李尚 张志刚 马战勇

河南奔马股份有限公司 重庆理工大学车辆工程学院 河南省长葛市 461500

1 引言

手动机械式变速器作为车辆传动系关键部件之一，具有改变传动比、实现倒车、切断动力等功能，其操纵性能直接影响整车的驾驶舒适性[1]。作为整车性能不可或缺的部分，换挡品质的优劣有着至关重要的影响。传统的换挡品质评价是依靠主观打分进行等级划分，一般采用五分制和十分制，其中描述较为详细的是十分制，评估者给出从1到10（对应从差到好）的分数来对换挡品质进行评价，如表1所示[2]。

表1 主观评价打分表

如果根据评价结果将变速器分为五个等级，其中9分和10分对应优秀，7分和8分对应良好，5分和6分对应合格，3分和4分对应较差，1分和2分对应极差。主观打分评价操作简单，易于实施，但其存在很多不足之处：

（1）只能粗略的对换挡品质进行等级划分，不能确定导致影响换挡品质的具体因素，如换挡力或是二次冲击；

（2）换挡品质的提高很难简单地依靠1到10的评价得分，特别是对于同一得分等级；

（3）由于换挡过程中的可变因素，一个评估者很难准确确定换挡品质的评价等级，就需要足够多的评估者进行评价以降低最小误差，费时费力，同时又存在多种外在因素影响评估者的主观评价。

因此，仍需要建立一种可计量化的、可靠的、具备重复性的客观评价方法对换挡品质进行评价。本文从静态和动态两方面选取评价指标对换挡品质进行评价，利用静态客观评价指标评价非工作状态下变速器换挡操作机构的换挡性能，又根据动态客观评价指标建立了换挡品质评价体系。

2 静态客观评价指标

静态换挡性能试验是在室温条件，变速器静止，离合器分离状态下进行的[3]。静止状态下进行换挡性能试验更侧重于测试变速器换挡操作机构的配合、传力元件的传递效率、各零部件的材料属性、制造精度和推拉软轴的走向布置等因素对换挡品质的影响。本文选取了挡位自由间隙、换挡轨迹和选/换挡刚度三个指标作为静态客观评价指标对变速器换挡品质进行评价。

2.1 挡位自由间隙

挡位自由间隙，在挡位间隙试验过程中通过对换挡位移和选挡位移的测量和记录，得到各个挡位的变化范围，从而评估各个挡位的挡位清晰度以及空间对称性。挡位的清晰度和空间对称性能够帮助驾驶员准确的判断是否挂入档和是否挂对档，同时，挡位自由间隙的大小也直接影响驾驶员的换挡手感，过大的自由间隙影响驾驶员判断是否已经挂入挡位，过小的自由间隙则会影响驾驶员的换挡操作。通过对大量文献的查阅，同时结合实际试验操作，一般要求挡位的自由间隙范围在10×10mm内。

挡位自由间隙并非是变速器最初的设计要求所决定的，而是由换挡定位方式决定的换挡操作机构一系列的公差累积。换挡定位方式的设计原则，简称三心对齐原则，即拨叉圆弧面的圆心须与接合套圆心对齐；在空挡位置时，自锁销的中心须位于拨叉轴上的自锁销销槽的中心；在空挡位置时，还必须使得位于拨叉轴上的换挡拨块槽中心和选挡轴中心对齐[4]。挡位间隙用来衡量变速器的设计要求和换挡操作机构零部件加工精度的优劣。

2.2 挡位轨迹

换挡轨迹，在换挡轨迹试验中通过记录换挡过程中换挡位移和选挡位移的变化，得到的各挡位的换挡路径，用以评估各个挡位的选换挡行程、选换挡行程的空间对称性、不同挡位间换挡路径的一致性和重合度以及斜向换挡的平滑性和一致性。

选换挡行程的设计与变速器的安装布置位置有关，为满足驾驶员的换挡的舒适性，行程大小要在一定的设计范围之内。换挡行程过大会增加驾驶员的操作强度，而换挡行程过小容易产生换挡的不适感，同时也增加变速器的设计制造难度，一般来说，换挡行程应在100mm之内，选挡行程应在60mm之内。

此外，挡位的选换挡行程要求具备空间对称性，即理想状态下Ⅰ挡、Ⅱ挡、Ⅲ挡、Ⅳ挡和Ⅴ挡的换挡行程相等，Ⅰ挡、Ⅱ挡和Ⅴ挡的选挡行程相等。选换挡行程的空间对称性有利于提高驾驶员的换挡操作感和挡位感，一般驾驶车辆时即使不目测换挡杆位置也能清楚的感觉到换挡杆位置，挂入目标挡位，同时也能提高行驶安全性。

2.3 选/换挡刚度

选/换挡刚度，在选/换挡刚度试验中通过试验测得换挡力增量和相应的位移变形量，两者的比值即为选/换挡刚度，用以评估操作机构的选/换挡可靠性。在选挡试验接近选挡极限时，加大作用在换挡手柄上的作用力，测得变形位移，即可计算出选挡刚度。同样的，在换挡试验中，在换至Ⅲ挡以及Ⅳ挡之后，在挡位位置上沿着换挡方向加大作用力，即可完成换挡刚度的试验。变速器操作机构刚度一般在5～10N/mm范围内[5]。

选/换挡刚度的计算公式：

选/换挡刚度=△F/△S （式1）

式中：△F—换挡力增量；△S —换挡力增量对应的位移变形量。

3 动态客观评价指标

动态换挡性能试验，即在动态试验条件下，N→Ⅰ档，Ⅰ档→Ⅱ档，Ⅱ档→Ⅲ档，Ⅲ档→Ⅳ档，Ⅳ档→Ⅴ档每挡位反复多次试验，测得换挡力、换挡位移、输入转速、输出转速等指标。动态换挡性能试验通过对测得的换挡力和换挡位移的试验数据进行分析处理，得到各个挡位的换挡特性曲线，从而分析每个挡位的换挡性能，最终评估整个变速器的换挡性能。

3.1 最大换挡力

最大换挡力即驾驶员完成换挡动作所需要施加在换挡手柄的最大操作力，一般发生在换挡过程中的同步阶段，也叫最大同步力。驾驶员在进行换挡操作时，最直接的感受就是完成换挡动作所需施加的操作力的大小。因此，最大换挡力是最直观的变速器换挡性能的评价指标。进行变速器设计时最大换挡力值应在一定范围内，最大换挡力过大增加驾驶员的劳动强度，长时间的换挡操作易使驾驶员产生疲劳，最大换挡力过小则会降低驾驶员的换挡操纵感，降低换挡舒适性。根据关于人体操纵力的国家标准：GB/T14775-93操纵器一般人类功效学规定，最佳的操纵力范围在5～20N之内。同时，通过查阅大量相关资料，结合实际试验分析，对最大换挡力的大小进行等级划分，具体等级划分见表2。

表2 最大换挡力等级划分

表3 同步时间等级划分

表4 同步冲量等级划分

表5 二次冲击力比等级划分

3.2 同步时间

换挡时间是指驾驶员开始操作换挡手柄到挂入目标挡位整个换挡过程所用的时间，而同步时间指的是在换挡过程中使待啮合的同步环和接合齿圈两部分转速趋于一致所需要的时间。同步时间是反映同步器同步性能优劣的重要参数，与换挡力、同步环锥面摩擦系数、同步环锥面锥角等多方面参数有关，而且在变速器换挡性能试验中对同步时间有明确的要求，直接关系变速器换挡品质的优劣。在实际试验过程中，同步时间的定义是指换挡过程中变速器输入端转速开始变化到达到目标挡位转速所经历的时间，同步时间的具体等级划分见表3。

3.3 同步冲量

同步冲量的定义是在同步时间内换挡力与时间的积分，在换挡过程中，当驾驶员施加的换挡操作力较大时，换挡时间短；当驾驶员施加的换挡操作力较小时，换挡时间长。而同步冲量作为同步器的固有特性，不随驾驶员的操作或是其他外界因素的影响而变化，体现了换挡过程驾驶员完成换挡动作所消耗的能量。一般来讲，同步冲量值越小说明同步器同步性能越好，换挡品质越优，关于其具体等级划分见表4。

3.4 二次冲击力比

在换挡过程中，同步阶段完成后接合套越过同步环与接合齿圈接触，产生二次冲击。二次冲击现象的产生严重影响了换挡舒适性，而且过大的二次冲击也将影响换挡过程的平顺性。在QC/T 568-2010《汽车机械式变速器总成台架试验方法》变速器换挡性能试验中明确规定：变速器设计在满足同步时间和同步力要求的情况下，二次冲击力的峰值不高于同步力的70%。因此在实际研究中，用二次冲击力比描述二次冲击现象的程度，二次冲击力比的定义是二次冲击力与最大换挡力的比值，即：

具体等级划分见表5。

4 综合评价方法的建立

4.1 评价方法分析

目前，常用于建立换挡品质评价体系的方法有线性回归分析法，神经网络建模法和权重赋值法等。根据所选取的评价指标的特点，本文选取权重赋值法建立换挡品质评价体系。权重赋值法有多种，如专家调查法、模糊综合评价法、层次分析法、关联矩阵法和变异系数赋权法等，不同的方法具有各自的特点[6-10]。

4.1.1 专家调查法

专家调查法主要依据专家自身的理论知识和实践经验对问题进行分析、判断和预测，进而对各个指标进行权重赋值。该方法集中了专家的理论知识和实践经验，适合缺乏大量参考标准和客观数据的情况下，对问题进行分析预测，简单方便，利于实施。但主观性太强，受人为因素影响太大。

4.1.2 模糊综合评价法

模糊综合评价法基于模糊数学的基本理论，利用模糊关系合成的原理，试图用数学工具来解决一些模糊不清的问题，将一些不易定量、边界不明的对象定量化，从而建立综合评价体系。其特点在于每个评价指标有唯一的权重值，评价指标不被所处指标集合的改变而影响。

4.1.3 层次分析法

层次分析法是将目标系统分为多个互不相同的目标因子，再就这些目标因子之间不同的隶属关联关系划分不同的组成层次，最终将目标系统变成具有递进关系的多层次系统模型。将同一层次的目标因子与上一层次的目标因子两两进行重要性分析，从而根据分析结果得到两两比较判断矩阵，对判断矩阵进行归一化处理得到各目标因子的权重值。该方法按照分解、构建多层次系统模型、建立判断矩阵、归一化处理的处理步骤建立了一个系统性、多层次的目标结构模型，清晰明确地分析每个目标因子对目标问题的影响程度，过程更系统化，结果明确。但该方法要求对判断矩阵进行一致性分析，当判断矩阵阶数较大时一致性的分析往往就比较困难了。

4.1.4 变异系数赋权法

变异系数赋权法是根据评价指标在被测试对象上测量数值的变异大小的程度确定权重，变异程度大则权重值大，变异程度小则权重值小。其特点是评价指标权重值的确定更客观，但实际操作中会因测试对象的不同和数据的测量范围等因素而产生差异。

4.1.5 关联矩阵法

关联矩阵法又称为逐级对比法或逐对比较法，也就是将各个指标两两进行重要性对比，然后打分，两者中较重要者记1分，另外一个则记0.5分，完成所有指标的对比分析，将得分进行汇总再进行归一化处理就可得到各个指标的权重值。关联矩阵法应用的关键在于各个指标进行两两对比时的重要性分析，以及运用各个指标进行评价的尺度划分，该方法结合了主观和客观分析，过程简便易于操作。

通过分析不同权重赋值法的优缺点，结合实际操作应用，本文选择采用关联矩阵法作为评价变速器换挡品质的评价方法。

表6 各指标权重值表

4.2 各挡位换挡品质评价

本文选取最大换挡力、同步时间、同步冲量和二次冲击力比作为评价指标，运用关联矩阵法对四个评价指标进行权重计算，再结合每个指标的等级划分得出评价尺度表，进而计算出某个挡位的评分值，具体方法如下：

（1）运用关联矩阵法，将四个评价指标进行两两重要性分析，两者中较重要的记1分，次重要者记0.5分，如同步时间和二次冲击力比进行重要性分析，就换挡舒适性以及行业标准，二次冲击力比对换挡品质的影响较同步时间大，因此二次冲击力记1分，同步时间记0.5分，依次比较，记录下评价指标两两比较下的得分。

（2）将各个指标的得分进行汇总统计，得到每个指标的总得分，进行归一化处理得到每个评价指标的权重值，见表6。

（3）在分析各评价指标时将每个评价指标分为了优秀、良好、及格、较差和极差五个等级，每个评价等级所对应的分数见表 7。

（4）通过查阅大量文献资料、行业标准、企业实际生产设计要求和实际试验过程操作分析，确定了各个评价指标不同评价等级所对应的取值范围，再结合评价等级分数表，得到综合评价尺度表，见表8。

（5）结合各指标权重值表和评价尺度表，计算变速器某挡位的评分值W，公式如下：

式中：Wi—第i个评价指标的权重值；Ri—第i个评价指标的分值。

（6）参考主观评价评分表，将变速器各挡位的换挡质量评分值分为5个等级，评分值所对应的评价等级见表9。

4.3 变速器换挡品质评价

为满足车辆不同的行驶条件，变速器设有多个挡位，如低速挡、中速档、高速挡和倒挡，而在实际使用过程中，每个挡位的使用频率是不同的。因此，基于各挡位的使用频率，运用关联矩阵法对各挡位进行两两重要性对比分析，得出每个挡位的权重值，如表10所示。

表7 指标评价等级分数表

表8 评价尺度表

表9 各挡位换挡品质评价等级表

表10 各挡位权重表

表11 挡位评价等级分数表

上节中将各挡位的评分值分成了5个等级，各个等级所对应的分数见下表11所示。

结合各挡位权重值表和评价等级分数表，计算变速器的评分值W，公式如下：

式中：Wi—第i个挡位的权重值；Ri—第i个挡位的分值。

同样，将变速器的换挡品质评分值分为5个等级，评分值所对应的评价等级见表12。

表12 变速器换挡品质评价等级表

5 结语

（1）本文介绍了传统十分制评价细则，分析了传统主观评价的优缺点。

（2）从静态和动态两方面选取了挡位自由间隙、挡位轨迹、选/换挡刚度、最大换挡力、同步时间、同步冲量和二次冲击力比等变量作为评价指标对换挡性能进行评价，其中将四大动态客观评价指标分为五个评价等级并确定每个等级所对应的评价尺度。

（3）通过对比分析不同权重赋值法的优缺点，结合实际操作应用，选用关联矩阵法对所选取的四大动态客观评价指标以及各个挡位进行权重赋值。最后，建立了一套完整的换挡品质评价体系。