桿式電子換擋手感設(shè)計(jì)方法

李明 梁建剛

摘 要：桿式電子換擋日益應(yīng)用廣泛，換擋感是其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。換擋力的變化是桿式電子換擋手感的重要構(gòu)成且可設(shè)計(jì)分析的部分，通過(guò)對(duì)換擋力的構(gòu)成進(jìn)行受力分析，獲得換擋力的計(jì)算方法及影響因素。

關(guān)鍵詞：電子換擋;桿式;手感;換擋力;計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）20-70-03

Abstract： Lever type electronic shift are widely used， shift feeling is one of its design contents. And the change of shift force is the main component of lever electronic shift feeling. By analyzing the composition of the shifting force， the calculation method and influencing factors of the shifting force are obtained.

Keywords： E-shift; Lever form; Shift feeling; Shift force; Calculation

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）20-70-03

引言

隨著車(chē)輛智能化普及，尤其是自動(dòng)泊車(chē)、自動(dòng)駕駛等功能的鋪展開(kāi)，這些功能都需求車(chē)輛換擋系統(tǒng)是智能可控的即為電子換擋。因此電子換擋的使用在車(chē)輛中的使用日益普及，漸有標(biāo)配之勢(shì)。電子換擋相對(duì)機(jī)械換擋具有操作更加智能，節(jié)省中控空間，造型更加具有科技感，以及擺脫變速箱機(jī)械連接束縛等優(yōu)點(diǎn)。

電子換擋的操作形式有旋鈕、按鈕、懷擋、桿式等幾種形式，其中桿式的使用最為多數(shù)。如上述，電子換擋擺脫了變速箱機(jī)械連接的束縛，操作手感有了更大的設(shè)計(jì)空間同時(shí)也對(duì)設(shè)計(jì)精細(xì)度提出更高要求。本文對(duì)單穩(wěn)態(tài)五點(diǎn)桿式操作手感進(jìn)行分析，明確手感的主要影響因素及設(shè)計(jì)方法。

1 換擋手感構(gòu)成

如圖2，單穩(wěn)態(tài)五點(diǎn)桿式有5個(gè)操作位置，通過(guò)檔位策略設(shè)置，不同的操作方式實(shí)現(xiàn)不同檔位切換。具體操作方式為：O點(diǎn)為穩(wěn)態(tài)點(diǎn)，當(dāng)換擋桿沒(méi)有受到駕駛員操作作用時(shí)，將停留在這個(gè)位置;F1為換擋桿向前操作第一個(gè)位置點(diǎn);F2為換擋桿向前操作第二個(gè)位置點(diǎn);B1為換擋桿向后操作第一個(gè)位置點(diǎn);B2為換擋桿向后操作第二個(gè)位置點(diǎn)。

按照操作方式，單穩(wěn)態(tài)五點(diǎn)桿式換擋感應(yīng)該具有的特征是這樣。駕駛員操作換擋桿到任何位置松開(kāi)手后，換擋桿應(yīng)該能自由回到O點(diǎn)位置;當(dāng)操作換擋桿到F1/B1位置時(shí)，應(yīng)該能夠使駕駛員清晰獲知已操作到位，同時(shí)在一定力的作用下可以停駐在相應(yīng)的位置。當(dāng)操作換擋桿到F2/B2時(shí)，當(dāng)作用略大力時(shí)可越過(guò)F1/B1繼續(xù)向前或者后運(yùn)動(dòng)到F2/B2位置，F(xiàn)2/B2位置應(yīng)使駕駛員清晰獲知已操作到位，并且起到限位作用即在駕駛員很大操作力下?lián)Q擋桿也不應(yīng)該繼續(xù)移動(dòng)。

1.1 物理結(jié)構(gòu)

如圖3，為一種常見(jiàn)的桿式換擋器手感實(shí)現(xiàn)方案。駕駛員操作換擋桿（球頭）繞旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，換擋桿的下方由彈簧壓緊子彈頭在手感模塊的槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，手感模塊的槽具有一定形狀，子彈頭在其上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反作用力即是手感。

其中，通過(guò)調(diào)整彈簧可以調(diào)整力的大小，通過(guò)設(shè)置手感模塊開(kāi)槽的形狀，可以獲得力隨行程變化即手感的變化趨勢(shì)。

1.2 受力分析

駕駛員手力作用在換擋桿（球頭上）通過(guò)轉(zhuǎn)軸作用的杠桿比，與子彈頭和手感模塊的作用力切向力平衡;彈簧與子彈頭和手感模塊的作用力軸向力平衡。

2 手感的設(shè)計(jì)

2.1 理論計(jì)算

如圖5，為單穩(wěn)態(tài)五點(diǎn)桿式的典型手感曲線變化趨勢(shì)。手感曲線為前后對(duì)稱(chēng)，a1點(diǎn)為出初始穩(wěn)態(tài)位置的控制點(diǎn)，a2點(diǎn)為向前/向后第一位置點(diǎn)的控制點(diǎn)，a3為向前/向后第二位置的極限限位點(diǎn)。對(duì)應(yīng)3個(gè)控制點(diǎn)的手感力分別為，F(xiàn)手1、F手2、F手3，設(shè)定合適的這幾個(gè)手感力變化趨勢(shì)及可以獲得合適的手感。

控制點(diǎn)手感力F手的設(shè)定需根據(jù)廣泛人群的評(píng)價(jià)來(lái)獲取，評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)值的獲取過(guò)程非本文的關(guān)注內(nèi)容，在此直接列出經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)獲得的幾個(gè)控制點(diǎn)力的取值如下F手1=15N、F手2=30N、F手3=60N。

L手、L1、S、k幾個(gè)參數(shù)主要由物理空間尺寸確定，根據(jù)某款換擋器的物理尺寸的限制，取值L手=86mm;L1在幾個(gè)控制點(diǎn)分別取值為L(zhǎng)11=42.7mm、L12=43.5mm、L13=53mm;S在幾個(gè)控制點(diǎn)分別取值為S1=4.5mm、S2=8mm、S3=11.6mm;彈簧k取值5.5N/mm。

將上述參數(shù)分別代入公式（1）（2）（3）進(jìn)行計(jì)算，可獲得幾個(gè)控制點(diǎn)的θ在幾個(gè)控制點(diǎn)取值，分別為θ1=55°、θ2=47.9°、θ3=23.2°。

2.2 測(cè)量評(píng)價(jià)

根據(jù)2.1條計(jì)算獲得參數(shù)，換擋手感模塊槽應(yīng)具有的剖面形狀如圖6示意，為前后對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。

依據(jù)圖6的剖面形狀，結(jié)合某款換擋器的空間布局，某款換擋器手感模塊實(shí)際設(shè)計(jì)如圖7。

配合某款換擋器設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了零件的制造及測(cè)試，實(shí)測(cè)的手感去下如圖8所示。曲線的整體變化趨勢(shì)與設(shè)計(jì)基本一致，個(gè)別控制點(diǎn)的力偏差略大，應(yīng)由于制造偏差等因素導(dǎo)致，對(duì)零件的模具進(jìn)行精修可能獲得最終需求的手感。

3 結(jié)束語(yǔ)

駕駛員對(duì)換擋手感感受實(shí)際是一個(gè)主觀的感受過(guò)程，除去力的變化這一因素，還受到其他因素的影響。其他影響因素包括：行程的大小、力在變化點(diǎn)時(shí)的行程長(zhǎng)短、整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程是否順暢、自由間隙的情況等。要想獲得一個(gè)舒適的手感，以上因素均應(yīng)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置，所有因素的影響度均可通過(guò)大樣本量的評(píng)價(jià)獲得。除去力這一因素主要依靠設(shè)計(jì)計(jì)算確定，其他因素主要是由換擋器的物理空間決定，所以本文未對(duì)其他因素開(kāi)展詳細(xì)的敘述。

本文所分析的換擋力，除文中所敘述的換擋桿槽形狀、彈簧等設(shè)計(jì)因素外，還受到換擋桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各摩擦副的影響，主要的摩擦副包括如圖3中的：換擋桿旋轉(zhuǎn)軸、子彈頭與彈簧與換擋桿之間摩擦、子彈頭與換擋感模塊之間的摩擦。考慮電子換擋的換擋力設(shè)置較小，因此摩擦副的影響不可忽略，需在設(shè)計(jì)過(guò)程中給予考慮。

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