汽车换挡机构设计指南

底盘系统设计指南目 录第二章 换档机构1 简要说明331.1变速操纵机构综述331.2 设计目的331.3 适用范围341.4 装置的零部件构成图342 设计构想362.1 设计原则362.2 设计参数362.3 软轴拉线的布置412.4 环境条件412.5 设计基本限制因素422.6 零件装配设计434.1 通过什么样的标识进行识别121第二章 换档机构1 简要说明1.1变速操纵机构综述1 汽车变速操纵机构分为手动变速操纵机构（MT）、自动变速操纵机构（AT&CVT&AMT）。2 按传递行程和力的方式可分为拉索式换档操纵装置、杆系换档操纵装置及电讯号直接驱动换档装置;如图 2, 杆系换档操纵装置它是由一根或者两根细长的（空心）刚性杆件组成的。因为是空间运动杆系，其运动分析和自由度的确定，无论是用作图法，或用解析法都是比较复杂的；运动件本身的干涉，及其与相邻件干涉的校核也是相当繁琐的；还好，现在可以借助于CAE使设计分析工作简化和可靠。同时，这种结构还有一个很难克服的问题，就是由于其运动链长，杆件刚度弱，铰接处存在间隙，且润滑不便等原因，容易产生振动、噪声、档位不清晰、换档操纵手感不良等现象。于是，一种拉索式换档操纵装置应运而生，并将逐渐取代杆系换档操纵装置.如图 1,为拉索式换档操纵装置.所谓拉索式换档操纵装置，是用一种柔性的推拉软轴替代空间运动的刚性的杆件。这种换档操纵装置克服了上述刚性空间杆系存在的那些问题。同时柔性推拉软轴的走向“自如”，给汽车的总体布置和变速器操纵装置的安排带来诸多方便。而且柔性软轴具有吸振的作用，能够消除动力总成和车身传至换档操纵手柄的振动，因此能得到清晰的档位和舒适的手感。拉索式操纵因其易于布置，传递效率高，成本低廉，目前是最常用的结构.以上两类都属于手动换档操纵机构;自动换档操纵机构中也用到拉索式操纵装置,如图1.4-3,同时也用到电讯号驱动装置以实现特殊的换档要求;在电控机械自动变速箱(AMT)上则完全使用电讯号驱动装置完成换档.1.2 设计目的1.在任何情况下能够可靠地实现换档,并保证换档平顺;2.在任何行驶条件下须保证操纵机构总成可靠的操纵力及操纵行程输出;3.布置上，应充分考虑到人机工程因素，确保最适宜的行程、力及操作位置，保证拉线在前舱的走向应平顺，避开相关干涉，远离热源等；4.涉及到电子通讯部分，须保证对输入信号的准确识别、可靠的信号处理及精确输出，并具备相应的抗干扰能力； 5.满足在不同工作温度下，保证足够的传递效率及操作手感；6.使用寿命的要求；7.对外观有要求的件（如换档手柄、防尘罩、换档面板等），应与整车内饰相匹配，并满足整车定位对料质、做工、性能等因素的要求；8.结构简单、紧凑、质量小、工艺性好、维修方便及适合大批量生产，充分体现平台共用最大化的原则.1.3 适用范围适用于各车型通用手动及自动变速操纵机构装置；1.4 装置的零部件构成图图 1拉索式换档操纵装置1.变速操纵机构总成 2.螺栓 3.过渡支架总成 4.选换档拉线总成 5.螺栓 6.软轴卡箍 7软轴支架 8.螺栓 9.开口销 10.换档手柄及护罩总成图2杆系换档操纵装置1. 换档操纵机构总成 2.螺栓 3. 选档臂总成 4.换档轴及支架总成 5.螺栓 6.选档拉杆总成 7.选档摇臂总成 8.衬套 9.螺栓 10.选档拉杆 11.开口销 12.螺母 13.摇臂总成 14.螺母 15.螺栓 16.换档手柄及护套总成图3自动换档操纵机构带拉索装置1. 螺母 2.自动换档操纵机构总成 3.卡箍 4. 软轴拉线总成 5. 螺栓 6. 螺栓 7. 软轴支架 8. 组合螺母2 设计构想2.1 设计原则1.该零件的功能要求1) 能够可靠地实现换档;2) 保证操纵机构总成可靠的操纵力及操纵行程输出;3) 涉及到电子通讯部分，须保证对输入信号的准确识别、可靠处理及精确输出，并具备相应的抗干扰能力； 4) 寿命要求； 2.该零件的顾客要求1) 操纵须轻便、准确、换档平顺；2) 外观应与内饰搭配协调，做工较精细，手感应较好；3.该零件的性能要求1) 通过性能试验及整车可靠性试验要求；2) 工作性能应稳定、可靠，使用寿命长；3) 应保证在40C至90C温度区间内，可靠的实现功能；4) 力求做到结构简单、紧凑、重量轻、制造工艺性好及拆装维修调整方便等。2.2 设计参数 1. 决定尺寸的因素1) 布置因素：总成周边的边界空间是决定总成外廓尺寸和软轴走向的直接因素；2) 变速箱对输入的要求：主要涉及换档行程和换档力的输入要求；3) 结合人机工程的布置及总体杠杆比调校，即可确定总成的运动尺寸；2. 决定重量的因素1) 零部件外廓尺寸；2) 加工工艺及材质：目前广泛采用的是整体注塑成型工艺，一般为工业塑料；部分高档产品也采用铸铝件；3) 冲压焊接件因其重量大，工艺复杂，质量过程控制困难等因素，已渐有减少的趋势。3.手动换档操纵装置的行程及杠杆比的设计 1) 换档操纵手柄的行程换档操纵装置手柄的行程是影响换档操纵手感的主要技术性能指标之一，在选取换档操纵装置手柄的行程时要符合以下原则：a. 轿车手动变速器操纵装置手柄的换档行程，一般为100150（mm）；b. 选档行程（多数用换档操纵杆的摆角控制）要小于换档行程；c. 倒档换档行程要等于或大于前进档的换档行程。d.选取操纵装置手柄行程时要注意以下两点：第一，手柄位置应适应整车布置的要求，接近性好，便于操纵；第二，手柄向前换档时不能碰到仪表板，选档和向后换档时不能碰到座椅垫和手制动手柄等。2) 换档操纵装置的杠杆比 首先根据同步器换档（或移动齿轮换档）所需的行程，设计换档拨叉轴上的档位锁止槽的距离，然后用下式计算出操纵装置所需的杠杆比:式中：is 变速器换档机构的杠杆比。FF变速器换档操纵装置多采用软操纵装置，因此在计算时要考虑软换档操纵装置的位移效率。4.换档操纵手柄的作用力和杠杆比的校核换档操纵装置杠杆比的另一个约束条件是作用在手柄上的换档力，推荐轿车操纵手柄的换档力7。在“摘档同步效应挂档”的全过程中，同步效应时的作用力Fs最大，因此用Fs校核换档操纵装置杠杆比。校核表达式如下：式中： 同步效应时作用力； 现代变速器换档操纵装置多采用软操纵装置，因此在计算时要考虑软换档操纵装置的传动效率。当操纵手柄的换档力不在推荐范围内时，可适当的调整换档操纵装置的杠杆比，同时也应兼顾换档操纵手柄的行程是否理想。换档操纵装置的杠杆比最终确定以后，还要根据换档操纵装置的结构特点，把计算的总杠杆比合理的分解到各个杆件，并确定各个杆件的最终设计长度。5.换档操纵装置的杆系运动学分析换档操纵装置是三维空间运动杆系。当换档操纵手柄的运动轨迹确定以后，需要对换档操纵装置的各个杆件和铰接点的自由度、约束、运动干涉等作机构运动学分析。通常情况下，可用简便可靠的“作图法”进行定性的分析；当需要作定量的分析时，则可用比较麻烦的“解析法”求解。不过，现在一般的三维软件都有机构运动学分析的功能，这为换档操纵装置的设计和分析提供了极大的方便。6.拉线式变速操纵机构的校核计算图4 拉线式换档机构的简化模型Fh = Fh1 (N)H = h1 (mm)Fx = Fx1 (N) X = X1 (mm)Fh1-换档力,变速箱换档所需力 (N); Fx1-选档力,变速箱选档所需力(N);h1-换档位移量,变速箱换档所需行程 (mm); x 拉线位移效率X1-选档位移量,变速箱选档所需行程 (mm); f 拉线载荷效率 Fh-驾驶员操纵换档机构所需换档力(N); 换档机构传动效率 Fx-驾驶员操纵换档机构所需选档力(N);h 驾驶员操纵换档机构所需换档行程(mm); X驾驶员操纵换档机构所需选档行程(mm); 7.自动换档操纵机构的参数设计1) 自动变速箱的类型及特点汽车自动变速箱常见的有三种型式，分别是液力自动变速箱（简称AT）、机械无级自动变速箱（简称CVT）、电控机械自动变速箱（简称AMT）。目前轿车普遍使用的是AT，AT几乎成为自动变速箱的代名词。与手动变速箱相比，液力自动变速箱（AT）在结构和使用上有很大的不同。手动变速箱主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。其中液力变扭器是AT最具特点的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，直接输入发动机动力传递扭矩和离合作用。CVT采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传递，即当棘轮变化槽宽肘，相应改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速，传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。CVT是真正无级化了，它的优点是重量轻，体积小，零件少，与AT比较具有较高的运行效率，油耗较低。但CVT的缺点也是明显的，就是传动带很容易损坏，不能承受较大的载荷，因此在自动变速器占有率约4%以下。AMT在机械变速器（手动变速箱）原有基础上进行改造，主要改变手动换档操纵部分。即在总体传动结构不变的情况下通过加装微机控制的自动操纵系统来实现换挡的自动化。因此AMT实际上是由一个 机器人系统来完成操作离合器和选档 的两个动作。其优点是效率高，成本低，由于AMT能在现生产的手动变速箱基础上进行改造，生产继承性好，投入的责用也较低，容易被生产厂接受。其缺陷是换档过程中动力中断，有负加速。AMT的核心技术是微机控制，电子技术及质量将直接决定AMT的性能与运行质量。据悉我国今后的汽车自动变速箱国产化将重点发展AMT。近年来在欧洲流行一种双离合器自动变速器，简称DCT。DCT将单数档和双数档的齿轮分给两组离合器控制，变速箱由双中间轴。其优点是换档时间缩短，动力不中断。双离合器自动变速器将是未来变速箱的一种趋势。2) 自动换档操纵机构的参数设计对于AT和CVT的变速箱,换档机构的形式和控制策略是差不多的,而AMT的换档操纵机构则完全由电讯号驱动.自动换档操纵机构装置行程及换档力的设定方法可以参照手动换档机构;但由于自动换档操纵机构装置涉及到电讯号,因此首先要有功能定义,是否需要P档锁止机构、手动解锁机构、档位显示等功能,根据变速箱TCU以及整电器提供的输入来设计开发自动换档操纵机构的电讯号驱动装置.3 )自动换档机构的设计标准2.3 软轴拉线的布置拉线在前仓布置时走向应平顺（最小曲率半径为R160）,过渡的圆弧越大越好；避免和前仓内的运动件干涉，远离热源；为降低力在拉线上的损失 ,通过软轴支架软轴拉线(如图5)应与变速箱选档(换档)臂行程范围中心线成90，如下图所示。 图5 软轴布置角度示意图2.4 环境条件1) 零件的工作温度范围在-40C90C工作温度区间内应保证润滑充分，橡胶部件其特性无变异，档位操纵顺畅准确；电子器件工作特性正常，外观件不得有不可回复的变形；在120C温度区间放置10分钟，不得有零件自燃及可燃成分滴下；2) 其他注意事项选换档拉线及其附件（支架、卡箍等）因布置于前仓，环境复杂恶劣，故对温度，盐雾，老化，臭氧均有严格要求；详见企业标准SQR.04.285.2.5 设计基本限制因素1.变速箱输入主要包括： 档位布置（前进档位数及各档位分布情况）行程，选换档力(或换档冲量)，空行程量，同步器冲击力等；具体计算方法见2.2.3手动换档操纵装置的行程及杠杆比的设计和2.24换档操纵手柄的作用力和杠杆比的校核. 2.TCU对输入信号及控制策略的要求主要针对AT或CVT变速箱；随着自动变速箱技术的日益成熟，控制策略也越加复杂；因我公司目前尚未具备变速箱的完全开发能力，故目前自动档车型均大量引进欧美日成熟变速箱；其控制策略多种多样，要求操纵机构的输入信号也都不同；较为简单的是采用开关触发信号（如B111504010）；复杂的有采用霍尔电磁感应式传感器（A15-1504010）等；鉴于国内供应商的开发实力，较为常规的做法是仿制原件进行开发；对于自行研发或合作研发的自动变速箱则统一了通讯信号的定义，如CVT19及4HP20等，都采取了B11的通讯信号系统；变速箱的控制策略决定了操纵机构的电路系统；前期的操纵机构只是起着传递行程和力的基本用途，其研发难度与MT相当；但随着汽车电子技术和变速箱技术飞速发展，特别是手自一体式变速箱和CVT的出现，对操纵机构的电路系统提出更高的要求：操纵机构需提供“、”档的操纵信号，档位信号，仪表显示；提供P档锁止的输入端子；某些特殊功能如“WINTER”模式、“SPORT”模式、“OVERDRIVE”模式的操纵触发信号等；3.布置因素包括软轴拉线的布置：曲率应大于等于R200；走向应留有弯曲余量，以确保动力总成抖动时（按最大15mm）的可伸缩量；远离热源和运动部件等；操纵手柄的布置：应符合人机工程要求;4.外观要求取决于手柄和面板（防尘罩）的A面造型及整车的内饰定义；常见的表面处理有仿桃木、镀铬（镍）、包裹真皮等；2.6 零件装配设计1.组成该系统的的零部件 参见装置图1、2和3.2.该部件在该零件上的定位、装配模式组装 若机构为机构为冲压焊接件，则其安装、定位靠主要靠焊接夹具予以保证；产品一致性较差；如B11-1504010、S11-1703010等；如图6; 图6 目前广泛应用的为注塑成形；其主体部分为一次注塑成形，部件连接多采用过盈配合压装，辅以卡箍、铆钉等多种连接方式；虽然模具的一次性投入较大，但重量轻，质量稳定，生产成本低，更适宜大批量生产；此种结构的主要缺点是模具修整困难，不易返工；拆装不便等；如A15-1504010等； 图7 拉线与操纵机构，拉线与车身、拉线与软轴支架、手柄与操纵杆等的装配，均采用自锁式卡接结构，且连接处多采用橡胶阻尼，以增强缓冲，改善振动与操作手感；详见图1和图3.3.各部件的装配要求 装置内部各部件之间的连接要求定位准确，连接可靠；最好为“软连接”，以抵消动力总成振动引起的冲击；尤其是拉线与操纵机构之间的连接通常要求拉线为长度可调的，以确保拉线的行程可以均匀分配；4.系统内的部件材料说明因各种操纵机构的结构、制造方式不同，下面以A21变速操纵机构装置为例说明；表2 A21换档操纵装置材料定义5.特别注意事项1 )调节装置装置内软轴拉线应设置可调节长度的调节机构，确保最终的装配误差可在此处予以释放，以保证实现换档机构的功能要求；通常此调节处设置于拉线与机构连接处（或拉线与变速箱摇臂连接处）2) 通用化要求各部件之间的接口采用通用化、标准化接口，以保证可靠性，加快开发进度；3)行程匹配与杠杆比的选择作为顾客要求，确保操纵装置各档位行程和操纵力均匀，且数值保持在适宜范围内，操作便利；4) 对于有特殊功能要求的变速操纵系统，应在结构设计初期予以充分考虑；例如自动档的“P”档锁止功能，档位指示灯顺序显示功能等；手动档的倒档锁止功能等；5)通讯信号应确保操纵机构所发出的信号免受温度、干扰信号等的影响，可准确、唯一、可靠的传递至TCU、ECU或GIU，执行正确的操作指令；6. 图纸模式图纸应包含以下内容：装置各部件的轮廓尺寸；行程尺寸；系统各部件间及系统间的配合接口尺寸；通讯信号的定义及检测方式；技术要求:包含静态、动态强度，及耐久性，耐温性，耐蚀性，耐候性的性能要求；布置尺寸:含整车的相关布置坐标信息及布置要求；16 机密文件 严禁外传