商用车换挡客观测试与分析

张春伟，刘张晨，王金旭，李军伟，程 东，解秋爽

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

（北京市产品质量监督检验研究院 国家汽车质量检验检测中心（北京顺义），北京 101300）

0 引 言

换挡性能是车辆驾驶性能评价的一项重要指标。本文通过对商用车手动变速器换挡性能的客观测试与数据分析，探讨如何利用换挡测试设备判断车辆换挡性能优劣以及改进之处，从而提高商用车驾驶性能。

1 换挡性能的定义

汽车变速器的换挡性能主要是指在保证车辆动力性及传动系统使用寿命的前提下，平稳迅速地完成换挡过程。汽车传动系是一个复杂的多转动惯量系统，换挡操作不能瞬间完成，当换挡过程中冲击现象严重时，传动系统的动载荷会大幅增加，对传动系统使用寿命产生很大影响[1]。

2 试验测试和评价

2.1 试验方法和设备

2.1.1 试验方法

采用换挡测试设备厂家推荐的测试方法进行商用车换挡试验。

2.1.2 测试设备

换挡测试设备采用变速器换挡分析系统，模拟输入通道为8个、累计采样频率为400 kHz、单通道最高采样频率为100 kHz，其他参数见表1,测试设备如图1所示。

图1 测试设备安装完成

表1 换挡测试设备参数

2.1.3 试验对象

试验车辆为多辆装备齐全的商用汽车，试验前换挡系统均已完成磨合。

车辆进行静态试验时需使发动机熄火且在试验室内进行，以免受环境温度影响；进行动态试验前需完成车辆预热。

2.1.4 试验场地

试验场地应保持干燥、平坦、清洁，避免在凹凸不平的路面上进行试验，同时试验应在无雨无雾的天气进行。

2.2 试验项目

换挡试验的主要测试项目包括：（1）各挡位的自由间隙；（2）选挡力与选挡行程；（3）换挡力与换挡行程；（4）挡位刚度。

支持向量机的主要缺点是其训练效率偏低，并且对于输出结果不能准确地给出各个输出结果的概率分布，这就限制了它在概率需求较强的任务中的应用，给一些利用概率结果的处理和应用带来了麻烦。

2.2.1 各挡位自由间隙的测试

各挡位的自由间隙测试是指在每个挡位从较小力开始缓慢晃动换挡杆，逐渐增加至20 N 左右，测量换挡杆在各挡位里的自由晃动量，晃动面积直接影响驾驶员的换挡感受。各挡间隙适中是指具有挡位对称性和挡位清晰度，使换挡入挡感明确，最终达到换挡平顺性目的。对于商用车，各挡位间隙的推荐范围为10 mm×10 mm～30 mm×30 mm。各挡位自由间隙的试验结果如图2 所示，此时换挡力不超过10 N，可以看出，试验车辆2 挡、3 挡和5 挡的换挡间隙已超出推荐范围，其他挡位符合推荐值要求。

图2 各挡位的自由间隙

挡位间隙过大会导致挡位清晰度和对称性变差，容易使驾驶员挂错挡位，且行车过程中换挡杆晃动明显，影响驾驶舒适性。挡位间隙过大的原因有两种：（1）选挡拨杆无限位止柱和限位弹簧，或者弹簧刚度不足，无法有效限位；（2）拉杆铰接松动，放大了挡位间隙。

挡位间隙过小会出现换挡生硬、挂挡困难、脱挡等问题。挡位间隙过小的主要原因是变速箱内拨叉轴与拨块限位过死，外操纵机构刚性过强，无调整和装配间隙，造成整个换挡系统过紧。

2.2.2 选挡力与选挡行程的测试

选挡力与选挡行程测试是指将换挡杆在空挡位置向左缓慢移动到极限位置，再向右缓慢移动到极限位置，往返数次，测试选挡力和选挡行程大小。主要测试选挡过程中力与行程变化曲线是否清晰顺畅，是否具有线性关系，克服锁止销力时阻力是否平缓，左右选挡力是否对称等。对于挂入倒车挡，驾驶员在行车中不易察觉，此时采用较大的选挡力，更利于驾驶员集中精神，引起驾驶员重视。对于商用车，左右选挡力的推荐范围为25～50 N，选挡回位力推荐范围为5～15 N。选挡力与选挡行程的试验结果如图3所示，试验车辆为大型商用车，可以看出，试验车辆选挡力为40 N，退挡力为10 N，符合推荐值要求；选择倒挡时力为70 N，从40 N增至70 N 会出现明显台阶感，驾驶员进行倒车挡选挡时不易挂错；选挡力与选挡行程二者大小适中且一致性好，同时空挡位置曲线汇集一点，说明回位性好，操纵轻松便捷。

图3 选挡力与选挡行程测试曲线

选挡力和选挡行程过大会导致选挡困难，容易使驾驶员感觉疲惫，选挡力和选挡行程过小会导致缺乏位置感，选挡台阶感不明显会导致无法准确判断各挡位位置，尤其对于倒车挡，很容易挂错挡位，损坏变速箱。

2.2.3 换挡力与换挡行程的测试

静态换挡力是指车辆静止状态下分离离合器，将换挡杆从空挡缓慢地移动到其他各挡位，挡杆入挡到底后再增加约150 N左右力，之后将挡杆以较小的力缓慢移回空挡位置，往返数次，主要测试换挡力、换挡行程、挡位吸入感、退挡力等。静态换挡力是变速操纵性能评价中重要指标之一，对于商用车，静态进挡力和退挡力的推荐范围为50～100 N，试验结果如图4 所示，可以看出，试验车辆换挡力达到100 N左右，换挡力偏大。

图4 静态换挡力测试曲线

过大的换挡力和换挡行程使驾驶员对频繁换挡操作感到疲劳，过小的换挡力和换挡行程使驾驶员换挡过程感知变差，同时需要考虑换挡过程的平顺性和吸入感，图4 换挡过程中换挡力迅速下降，说明吸入感良好。

动态换挡力是指车辆采用1挡行驶并使发动机转速保持2 000 r/min（商用车常用转速），然后迅速从1挡升到2挡，待转速稳定后再迅速降至1挡，换挡过程的时间越短越好，换挡完成后手脱开挡杆，往返约20次，并对每个前进挡位按照此方法逐一试验，主要测试动态换挡力、同步冲量、二次冲击等。

变速器中各部件参数如同步器类型、齿轮、变速器操纵机构传动比、操纵机构阻力和刚度等均对动态换挡力产生一定影响。通过测试并分析动态条件下的换挡力、换挡冲击等数值，对车辆换挡性能进行评估。对比图5、图6换挡过程中的动态换挡力发现，图5 中动态换挡力出现两个波峰，第2 个波峰是二次冲击现象，由同步器在分离和结合过程中产生，导致动态换挡力发生变化；图6 中几乎没有出现二次冲击，动态换挡过程直接干脆（换挡手感好）。二次冲击对换挡舒适性产生影响，但当二次冲击力不大于最大换挡力50%时，驾驶员不容易感觉到顿挫感。

图5 动态换挡力出现二次冲击

图6 动态换挡力未出现二次冲击

换挡吸入感和平顺性的影响因素包括外操纵系统的阻力、间隙和内操纵机构锁止钢球的光洁度等。每次进挡过程的时域曲线如图7所示，各进挡阶段对应不同参数，使驾驶员产生不同手感。

图7 进挡时域曲线

动态换挡力测试过程容易受外界影响，如整车质量、车速、发动机转速、换挡操作速度等，为此规定试验须空载进行，并根据预设的发动机转速确定换挡时转速，同时规定驾驶员尽快完成换挡，通常控制在0.5 s内。

2.2.4 刚度测试

刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，换挡机构的刚度主要由换挡杆与挡位槽的材质决定。针对汽车换挡过程，可分为选挡刚度和换挡刚度，用力压换档杆时，得到换挡杆受力与位移曲线，曲线斜率即是系统刚度。绘制选挡刚度曲线，将换挡杆移至空挡对应的正前挡位，向左和向右推动换挡杆的力缓慢增加至200 N，之后松手，试验重复约15次，得到选挡刚度曲线如图8 所示。绘制换挡刚度曲线，将换挡杆分别移至空挡对应的正前和正后挡位，再向前和向后推动换挡杆缓慢将力增加至200 N，之后松手，试验重复约15 次，得到换挡刚度曲线如图9所示。

图8、图9中所标注直线的斜率即为相应的挡位刚度，直线通常选在力与位移变化稳定的区域，对应力一般选取40～100 N。对于商用车，选、换挡刚度推荐范围为7～10 N/mm。试验车辆的选挡刚度和换挡刚度分别为7.3 N/mm和8.6 N/mm，符合推荐值要求。刚度过大时会使换挡到位后的冲击较大，此时驾驶员手感生硬；刚度过小时会使驾驶员感觉换挡系统不可靠。

综合上述4 项换挡性能客观测试数据，可以发现变速器的问题点，进行针对性优化改进，不断提升变速器及整个换挡机构的质量水平。

3 结束语

本文主要针对商用车手动变速器性能进行试验和分析，判定换挡性能优劣，分析存在的问题。同时，分析换挡性能也需要主观评价，只有将客观试验与主观评价相结合，才能得到较为科学准确的评价结果。