商用車換擋客觀測試與分析

張春偉，劉張晨，王金旭，李軍偉，程 東，解秋爽

Zhang Chunwei，Liu Zhangchen，Wang Jinxu，Li Junwei，Cheng Dong，Xie Qiushuang

（北京市產品質量監督檢驗研究院 國家汽車質量檢驗檢測中心（北京順義），北京 101300）

0 引 言

換擋性能是車輛駕駛性能評價的一項重要指標。本文通過對商用車手動變速器換擋性能的客觀測試與數據分析，探討如何利用換擋測試設備判斷車輛換擋性能優劣以及改進之處，從而提高商用車駕駛性能。

1 換擋性能的定義

汽車變速器的換擋性能主要是指在保證車輛動力性及傳動系統使用壽命的前提下，平穩迅速地完成換擋過程。汽車傳動系是一個復雜的多轉動慣量系統，換擋操作不能瞬間完成，當換擋過程中沖擊現象嚴重時，傳動系統的動載荷會大幅增加，對傳動系統使用壽命產生很大影響[1]。

2 試驗測試和評價

2.1 試驗方法和設備

2.1.1 試驗方法

采用換擋測試設備廠家推薦的測試方法進行商用車換擋試驗。

2.1.2 測試設備

換擋測試設備采用變速器換擋分析系統，模擬輸入通道為8個、累計采樣頻率為400 kHz、單通道最高采樣頻率為100 kHz，其他參數見表1,測試設備如圖1所示。

圖1 測試設備安裝完成

表1 換擋測試設備參數

2.1.3 試驗對象

試驗車輛為多輛裝備齊全的商用汽車，試驗前換擋系統均已完成磨合。

車輛進行靜態試驗時需使發動機熄火且在試驗室內進行，以免受環境溫度影響；進行動態試驗前需完成車輛預熱。

2.1.4 試驗場地

試驗場地應保持干燥、平坦、清潔，避免在凹凸不平的路面上進行試驗，同時試驗應在無雨無霧的天氣進行。

2.2 試驗項目

換擋試驗的主要測試項目包括：（1）各擋位的自由間隙；（2）選擋力與選擋行程；（3）換擋力與換擋行程；（4）擋位剛度。

支持向量機的主要缺點是其訓練效率偏低，并且對于輸出結果不能準確地給出各個輸出結果的概率分布，這就限制了它在概率需求較強的任務中的應用，給一些利用概率結果的處理和應用帶來了麻煩。

2.2.1 各擋位自由間隙的測試

各擋位的自由間隙測試是指在每個擋位從較小力開始緩慢晃動換擋桿，逐漸增加至20 N 左右，測量換擋桿在各擋位里的自由晃動量，晃動面積直接影響駕駛員的換擋感受。各擋間隙適中是指具有擋位對稱性和擋位清晰度，使換擋入擋感明確，最終達到換擋平順性目的。對于商用車，各擋位間隙的推薦范圍為10 mm×10 mm～30 mm×30 mm。各擋位自由間隙的試驗結果如圖2 所示，此時換擋力不超過10 N，可以看出，試驗車輛2 擋、3 擋和5 擋的換擋間隙已超出推薦范圍，其他擋位符合推薦值要求。

圖2 各擋位的自由間隙

擋位間隙過大會導致擋位清晰度和對稱性變差，容易使駕駛員掛錯擋位，且行車過程中換擋桿晃動明顯，影響駕駛舒適性。擋位間隙過大的原因有兩種：（1）選擋撥桿無限位止柱和限位彈簧，或者彈簧剛度不足，無法有效限位；（2）拉桿鉸接松動，放大了擋位間隙。

擋位間隙過小會出現換擋生硬、掛擋困難、脫擋等問題。擋位間隙過小的主要原因是變速箱內撥叉軸與撥塊限位過死，外操縱機構剛性過強，無調整和裝配間隙，造成整個換擋系統過緊。

2.2.2 選擋力與選擋行程的測試

選擋力與選擋行程測試是指將換擋桿在空擋位置向左緩慢移動到極限位置，再向右緩慢移動到極限位置，往返數次，測試選擋力和選擋行程大小。主要測試選擋過程中力與行程變化曲線是否清晰順暢，是否具有線性關系，克服鎖止銷力時阻力是否平緩，左右選擋力是否對稱等。對于掛入倒車擋，駕駛員在行車中不易察覺，此時采用較大的選擋力，更利于駕駛員集中精神，引起駕駛員重視。對于商用車，左右選擋力的推薦范圍為25～50 N，選擋回位力推薦范圍為5～15 N。選擋力與選擋行程的試驗結果如圖3所示，試驗車輛為大型商用車，可以看出，試驗車輛選擋力為40 N，退擋力為10 N，符合推薦值要求；選擇倒擋時力為70 N，從40 N增至70 N 會出現明顯臺階感，駕駛員進行倒車擋選擋時不易掛錯；選擋力與選擋行程二者大小適中且一致性好，同時空擋位置曲線匯集一點，說明回位性好，操縱輕松便捷。

圖3 選擋力與選擋行程測試曲線

選擋力和選擋行程過大會導致選擋困難，容易使駕駛員感覺疲憊，選擋力和選擋行程過小會導致缺乏位置感，選擋臺階感不明顯會導致無法準確判斷各擋位位置，尤其對于倒車擋，很容易掛錯擋位，損壞變速箱。

2.2.3 換擋力與換擋行程的測試

靜態換擋力是指車輛靜止狀態下分離離合器，將換擋桿從空擋緩慢地移動到其他各擋位，擋桿入擋到底后再增加約150 N左右力，之后將擋桿以較小的力緩慢移回空擋位置，往返數次，主要測試換擋力、換擋行程、擋位吸入感、退擋力等。靜態換擋力是變速操縱性能評價中重要指標之一，對于商用車，靜態進擋力和退擋力的推薦范圍為50～100 N，試驗結果如圖4 所示，可以看出，試驗車輛換擋力達到100 N左右，換擋力偏大。

圖4 靜態換擋力測試曲線

過大的換擋力和換擋行程使駕駛員對頻繁換擋操作感到疲勞，過小的換擋力和換擋行程使駕駛員換擋過程感知變差，同時需要考慮換擋過程的平順性和吸入感，圖4 換擋過程中換擋力迅速下降，說明吸入感良好。

動態換擋力是指車輛采用1擋行駛并使發動機轉速保持2 000 r/min（商用車常用轉速），然后迅速從1擋升到2擋，待轉速穩定后再迅速降至1擋，換擋過程的時間越短越好，換擋完成后手脫開擋桿，往返約20次，并對每個前進擋位按照此方法逐一試驗，主要測試動態換擋力、同步沖量、二次沖擊等。

變速器中各部件參數如同步器類型、齒輪、變速器操縱機構傳動比、操縱機構阻力和剛度等均對動態換擋力產生一定影響。通過測試并分析動態條件下的換擋力、換擋沖擊等數值，對車輛換擋性能進行評估。對比圖5、圖6換擋過程中的動態換擋力發現，圖5 中動態換擋力出現兩個波峰，第2 個波峰是二次沖擊現象，由同步器在分離和結合過程中產生，導致動態換擋力發生變化；圖6 中幾乎沒有出現二次沖擊，動態換擋過程直接干脆（換擋手感好）。二次沖擊對換擋舒適性產生影響，但當二次沖擊力不大于最大換擋力50%時，駕駛員不容易感覺到頓挫感。

圖5 動態換擋力出現二次沖擊

圖6 動態換擋力未出現二次沖擊

換擋吸入感和平順性的影響因素包括外操縱系統的阻力、間隙和內操縱機構鎖止鋼球的光潔度等。每次進擋過程的時域曲線如圖7所示，各進擋階段對應不同參數，使駕駛員產生不同手感。

圖7 進擋時域曲線

動態換擋力測試過程容易受外界影響，如整車質量、車速、發動機轉速、換擋操作速度等，為此規定試驗須空載進行，并根據預設的發動機轉速確定換擋時轉速，同時規定駕駛員盡快完成換擋，通常控制在0.5 s內。

2.2.4 剛度測試

剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力，換擋機構的剛度主要由換擋桿與擋位槽的材質決定。針對汽車換擋過程，可分為選擋剛度和換擋剛度，用力壓換檔桿時，得到換擋桿受力與位移曲線，曲線斜率即是系統剛度。繪制選擋剛度曲線，將換擋桿移至空擋對應的正前擋位，向左和向右推動換擋桿的力緩慢增加至200 N，之后松手，試驗重復約15次，得到選擋剛度曲線如圖8 所示。繪制換擋剛度曲線，將換擋桿分別移至空擋對應的正前和正后擋位，再向前和向后推動換擋桿緩慢將力增加至200 N，之后松手，試驗重復約15 次，得到換擋剛度曲線如圖9所示。

圖8、圖9中所標注直線的斜率即為相應的擋位剛度，直線通常選在力與位移變化穩定的區域，對應力一般選取40～100 N。對于商用車，選、換擋剛度推薦范圍為7～10 N/mm。試驗車輛的選擋剛度和換擋剛度分別為7.3 N/mm和8.6 N/mm，符合推薦值要求。剛度過大時會使換擋到位后的沖擊較大，此時駕駛員手感生硬；剛度過小時會使駕駛員感覺換擋系統不可靠。

綜合上述4 項換擋性能客觀測試數據，可以發現變速器的問題點，進行針對性優化改進，不斷提升變速器及整個換擋機構的質量水平。

3 結束語

本文主要針對商用車手動變速器性能進行試驗和分析，判定換擋性能優劣，分析存在的問題。同時，分析換擋性能也需要主觀評價，只有將客觀試驗與主觀評價相結合，才能得到較為科學準確的評價結果。