基于人機工程學的中重型卡車變速操縱系統設計

張榮瑾

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于人機工程學的中重型卡車變速操縱系統設計

張榮瑾

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文闡述了中重型卡車變速操縱系統人機工程運用的重要性，并對系統從人機工程學的布置、設計計算及影響因素、力傳動比、靜態換擋力及測算方法、力傳遞的機械效率等進行分析，介紹了變速系統在設計過程中應注意的問題，并對系統的人機工程方面進行評價，以提高整車的操控方便性和操縱輕便性。

中重型卡車；人機工程；變速操縱；設計

CLC NO.:U463.22Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)06-24-06

1、概述

我國的中重型卡車技術堅持技術引進和自主開發相結合的方針發展到今天，已經取得了長足的進步。隨著中國基礎設施的建設，特別是近幾年物流、房地產業的迅速發展，對重型卡車的操控性、舒適性和安全性等方面提出了更高的要求，變速操縱的舒適性和可靠性已成為人們對卡車評價的一個重要指標。

中重型卡車將會圍繞創新、節能以及市場需求，加大對節能減排、輕量化產品的研發，在產品人性化設計方面，充分運用人體工程學理論指導產品開發，駕駛室空間更大、內飾設計更符合人體工程學，使長途駕駛者和旅行者感覺很舒適，加之80后、90后新生代用戶逐漸成為商用車用戶的主體，而這一批用戶對新生事物的接收程度要遠高于前輩，并且對產品的外觀、品牌、時尚等相關性質更加重視，這些需求將更為國內各家商用車產品的開發所重視。

在中重型載貨、牽引和工程車上，由于搭載的是機械式變速器，在車輛行駛過程中，選換擋頻繁，因此選換擋的舒適性顯得很重要，主要通過對整個系統的匹配設計來改善變速操縱系統。

2、變速操縱系統在人機工程學的布置

2.1 布置要素

在選換擋操作中，駕駛員直接用手接觸的是手柄球，因此，對駕駛員來說變速操縱的舒適性影響方面主要有：

1) 選換擋操縱力。手的力直接作用于手柄球，所謂整車的選換擋力其實就是直接作用于手柄球上的力，這個力的大小對駕駛員疲勞程度有著至關重要的影響。

2) 手柄球的布置位置。手柄球的位置決定駕駛員操作過程中上肢的伸展程度，伸展程度太短，上肢伸展不開；伸展程度過長，容易造成疲勞。

3) 選換擋行程。選換擋行程是在進行選換擋過程中手柄球的擺動量。

4) 換擋擋位數順序。中重型卡車主要有6擋、8擋、10擋、12擋等多種變速器，換擋手柄上的擋位順序也不相同。為了適應駕駛習慣和統一性，就要求擋位指示按照國際擋位指示，以使駕駛員在操作過程中得心應手。

改善整車變速操縱系統，需著重從以上4個方面著手。

2.2 變速操縱桿的布置

根據人機工程學的要求，變速操縱桿布置在以座椅中心線離靠背100 mm處為圓心（R點）、以600 mm為半徑所畫圓的范圍內，并要求變速手柄球所有工作位置應位于方向盤下面和駕駛員座椅右邊，不低于坐墊表面(圖1)，距靠背表面的距離不小于100 mm，變速操縱桿和駐車制動的手柄在任意位置時，距駕駛室內其他零件或操縱桿的距離不得小于50 mm 。如圖1所示。

3、變速操縱系統相關參數計算

3.1 操縱力的計算

以重卡工程車匹配機械式10擋變速器為例，對操縱力進行計算。

1) 手柄球操縱力。換擋手柄操縱力影響駕駛員的手感，最優的操縱力使駕駛員在選擋及換擋時能明顯感覺到擋位，同時操縱輕便。一般變速桿的最優操縱力為20N～140N ，由于重型車的負載比較大，最優操縱力應確定在70N～90 N。

2) 靜態換擋力。國家標準要求，中型車變速器的靜態換擋力≤500 N、重型車≤620 N。靜態換擋力、力傳動比與手柄操縱力有如下關系：

3) 力傳動比。根據換擋力和變速器的靜態換擋力，由上式就可以確定力傳動比。η效是力在傳動過程中的機械效率，在變速操縱中，駕駛員作用于手柄的力，并沒有全部用于克服變速器的換擋力，存在部分甚至大部分通過物件的變形、熱量、聲音、摩擦等能量形式被白白地耗散掉的問題，即駕駛員作用于手柄的力， 除去用于克服變速器的換擋力后所剩余的力，也就是常說的耗散力或力在傳遞過程中造成的機械效率損失。一般在計算過程中可以按80%進行計算，并且此力也可以通過試驗方法測得。

4) 實例計算。人手在換擋過程中所克服的是兩個力：一個為變速器的換擋力，一個為選擋力。擬定換擋力為80N，機械效率為=80%，由變速器換擋試驗得到靜態換擋力范圍379～394N，取其中間值386，則可以確定換擋傳動比為=386／(80×80 %)=6.03。擬定選擋力為40 N，機械效率為 =80%，由變速器選擋試驗得到靜態選擋力范圍90～120N，取其中間值105 N，可以確定選擋傳動比 =105／(40×80%)=3.28。

5) 機械效率損失力的估算方法。除去變速器上換擋機構引起的效率損失，可以在換擋手柄處與換擋拉線尾部，也就是與變速器連接的部位分別放上測力器進行測量，可以確定部分損失的力。換擋拉線尾部必須模擬安裝在變速器上的方式進行，否則測量結果與實際可能相差很大。

6) 變速器靜態換擋力的測量方法。將變速器安裝在試驗臺上，于輸入軸處連接相應的離合器從動盤總成或相當的慣量盤；變速器內加入規定的油品油量。在輸入軸轉速相應于發動機最高轉速50%的工況下進行100次掛擋磨合；選用適當量程之測力計并使測力方向與掛擋力作用方向一致，在變速器輸入軸與輸出軸均靜止的狀態下各擋位反復掛擋3次；取3次掛擋時測出的力的計算平均值為該擋靜態掛擋力 ，下表為12擋變速箱所測的靜態換擋力數據。

表1 12擋變速器手柄球端靜態換擋力

3.2 操縱行程的計算

變速器換擋操縱有兩個動作，即選擋(左右橫向操縱)和掛擋(前后縱向操縱)。它們的行程應控制在規定的范圍內。變速器操縱系統如圖2所示。

3.2.1 選擋行程計算

選擋路線：變速箱選擋搖臂--選換擋軟軸固定支架--變速箱選擋軟軸總成--換擋器---操縱桿---手柄球

經上述計算，純軟軸換擋器的選擋杠桿比為

i1=3.5

選擋搖臂的旋轉半徑為R1=80mm

根據擋位指示，操縱桿處于倒擋時，選擋搖臂最大旋轉角度為α=7.5°

選擋搖臂的最大行程L1=2×80×sin3.75° =10.47mm

操縱桿預選閥的選擋最大行程L=i1×L1=3.5× 10.47=36.7mm

考慮到軟軸傳遞效率η1=80%、換擋器效率η2=90%、軟軸布置效率η3=95%，

計算得出選擋最大行程Lˊ=L/(η1×η2×η3)=53.7mm

3.2.2 換擋行程計算

換擋路線：

變速箱換擋搖臂--選換擋軟軸固定支架--變速箱換擋軟軸總成--換擋器---操縱桿---手柄球

經上述計算，純軟軸換擋器的換擋杠桿比為i2=5.05

換擋搖臂的旋轉半徑為R2=100mm。

換擋搖臂的最大旋轉角度為β=10.4°

換擋搖臂的最大行程L2=2×100×sin5.2° =18.13mm

操縱桿預選閥的換擋最大行程L=i2×L2=5.05× 18.13=91.6mm

考慮到軟軸傳遞效率η1=80%、換擋器效率η2=90%、軟軸布置效率η3=95%，

計算得出換擋最大行程Lˊ=L/(η1×η2×η3) =133.9mm

4、設計中應注意的問題

4.1 降低機械效率損失

在變速操縱系統中，駕駛員作用于手柄的力并沒有全部用于克服變速器的選換擋力，而是部分甚至大部分通過物件的變形、熱量、聲音、摩擦等能量形式被白白地耗散掉，也就是說，存在機械效率損失。這個損失通常表現在桿件與支承的摩擦、支承及桿件的變形、防塵套的變形、傳遞中角度損失、軟軸與軸套的摩擦等，屬于有害阻力。

改善變速操縱機構除按以上需用合適的傳動比和變速器外，還應考慮提高機械傳遞效率，降低耗散力。選換擋拉索也就是軟軸應盡量采用直線形式，避免拐彎，即使需要采取拐彎形式時也要采用盡可能大的圓弧走向，避免打死彎。另外，換擋器、軟軸等產品內一般都有內潤滑，在選用時盡量采用質量較好、能保持相對較長時間潤滑性能的產品。4.2 變速操縱系統的輕便性優化

根據計算公式可知，在不改變變速操縱機構的基礎上，力和行程大小與軟軸效率η1、換擋器總成效率η2 、軟軸布置效率η3強相關，所以要提高換擋輕便性，要從提高軟軸效率、換擋器總成效率、軟軸布置以及優化軟軸固定支架設計入手。

1）對換擋器總成的選擋搖臂增加5mm，選擋杠桿比由3.5減小為3.27，相應的手柄球端的最大選擋行程由104.8mm減小到97.8mm，避免手柄球與方向盤干涉；另換擋器總關節軸承成采用自潤滑結構，降低在選換擋過程中的阻力，使系統選換擋操縱輕便；優化表面處理工藝，采用達克羅處理，增強耐腐蝕性；同時對軟軸固定座的開孔進行擴大，減輕了總成的重量；通過優化鎖緊螺栓裝配工藝，提高強度，可靠性臺架試驗前進擋循環次數可達40萬次；

2）選換擋軟軸是機構中操縱力和行程的傳遞介質，軟軸由扁絲結構優化為尼龍花鍵潤滑結構，花鍵型表面有溝槽，可以存留更多的潤滑脂，使選換擋阻力小，行程效率由80%提高到85%，負載效率由80%提高到84%；對軟軸球頭總成進行結構優化，由半包式改為全包式，避免球頭內進入雜質引起的功能失效和性能減退；軟軸的工作極限溫度范圍是-40℃至120℃，在通過增壓器下端時，軟軸隔熱護套的材料進行優化（鋁箔和玻璃纖維覆合而成），并將其長度由500mm增加至1000mm，有效避開地避開增壓器熱源；

3）軟軸布置方面，優化前軟軸從駕駛室翻轉軸前面繞過，彎曲半徑約為290mm，優化后軟軸從駕駛室翻轉軸后面布置，彎曲半徑約為310mm，并且可以縮短軟軸長度40mm；

4）優化軟軸固定支架結構（拼焊件改為鑄件），CAE分析結果如圖8和圖9所示。選換擋軟軸固定支架的材料由Q235改為ZGD270-500，加載情況：換擋加載推力為800N，選擋加載拉力為700N，從圖中可以看出，整改后應力值由315Mpa降為212Mpa，位移值由1.4mm降為1.1mm。

經過以上優化處理，所有力和行程指標均已達標，滿足強度設計要求，安全系數高。

4.3 評價方法

評價變速操縱系統的輕便性現在尚未定量化，人員主觀意識比較強。因此，評價變速操縱系統時，需要選取較多的人進行評價，選取有豐富評價經驗的適中、偏高、偏矮、偏胖、偏瘦的人員參加，對整車在各種工況下進行實際操作，并要求他們對此車的變速操縱系統提出各自的看法，形成記錄。在評價過程中，可能會眾口難調，可以針對大多數人反映都比較強烈的問題進行優化整合，以使變速操縱系統達到更合理的設計。針對人機工程方面主要的評價點如下：

4.2.1 選擋及換擋極限位置是否與副儀表板，茶杯支架，駐車制動閥、坐椅等干涉或距離太近易擱手；

4.2.2 感覺換擋手柄各極限位置高低遠近是否很不合適；

4.2.3 反復操縱后感受球頭握感是否良好，不產生疲勞以及不舒服感。

5、結束語

本文通過對影響因素的探討，在不增加成本或增加小部分成本的基礎上，可以通過以下措施改善變速操縱系統的輕便性：

5.1 在設計之初就必須考慮人機工程學的原理，使各部件方便駕駛員操作，體現布局人性化；

5.2 選擇性價比好的產品，降低操縱力在傳遞過程中的機械損失；

5.3 合理布局軟軸等各部件，避免在系統中產生死彎或彎太多的現象；

5.4 對于桿式傳動，則要避免出現大角度的傳動，否則會產生較大比例的無用分力；

5.5 在許可的情況下，盡量加大換擋器的傳動比，如通過加長操縱桿的長度增大傳動比等；

5.6 選擇變速器時，一要看級差是否太大，二是要看靜態換擋、選擋力的大??；

5.7 設計過程中也要考慮結構上容易保養維護，空間上容易拆裝、調整。

[1] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2] 劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[3] 周一鳴，毛恩榮．車輛人機工程學【M】．北京：北京理工大學出版社，1999．

三星推出概念智能自行車 帶攝像頭能連W i-Fi

Samsung introduced the concept of intelligent bike w ith a camera can be connected to W i-Fi

三星現在除了涉足智能可穿戴設備、智能家電和智能燈泡領域之外，現在又推出了新的智能產品。在上周的米蘭設計展上，三星展出了可與智能手機“互動”的智能自行車。這款自行車的設計者，是由來自意大利的GiovanniPelizzoli(車架設計專家)和AliceBiotti(學生)設計。這款產品通過SamsungMaestrosAcademy這個線上平臺，而新人Boitti通過這個平臺得到了行業大師Pelizzoli的幫助。

這輛智能自行車的鋁制車架采用曲管，以便吸收在顛簸路上騎行時產生的一些震動。坐墊的后面是一個車尾攝像頭，可以將視頻流實時傳送到安裝在車把手上的三星智能手機。車架還集成了4個激光發射器，當用戶騎行時，它們能夠在自行車的兩旁投射出自行車道。它們還會在環境光減弱時(通過智能手機檢測)自動開啟，以便提醒前后方來車。。此外，手機上的應用使用GPS標記騎自行車者通常走的路線。應用可以把這些路線提交給城市官員，建議城市官員增加官方指定的自行車道。

Design on Gear-shift Operation System for heavy truck based on Hum an Engineering

Zhang Rongjin
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

This paper presents the mechanism and advantage of human engineering in heavy truck，analyze some factors affecting the gear-shift operation system such as human engineering layout，design and calculation，force transmission ratio，static shifting force，machine eficiency etc.This paper detailedly introduces trouble to system，and evaluating human engineering of system ，to increasing operation convenience and manage lightly of heavy truck.

heavy truck；human engineering；gear-shift operation；design

U463.22

A

1671-7988(2014)06-24-06

張榮瑾，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。