一種用于商用車(chē)的電控電動(dòng)免維護(hù)換擋系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)

劉欣，趙甜甜，丁殿磊

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024)

一種用于商用車(chē)的電控電動(dòng)免維護(hù)換擋系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)

劉欣，趙甜甜，丁殿磊

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024)

摘要：開(kāi)發(fā)出一種全新的商用車(chē)電控電動(dòng)免維護(hù)換擋系統(tǒng)，介紹了其選擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)以及主要元件的選擇。

關(guān)鍵詞：換擋系統(tǒng)；商用車(chē)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)

0　引言

現(xiàn)如今商用車(chē)EPS(電控氣動(dòng))換擋系統(tǒng)以其成本低和易于制造等優(yōu)點(diǎn)在中國(guó)市場(chǎng)上已經(jīng)相對(duì)成熟。但是， 電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)也存在一些明顯的問(wèn)題，比如北方冬天寒冷的氣候會(huì)影響換擋系統(tǒng)中的氣動(dòng)密封件，導(dǎo)致需要經(jīng)常更換密封件，這樣一來(lái)，不僅影響此換擋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)大大增加人力成本。所以，如何在系統(tǒng)中做到少維護(hù)或者免維護(hù)就顯得尤為重要。

目前，在現(xiàn)有的EPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)更改為電控電動(dòng)式，用電機(jī)、滾珠絲杠等元件替代氣動(dòng)部分的動(dòng)作，開(kāi)發(fā)出一種全新的商用車(chē)電動(dòng)電控免維護(hù)換擋系統(tǒng)。電控電動(dòng)換擋系統(tǒng)執(zhí)行裝置總體方案設(shè)計(jì)包含兩部分，分別為選擋裝置和換擋裝置。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求如下：

(1)能夠與傳統(tǒng)的s6-90變速箱結(jié)合使用；

(2)根據(jù)EPS換擋可知，此系統(tǒng)選擋力為150～200 N，換擋力為1 000～1 200 N，所設(shè)計(jì)的機(jī)械機(jī)構(gòu)必須能夠滿足此要求；

(3)換擋過(guò)程中，掛擋需要在1s內(nèi)完成，而摘擋需要在0.5s內(nèi)完成，機(jī)械機(jī)構(gòu)需要滿足快速摘擋這一特性。

2　選擋機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

選擋裝置機(jī)構(gòu)機(jī)械主體部分的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括直線電機(jī)1、套筒2、連接套3、霍爾傳感器4、雙螺母5、止動(dòng)塊8、絲杠螺母9等。電機(jī)固定，電機(jī)上的螺母與連接套連接，并且由止動(dòng)塊阻止連接套的轉(zhuǎn)動(dòng)，連接套同時(shí)還與s6-90變速箱中的軸相連。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于止動(dòng)塊阻止了電機(jī)上螺母的旋轉(zhuǎn)，所以電機(jī)上的螺母只能沿著電機(jī)軸做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由圖1可看出，連接套通過(guò)“拉動(dòng)”雙螺母，或者“推動(dòng)”變速箱軸的軸間來(lái)完成選擋動(dòng)作。

2.2主要原件的選擇

此選擋系統(tǒng)的反饋裝置選擇霍爾貼片傳感器，將感應(yīng)磁鐵安置于連接套上，在套筒上安放霍爾傳感器，當(dāng)連接套運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)磁場(chǎng)變化即可檢測(cè)出此系統(tǒng)的選擋情況。

為了方便安裝，將連接套設(shè)計(jì)成兩個(gè)半圓的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。在安裝的時(shí)候可以先安裝雙螺母，之后將連接套重合，就可以順利地安裝。

3　換擋機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

換擋裝置機(jī)構(gòu)主體部分基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括步進(jìn)電機(jī)1、聯(lián)軸器2、絲杠方形螺母3、助力彈簧4、傳感器5、撥叉座6、連接桿7、滾珠絲杠8、摘擋加速裝置等，其中摘擋加速裝置由推桿9、彈簧10和擋桿11組成。

步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與絲杠連接，絲杠與撥叉座連接，這是整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)換擋動(dòng)作的基礎(chǔ)。霍爾傳感器的感應(yīng)磁鐵設(shè)置在撥叉座上，且無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，傳感器能夠檢測(cè)出撥叉的位置。電控電動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須滿足快速摘擋的要求，但是步進(jìn)電機(jī)由于其起步特性難以在短時(shí)間內(nèi)帶動(dòng)1 000 N的力，所以如何用機(jī)械機(jī)構(gòu)完成快速摘擋過(guò)程就顯得十分重要。下面就分別對(duì)掛擋過(guò)程和摘擋過(guò)程進(jìn)行論述。

3.1掛擋過(guò)程分析

如圖2所示，假設(shè)現(xiàn)在需要向右掛擋，當(dāng)換擋系統(tǒng)接到掛擋指令后，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于絲杠上的方螺母被推桿限制轉(zhuǎn)動(dòng)，所以左側(cè)的絲杠螺母向右移動(dòng)，推動(dòng)著助力彈簧；當(dāng)彈簧積攢的力達(dá)到1 000 N左右時(shí)，推動(dòng)撥叉座，撥叉座帶動(dòng)撥叉向右掛擋，并且由于兩個(gè)方螺母由連接桿連接，無(wú)相對(duì)位移，此時(shí)與方螺母連接的右推桿由于螺母的右移動(dòng)作而離開(kāi)了擋桿，撥叉進(jìn)行向右掛擋動(dòng)作的過(guò)程中，接觸到右擋桿的斜面，擋桿因此而向下運(yùn)動(dòng)壓縮彈簧，直到撥叉完成右掛擋動(dòng)作時(shí)，右擋桿在彈簧的作用下彈回原位，如圖3所示。

3.2摘擋過(guò)程分析

摘擋過(guò)程必須要滿足快速摘擋的要求，所以在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用“先攢力后釋放”的設(shè)計(jì)思路，具體過(guò)程如下：假設(shè)現(xiàn)階段已完成向右掛擋，一旦傳感器檢測(cè)到掛擋信號(hào)，表明掛擋成功后，立即給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)反向轉(zhuǎn)動(dòng)的指令，此時(shí)，右側(cè)的方螺母開(kāi)始向左移動(dòng)壓縮助力彈簧，同時(shí)右推桿也開(kāi)始移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)了指定的距離后，即右推桿剛剛接觸到右擋桿的時(shí)候，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成“攢力”過(guò)程。如圖3所示。

由于擋桿的作用，撥叉座無(wú)法運(yùn)動(dòng)，如果此刻機(jī)構(gòu)接到了摘擋的命令，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，推桿向左運(yùn)動(dòng)，由圖3不難看出，在力的作用下?lián)鯒U壓縮彈簧，向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)擋桿離開(kāi)撥叉插座的時(shí)候，前期助力彈簧攢的力便一下子“釋放”出來(lái)，能夠控制在0.5 s內(nèi)完成摘擋，恢復(fù)到圖2所示的位置。

3.3主要元件的選擇

在撥叉座上設(shè)置有磁鐵，在頂蓋上放置4個(gè)霍爾傳感器檢測(cè)撥叉的動(dòng)作。當(dāng)左側(cè)或者右側(cè)的傳感器檢測(cè)到磁鐵則說(shuō)明撥叉正在進(jìn)行掛擋動(dòng)作，當(dāng)中間的兩個(gè)霍爾傳感器有輸入信號(hào)則說(shuō)明撥叉正在進(jìn)行摘擋動(dòng)作。

4　總結(jié)

該電控電動(dòng)換擋可以與s6-90變速箱完美結(jié)合，并且理論上滿足換擋系統(tǒng)的要求。電控系統(tǒng)區(qū)別于氣動(dòng)換擋系統(tǒng)，不需要密封圈的密封，從而可以實(shí)現(xiàn)少維護(hù)甚至免維護(hù)。同時(shí)該系統(tǒng)利用機(jī)械結(jié)構(gòu)便可達(dá)到快速摘擋的要求，大大降低了控制系統(tǒng)的難度。因而，該電控電動(dòng)換擋系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

【1】范超毅,范巍.步進(jìn)電機(jī)的選型與計(jì)算[J].機(jī)床與液壓,2008,36(5):310-313,324.

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【3】黃明,尚群立,余善恩.線性霍爾傳感器在直線位移中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2010(3):66-68.

Mechanical Design of Electronically Controlled Electric Shift System without Maintenance for Commercial Vehicle

LIU Xin, ZHAO Tiantian, DING Dianlei

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

Abstract:A new electronically controlled electric shift system without maintenance for commercial vehicle was developed. The mechanical design of the selector actuator and shift actuator and the selection of the main elements were introduced.

Keywords:Shift actuator; Commercial Vehicle; Mechanical design

收稿日期：2014-12-17

作者簡(jiǎn)介：劉欣(1956—)，男，博士，副教授, 研究方向?yàn)槠?chē)電子技術(shù)、汽車(chē)自動(dòng)變速、智能儀表。 通信作者：趙甜甜， E-mail：zhaotiantian227@sina.com。