刘志刚 王振兴 谭火南 李亚飞

摘要：为了研究乘用车换挡操纵拉索性能与结构和布置因素的影响，分两个阶段对选换挡操纵推拉索性能提升进行试验设计，拉通性能与因素之间的客观联系。第一个阶段采用析因法进行试验设计，将拉索结构影响因素（护管材料、芯线结构、内衬管材料、间隙润滑脂、总长度）制作成“样件编码表”，再结合空间布置影响因素（总弯曲角度、曲率半径），设计出“试验矩阵表”。按照一定的试验参数进行试验并分析试验数据，获得每个影响因素对拉索性能的影响客观数值，再对影响因素进行权重分析。得出结构可以通过组合分成性能好和性能差两种状态，结构方面内衬管材料和润滑脂加注量，布置方面曲率半径、弯曲角度对性能影响权重大。第二阶段，通过结构优化和布置优化两个维度对拉索陛能提升进行研究，获得R70/438°和R150/176°两种极限状态的负载效率分别为63.1%和92%，并进一步得到R90/360°、R110/270°和R130/227°几种中间状态的负载效率分别为69.6%、76.2%和86.6%。结果表明，常用的单独某一项的影响因素，对性能的最终结果影响不大，但因素组合后变化就变得很明显，特别是弯曲角度和曲率半径的组合。

关键词：汽车工程;拉索性能提升;试验设计;换挡拉索;析因法;样件编码;负载效率

中图分类号：U463.2 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2020）04-0054-08

刘志刚

毕业于长安大学，本科学历，现就职于广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，从事底盘系统及零部件研发工作，主要研究方向：换挡操纵系统及零部件开发。前言

换挡操纵手柄作为用户日常驾驶中频繁操作的人机接口，换挡手感的好坏直接影响品牌形象。而换挡推拉索的性能是影响换挡手感的重要因素之一。在整体提升换挡手感之前，有必要对推拉索性能进行深入研究。

乘用车新车型开发过程中，选换挡操纵拉索在结构选型和空间布置时，往往是通过经验在理论上进行设计，没有具体的客观数值进行指导。

肖俊华等采用理论公式的方法来计算换挡拉索无效行程和负载效率，并找出它们与拉索的整车布置、护管与芯线间隙、护管与芯线摩擦力等因素的客观关系。但该方法在计算时，将相关参数理想化，在实际应用中最终试验室获得的结果与之有一定的差异。

关丽丽等设计的拉索总成试验台架，是一个基础拉索性能测试模型工具，介绍了台架的总体方案和布置设计，以及简单的测试方法。对于拉索性能与相关影响因素的客观联系试验方法并没有提出，也没有客观数值测量结果的分析与研究，只能作为试验的一个基本方案，并不能实际指导整车开发过程中换挡拉索布置设计。

按照实际使用经验，我们知道影响拉索性能的影响因素很多，也可以罗列出来，但每个因子影响的程度却不是很明确，本文通过析因法的试验设计，分两个阶段来研究之间的客观规律。

第一阶段，根据实际使用经验，通过样件编码和试验矩阵工具，分析每种影响因素不同状态对应的拉索客观性能。然后，根据试验结果的敏感度，对影响因素的影响权重进行排序。

第二阶段，将影响权重大的因子提取出来，进行组合，并细化影响因素状态，进行客观测试。获取拉索性能与影响因素之间的直接客观联系，以便于指导整车开发中拉索的结构和布置设计。

1影响因素分析与选择

1.1试验对象

本文所述的乘用车选换挡推拉索性能，包含无效行程、行程效率、无负载滑动阻力和负载效率。无效行程/无负载力，数值越小，性能越好;行程效率/负载效率，数值越大，性能越好。

1.2影响因素确定

根据实际应用情况，总结出如图1所示的相关影响因素。结构方面有：拉索总长度、护管结构、芯线结构、内衬管材料、间隙（内衬管与芯线之间）和油脂的填充量共6个因素;应用和布置方面主要有：负载/行程大小、总弯曲角度和最小曲率半径。

2析因试验法设计试验方案

2.1试验设计目的

根据上述图1所示的影响因素得知，对换挡推拉索性能影响的因素较多。为了更全面的考察这些影响因素对拉索性能的影响，按排列组合的方法对以上所有影响因素进行一一验证，需要进行的试验次数非常多，若试验之间的关系不明确的话，得不出有效的结论。针对此，引入析因法进行试验设计。

2.2析因法试验设计

假设：拉索负载效率仅由长度L、曲率半径R和弯曲角度A，3个因素影响，每个因素仅有两种状态。

状态1：R1=150mm、L1=1000mm，弯曲角度A1=90°时，测得负载效率η=59%;

状态2：R1=150mm、L1=1000mm，弯曲角度A2=180°时，测得负载效率η=79%;

状态3：R1=150mm、L2=1500mm，弯曲角度A1=90°时，测得负载效率11=52%;

状态7：R2=200mm、L1=1000mm，弯曲角度A1=90°时，测得负载效率η=61%;

狀态8：R2=200mm、L1=1000mm，弯曲角度A2=180°时，测得负载效率η=87%。

以上采用的是单因素变化法，仅是针对弯曲角度不同获得的结果，如果事先不规划，想知道半径、长度不同时的结果，还得重复再测试2×8=16种状态。

使用完全析因法，将半径、长度和角度按两种状态排列组合如上表所示。仅完成一组8种状态测试，并绘制表格，如表1所示，可直观得出各因素对结果的影响程度，以及相互之间的关系。

2.3试验过程设计

按照析因法试验设计思路，有n个影响因素，每个因子仅考虑两种状态，为了得出所有n个影响因素对测试结果的影响，总的试验次数应为2ⁿ次。按照前文所述，本次试验设计挖掘出来的因子至少9个，这样总的试验次数将达到2⁹=512次。

但是，在实际应用时，很多影响因素并不仅仅只有两种状态。比如，常用的护管结构有3种，常用的芯线结构有5种，长度、曲率半径、总弯曲角度等因素更是线性持续变化的，总试验次数将超过10000次，全部做完是不现实的。

同时，为了实际操作可执行性，并保证测量结果的客观准确性，本次试验设计了“样件结构与编码规则”、“试验矩阵图”两个试验指导文件。

表2所示，“样件结构与编码规则”主要考虑结构对拉索性能的影响，将各种影响进行组合，形成了样件编码表，即方便样件的制作与管理。又可以为后续试验实操提供准确地样件信息。

表3所示，“试验矩阵图”主要考虑空间布置对拉索性能的影响，并综合考虑结构因素，将“编码”分布在矩阵图中，形成了有效可执行的试验操作文件。如此做，可使试验规划更有条理，不会有遗漏，也方便后续结果数据提取与分析。

在样件规划和试验矩阵图设计完成后，还需要对试验台架及测试软件进行设计优化，确定试验参数，并统一测试操作规范和数据分析规范。整个试验过程如图2所示：

试验参数设定如表4所示，台架、测试软件、测试操作规范和数据处理规范，不是本文关注重点，此处不再赘述。

2.4影响因素提取研究与分析

将以上试验过程执行完成（称为第一阶段测试），可以得到拉索性能与每项影响因素客观联系。实际上众多因素中，对性能真正产生明显影响的因素只是其中的一部分。

通过研究与对比分析，将影响幅度大的因素提取出来，进行组合，再做了进一步研究（第二阶段测试），重新设定试验条件，将影响关联度高的因子参数细化，从而得出能够指导实际车型开发中应用的参数。

3试验测试结果分析

3.1各影响因素对性能影响

如表2样件结构与编码规则和表3试验矩阵表所示，试验矩阵图中的每一次试验，都是针对一种特定拉索结构+特定的布置方式（为了考虑试验结果的准确性，每种相同结构的样件都做了3根，并分别进行试验）。

第一阶段试验结束后，从分析数据中分别提取护管结构、内衬管材料、芯线结构、间隙、润滑脂、样件长度、曲率半径、弯曲角度和负载大小等每个因子对拉索性能的影响，并对影响因素权重进行了排序。

3.1.1护管结构

图3所示为两种护管结构，分两组并按相同的布置方式所测得的性能结果（平均值）。结果显示两种结构性能各有优劣，护管B无效行程、无负载力和行程效率较好，护管A的负载效率好。

图4所示结果，内衬管材料为PTFE的样件性能较优，效率可以提高2%-3%。

3.1.3芯线结构

如图5所示，两种芯线结构对性能影响各有优点，但性能相差不大。

3.1.4曲率半径

3.1.5弯曲角度

3.1.6样件长度

3.1.7间隙

3.1.8润滑脂

3.1.9负载大小

3.1.10所有因子对性能影响及权重

上述是部分因子的影响，所有因子的影响如下表所示：

表5所示影响权重排布，是从性能结果和实际使用情况进行综合考虑得出的。结构方面影响性能较大的因子是内衬管材料和润滑脂加注量（与实际生产控制相符），布置方面两个因子对性能的影响都很大，且布置影响比重大于结构。

表5将性能好和性能相对差的所有因子（结构和布置方式）分成了两种状态。在第二阶段的试验中，会将所有最好状态结构因子组合成一种样件，将所有最差状态结构因子组合成另一种样件，然后去研究两种不同布置状态下的性能表现。

4第二阶段试验测试与结果分析

4.1优化试验方案设计

整车实际开发过程中，需要典型状态的客观数值。故此，设计出两种极限的结构状态（如表6所示）和布置状态（表7所示）。

4.2优化试验测试结果

由以上测试结果可知：

结构、布置单独优化，拉索性能均有优化，布置影响>结构影响;

好的布置状态（b），结构优化对性能的影响小;差的布置状态（a），结构优化对性能影响急剧变大;

优化敏感度：无负载力/负载效率>无效行程/行程效率。

4.3补充布置方式测试

为了能够更直观地指导设计，我们增加了三种布置方案，如下：三种布置方案下的性能测试结果如下所示：

5結束语

（1）采用析因法进行试验设计，制定了“样件结构和编码规则表”、“试验矩阵表”，设计了详细的试验过程与试验参数表。

（2）通过试验测试获得影响因素护管结构、内衬管材料、芯线结构、曲率半径、弯曲角度、样件长度、间隙、润滑脂和负载大小对拉索性能影响的客观数值，并得到对拉索性能影响权重大的布置因素是曲率半径和弯曲角度、结构因素是内衬管材料和润滑脂加注量。

同时，通过数据分析发现，单个因素对性能的影响不大，组合后影响变大，特别是最小曲率半径与总弯曲角度的组合。

（3）汇总第二阶段的测试结果，按照两种结构分别制表如下：

在整车性能目标设定时，可以快速的查询上述两个表格，选择最佳的结构与布置方案。