。按照前文所述，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)挖掘出來的因子至少9個(gè)，這樣總的試驗(yàn)次數(shù)將達(dá)到2⁹=512次。

但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，很多影響因素并不僅僅只有兩種狀態(tài)。比如，常用的護(hù)管結(jié)構(gòu)有3種，常用的芯線結(jié)構(gòu)有5種，長度、曲率半徑、總彎曲角度等因素更是線性持續(xù)變化的，總試驗(yàn)次數(shù)將超過10000次，全部做完是不現(xiàn)實(shí)的。

同時(shí)，為了實(shí)際操作可執(zhí)行性，并保證測量結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了“樣件結(jié)構(gòu)與編碼規(guī)則”、“試驗(yàn)矩陣圖”兩個(gè)試驗(yàn)指導(dǎo)文件。

表2所示，“樣件結(jié)構(gòu)與編碼規(guī)則”主要考慮結(jié)構(gòu)對拉索性能的影響，將各種影響進(jìn)行組合，形成了樣件編碼表，即方便樣件的制作與管理。又可以為后續(xù)試驗(yàn)實(shí)操提供準(zhǔn)確地樣件信息。

表3所示，“試驗(yàn)矩陣圖”主要考慮空間布置對拉索性能的影響，并綜合考慮結(jié)構(gòu)因素，將“編碼”分布在矩陣圖中，形成了有效可執(zhí)行的試驗(yàn)操作文件。如此做，可使試驗(yàn)規(guī)劃更有條理，不會有遺漏，也方便后續(xù)結(jié)果數(shù)據(jù)提取與分析。

在樣件規(guī)劃和試驗(yàn)矩陣圖設(shè)計(jì)完成后，還需要對試驗(yàn)臺架及測試軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，確定試驗(yàn)參數(shù)，并統(tǒng)一測試操作規(guī)范和數(shù)據(jù)分析規(guī)范。整個(gè)試驗(yàn)過程如圖2所示：

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如表4所示，臺架、測試軟件、測試操作規(guī)范和數(shù)據(jù)處理規(guī)范，不是本文關(guān)注重點(diǎn)，此處不再贅述。

2.4影響因素提取研究與分析

將以上試驗(yàn)過程執(zhí)行完成（稱為第一階段測試），可以得到拉索性能與每項(xiàng)影響因素客觀聯(lián)系。實(shí)際上眾多因素中，對性能真正產(chǎn)生明顯影響的因素只是其中的一部分。

通過研究與對比分析，將影響幅度大的因素提取出來，進(jìn)行組合，再做了進(jìn)一步研究（第二階段測試），重新設(shè)定試驗(yàn)條件，將影響關(guān)聯(lián)度高的因子參數(shù)細(xì)化，從而得出能夠指導(dǎo)實(shí)際車型開發(fā)中應(yīng)用的參數(shù)。

3試驗(yàn)測試結(jié)果分析

3.1各影響因素對性能影響

如表2樣件結(jié)構(gòu)與編碼規(guī)則和表3試驗(yàn)矩陣表所示，試驗(yàn)矩陣圖中的每一次試驗(yàn)，都是針對一種特定拉索結(jié)構(gòu)+特定的布置方式（為了考慮試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種相同結(jié)構(gòu)的樣件都做了3根，并分別進(jìn)行試驗(yàn)）。

第一階段試驗(yàn)結(jié)束后，從分析數(shù)據(jù)中分別提取護(hù)管結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯管材料、芯線結(jié)構(gòu)、間隙、潤滑脂、樣件長度、曲率半徑、彎曲角度和負(fù)載大小等每個(gè)因子對拉索性能的影響，并對影響因素權(quán)重進(jìn)行了排序。

3.1.1護(hù)管結(jié)構(gòu)

圖3所示為兩種護(hù)管結(jié)構(gòu)，分兩組并按相同的布置方式所測得的性能結(jié)果（平均值）。結(jié)果顯示兩種結(jié)構(gòu)性能各有優(yōu)劣，護(hù)管B無效行程、無負(fù)載力和行程效率較好，護(hù)管A的負(fù)載效率好。

圖4所示結(jié)果，內(nèi)襯管材料為PTFE的樣件性能較優(yōu)，效率可以提高2%-3%。

3.1.3芯線結(jié)構(gòu)

如圖5所示，兩種芯線結(jié)構(gòu)對性能影響各有優(yōu)點(diǎn)，但性能相差不大。

3.1.4曲率半徑

3.1.5彎曲角度

3.1.6樣件長度

3.1.7間隙

3.1.8潤滑脂

3.1.9負(fù)載大小

3.1.10所有因子對性能影響及權(quán)重

上述是部分因子的影響，所有因子的影響如下表所示：

表5所示影響權(quán)重排布，是從性能結(jié)果和實(shí)際使用情況進(jìn)行綜合考慮得出的。結(jié)構(gòu)方面影響性能較大的因子是內(nèi)襯管材料和潤滑脂加注量（與實(shí)際生產(chǎn)控制相符），布置方面兩個(gè)因子對性能的影響都很大，且布置影響比重大于結(jié)構(gòu)。

表5將性能好和性能相對差的所有因子（結(jié)構(gòu)和布置方式）分成了兩種狀態(tài)。在第二階段的試驗(yàn)中，會將所有最好狀態(tài)結(jié)構(gòu)因子組合成一種樣件，將所有最差狀態(tài)結(jié)構(gòu)因子組合成另一種樣件，然后去研究兩種不同布置狀態(tài)下的性能表現(xiàn)。

4第二階段試驗(yàn)測試與結(jié)果分析

4.1優(yōu)化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

整車實(shí)際開發(fā)過程中，需要典型狀態(tài)的客觀數(shù)值。故此，設(shè)計(jì)出兩種極限的結(jié)構(gòu)狀態(tài)（如表6所示）和布置狀態(tài)（表7所示）。

4.2優(yōu)化試驗(yàn)測試結(jié)果

由以上測試結(jié)果可知：

結(jié)構(gòu)、布置單獨(dú)優(yōu)化，拉索性能均有優(yōu)化，布置影響>結(jié)構(gòu)影響;

好的布置狀態(tài)（b），結(jié)構(gòu)優(yōu)化對性能的影響小;差的布置狀態(tài)（a），結(jié)構(gòu)優(yōu)化對性能影響急劇變大;

優(yōu)化敏感度：無負(fù)載力/負(fù)載效率>無效行程/行程效率。

4.3補(bǔ)充布置方式測試

為了能夠更直觀地指導(dǎo)設(shè)計(jì)，我們增加了三種布置方案，如下：三種布置方案下的性能測試結(jié)果如下所示：

5結(jié)束語

（1）采用析因法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，制定了“樣件結(jié)構(gòu)和編碼規(guī)則表”、“試驗(yàn)矩陣表”，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的試驗(yàn)過程與試驗(yàn)參數(shù)表。

（2）通過試驗(yàn)測試獲得影響因素護(hù)管結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯管材料、芯線結(jié)構(gòu)、曲率半徑、彎曲角度、樣件長度、間隙、潤滑脂和負(fù)載大小對拉索性能影響的客觀數(shù)值，并得到對拉索性能影響權(quán)重大的布置因素是曲率半徑和彎曲角度、結(jié)構(gòu)因素是內(nèi)襯管材料和潤滑脂加注量。

同時(shí)，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，單個(gè)因素對性能的影響不大，組合后影響變大，特別是最小曲率半徑與總彎曲角度的組合。

（3）匯總第二階段的測試結(jié)果，按照兩種結(jié)構(gòu)分別制表如下：

在整車性能目標(biāo)設(shè)定時(shí)，可以快速的查詢上述兩個(gè)表格，選擇最佳的結(jié)構(gòu)與布置方案。