靖宁 凌新新 陈振文 谭火南 梁建刚
摘 要：某乘用车配置的自动变速器，其换挡摇臂仅有P挡和非P挡两个物理位置，其他挡位（R/N/D）通过换挡器本体的电信号发出，从整个换挡系统来看，P挡与R挡之间的切换力不仅包含换挡器本体P挡与R挡切换力，还包含变速器P挡与非P挡之间的切换力，而R/N/D之间的挡位切换力仅由换挡器本体提供，换挡器本体换挡力的产生主要由螺旋弹簧和齿形板的配合实现，换挡器换挡力在设计过程中不仅要考虑变速箱P挡和非P挡切换带来的影响，而且要考虑与R/N/D之间切换时主观感受的衔接，本文旨在说明换挡器本体换挡力是如何实现与变速器换挡力进行匹配，以及如何进行局部优化以获得良好主观感受。关键词：换挡器;换挡力;主观感受优化中图分类号：U463.22+1.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）08-64-04
Abstract： A passenger car equipped with the Automatic Gear box whose shifting arm only has P and not P positions. Other gears （R/N/D） are achieved by electronic signals. From the view of system， the shifting force of P and not P not only includes the gear shift itself， but also from the gear box shifting arm， while the shifting force of R/N/D is only from the gear shift， the shifting force of gear box is realized by coil spring and teeth board， so in the design of shifting force for gear shift， the influence of gear box from P to not P and the smooth between R/N/D has to be considered， here is to describe how to match the shifting force of gear shift and gear box， how to optimize to get better subjective evaluation.Keywords： Gear shift; Shifting force; Subjective evaluating optimizationCLC NO.： U463.22+1.2 document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）08-64-04
前言
該乘用车换挡器布置在车辆仪表台，通过换挡拉索与变速器换挡摆臂相连。驾驶员手握换挡手柄前后操作以换入意向挡位。本文中，将重点阐述影响换挡器力值以及与变速器换挡力匹配、换挡主观感受的评价以及优化，其他影响因素如换挡拉索布置、负载效率等已提前考虑，本文将不做敖述。在系统换挡力的计算中，以15～25N为目标作为输入，在主观评价中，以换挡吸入感和挡位之间的衔接作为输入。本文中用到的设计输入参数已做过特殊处理，与该乘用车的真实数据有一定出入，主观评价表除外。
1 背景
某乘用车自动挡换挡器在开发设计阶段，通过对预设目标的分解、计算，完成对换挡器内部子零件结构及相关参数设定，通过样件制作并使用换挡性能测试设备获取客观数据，再结合主观评价结论对个别结构参数进行调整，最终达成目标。
2 目标分解
2.1 换挡力分配
通过前期大量数据采集，选取合适的换挡力为设计目标，结合变速换挡摇臂P挡和非P挡切换力，以及当前总布置下的换挡器杠杆比，将设计目标进行以下分解，图1为该自动挡车型挡位布置。
目标分解见表1：
表1中，换挡器杠杆比是根据人机位置、设计目标多个因素综合而定，这里不做展开描述。
初步将系统换挡力定为20N，根据目标分解，各挡位换挡力分配如下：
2.2 换挡力相关结构设计
基于换挡器换挡力分配结果，将换挡机构力相关部分简化为结构模型，本设计重点在于齿形槽α角的计算，其他参数作为输入，来自平台化参数选型或设计经验，结构模型见图2。
设计输入与需求见表3：
根据结构模型及设计输入，以P?R切换为例建立力学模型，进行α角的计算，见图3：
3 第一轮客观测试
基于拟合后的齿形槽，制作3D打印快速样件，对运动副部位进行打磨以保证表面粗糙度，组装总成时需在运动副部位涂抹润滑脂。完成总成件装配后，使用换挡性能测试设备对系统进行测试。
以下为测试设备测试、输出的各挡位换挡力和位移曲线：
将数据整理：
4 第一轮主观评价
挡位切换除了考察峰值力是否达成设计目标，还要兼顾挡位切换过程带给人的主观感受，比如吸入感是否强烈，目标挡位是否定位准确等。通过邀请20位持有C照且有5年以上驾龄人员对该车辆进行主观评价，其中满分10分，及格6分，综合评价统计见表6：
根据主观评价结果，P?R的峰值切换力虽然满足要求，但是吸入感较差，影响了最终得分，其他挡位评价情况较好，符合设计预期。下一步将针对P?R的切换吸入感着手进行优化。
5 方案优化
根据公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）及表4，在现有输入条件下，如要提高换挡吸入力，需调整α角度，调整优化方向多次调整最终确定如下结果。
根据调整后角度，反推换挡力，见表8：
根据齿形槽角度重新拟合齿形槽，见图9：
6 第二轮客观测试及主观评价
6.1 客观测试
根据新的齿形槽再次制作快速样件，装车并利用换挡性能测试设备进行测试，输出曲线如下：
再次将数据整理，见表9：
6.2 主观评价
再次邀请第一次主观评价的全部人员进行主观评价， 将评价信息汇总，见表10：
7 总结
通过调整，客观测试数据方面P?R挡位切换力略大于设定目标，但是通过主观评价，评价人员对于力的增大认可，且整体目标仍然处于25N以下舒适区间，最终改善结果明显。
本文旨在描述专门针影响换挡力和吸入力感受的重要影响之一即挡位齿形槽的设计方法，从客观测试及主观评价两方面入手，反向验证设计目标的达成情况，形成闭环设计，该计算方法同样适用于类似结构的换挡器如杆式电子换挡器、旋钮电子换挡器等，适用范围广，对于该类型换挡器换挡力的设计具有一定参考价值和指导意义。
参考文献
[1] 陈家瑞.汽车构造：上册[M].北京：人民交通出版社，1993.
[2] 胡运康，景荣春.理论力学.北京：高等教育出版社，2006.
[3] 孙海.换挡操纵总成设计与换挡性能研究[D].重庆大学.2016.
