引言

随着车辆智能化普及，尤其是自动泊车、自动驾驶等功能的铺展开，这些功能都需求车辆换挡系统是智能可控的即为电子换挡。因此电子换挡的使用在车辆中的使用日益普及，渐有标配之势。电子换挡相对机械换挡具有操作更加智能，节省中控空间，造型更加具有科技感，以及摆脱变速箱机械连接束缚等优点。

电子换挡的操作形式有旋钮、按钮、怀挡、杆式等几种形式，其中杆式的使用最为多数。如上述，电子换挡摆脱了变速箱机械连接的束缚，操作手感有了更大的设计空间同时也对设计精细度提出更高要求。本文对单稳态五点杆式操作手感进行分析，明确手感的主要影响因素及设计方法。

1 换挡手感构成

如图2，单稳态五点杆式有5个操作位置，通过档位策略设置，不同的操作方式实现不同档位切换。具体操作方式为：O点为稳态点，当换挡杆没有受到驾驶员操作作用时，将停留在这个位置；F1为换挡杆向前操作第一个位置点；F2为换挡杆向前操作第二个位置点；B1为换挡杆向后操作第一个位置点；B2为换挡杆向后操作第二个位置点。

图1 杆式电子换挡

按照操作方式，单稳态五点杆式换挡感应该具有的特征是这样。驾驶员操作换挡杆到任何位置松开手后，换挡杆应该能自由回到O点位置；当操作换挡杆到F1/B1位置时，应该能够使驾驶员清晰获知已操作到位，同时在一定力的作用下可以停驻在相应的位置。当操作换挡杆到F2/B2时，当作用略大力时可越过F1/B1继续向前或者后运动到F2/B2位置，F2/B2位置应使驾驶员清晰获知已操作到位，并且起到限位作用即在驾驶员很大操作力下换挡杆也不应该继续移动。

图2 单稳态五点杆式换挡操作方式

1.1 物理结构

如图3，为一种常见的杆式换挡器手感实现方案。驾驶员操作换挡杆（球头）绕旋转轴运动，换挡杆的下方由弹簧压紧子弹头在手感模块的槽内运动，手感模块的槽具有一定形状，子弹头在其上运动产生反作用力即是手感。

图3 手感实现结构

其中，通过调整弹簧可以调整力的大小，通过设置手感模块开槽的形状，可以获得力随行程变化即手感的变化趋势。

1.2 受力分析

驾驶员手力作用在换挡杆（球头上）通过转轴作用的杠杆比，与子弹头和手感模块的作用力切向力平衡；弹簧与子弹头和手感模块的作用力轴向力平衡。

图4 受力分析示意图

如图4，当换挡杆受到力F手作用，其通过力臂L手产生的作用力矩；与子弹头与手感槽接触位置受到的力F1与力臂L1的力矩相平衡。力矩平衡关系式如下：

（1）

L1在子弹头运动方向及弹簧作用力方向上的分力与弹簧力相平衡，即有关系式：

F弹为由弹簧产生的推力，k为弹簧刚度，S为弹簧变形，根据弹簧力计算可得：

（3）

2 手感的设计

2.1 理论计算

如图5，为单稳态五点杆式的典型手感曲线变化趋势。手感曲线为前后对称，a1点为出初始稳态位置的控制点，a2点为向前/向后第一位置点的控制点，a3为向前/向后第二位置的极限限位点。对应3个控制点的手感力分别为，F手1、F手2、F手3，设定合适的这几个手感力变化趋势及可以获得合适的手感。

图5 手感曲线

控制点手感力F手的设定需根据广泛人群的评价来获取，评价方法和评价值的获取过程非本文的关注内容，在此直接列出经过评价获得的几个控制点力的取值如下F手1=15N、F手2=30N、F手3=60N。

L手、L1、S、k几个参数主要由物理空间尺寸确定，根据某款换挡器的物理尺寸的限制，取值L手=86mm；L1在几个控制点分别取值为L11=42.7mm、L12=43.5mm、L13=53mm；S在几个控制点分别取值为S1=4.5mm、S2=8mm、S3=11.6mm；弹簧k取值5.5N/mm。

将上述参数分别代入公式（1）（2）（3）进行计算，可获得几个控制点的θ在几个控制点取值，分别为θ1=55°、θ2=47.9°、θ3=23.2°。

2.2 测量评价

根据2.1条计算获得参数，换挡手感模块槽应具有的剖面形状如图6示意，为前后对称结构。

依据图6的剖面形状，结合某款换挡器的空间布局，某款换挡器手感模块实际设计如图7。

图6 换挡手感模块槽剖面

图7 换挡手感模块设计图

配合某款换挡器设计完成后，进行了零件的制造及测试，实测的手感去下如图8所示。曲线的整体变化趋势与设计基本一致，个别控制点的力偏差略大，应由于制造偏差等因素导致，对零件的模具进行精修可能获得最终需求的手感。