史文欣，韓嘉驊

(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065)

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一種通用型擋位操縱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

史文欣，韓嘉驊

(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065)

擋位操縱機(jī)構(gòu)既是功能件又是運(yùn)動件，需要有良好的安全及操作性能?，F(xiàn)有的擋位操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體積較大，成本也較高，產(chǎn)品之間通用性較差。該方案提供一種新的擋位操縱機(jī)構(gòu)，利用新的圓周式鋼球定位結(jié)構(gòu)來簡化擋位操縱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，減小體積，并采用組合式光電開關(guān)采集擋位信號，使擋位操縱機(jī)構(gòu)使用更加方便、安全，通用性得以提高。

擋位操縱機(jī)構(gòu)；圓周式；光電開關(guān)；通用型

0 引言

擋位操縱機(jī)構(gòu)在車輛上既是功能件又是運(yùn)動件，需要有良好的安全及操作性能?，F(xiàn)代各種工程機(jī)械，包括輪胎式起重機(jī)、裝載機(jī)、軍用越野汽車、超重型自卸汽車，及多數(shù)高檔轎車的自動變速器大多數(shù)要靠液壓系統(tǒng)來驅(qū)動換擋元件，換擋操縱機(jī)構(gòu)在駕駛員和液壓控制機(jī)構(gòu)中的換擋滑閥之間建立了一種機(jī)械聯(lián)系。換擋操縱機(jī)構(gòu)一般采用機(jī)械操作和電操作兩種方式。機(jī)械操作的方式是用手動方式推動擋位液壓閥的位置，使其與齒輪產(chǎn)生不同的傳動比，從而實現(xiàn)不同的擋位速度，機(jī)械操作方式需要操作人員使出較大的操作力，當(dāng)擋位較為頻繁地轉(zhuǎn)換時，操作人員的勞動強(qiáng)度較大。電操作的方式是用組合電開關(guān)操作電磁換擋閥的換擋方式，每一組電開關(guān)由回位彈簧、彈簧片、觸電組成，擋位數(shù)決定了電開關(guān)的組數(shù)，換擋時相應(yīng)擋位的電開關(guān)組接通，控制相應(yīng)的電磁閥工作推動換擋閥處于不同的位置，使其與齒輪產(chǎn)生不同的傳動比，以實現(xiàn)不同的擋位速度，但是因為每組電開關(guān)工作時采用接觸式的方式，雖然減輕了勞動者的工作強(qiáng)度，但一般價格的電開關(guān)組壽命只能達(dá)到10萬次，遠(yuǎn)低于100萬次的要求[1]。若使用國外產(chǎn)品價格十分昂貴，例如Y-180平地機(jī)選用ZF變速器, 其擋位選擇器為一進(jìn)口電子控制元件, 價格十分昂貴[2]。我國研究人員在很早就開始了對工程機(jī)械全自動和半自動換擋操縱控制的研究，到目前為止，雖然已經(jīng)有了較大的進(jìn)展，但大多數(shù)仍處于實驗研究階段，還沒有向市場推出自己的成熟產(chǎn)品[3]。

作者翻譯了美國聯(lián)邦汽車安全標(biāo)準(zhǔn)(Federal Motor Vehicle Safety Standards)第571部分第102條相關(guān)規(guī)定作為參考[4]：

(1)空擋(N擋)必須位于前進(jìn)擋(F擋)和后退擋(R擋)之間；如果是使用轉(zhuǎn)向管柱式的變速器換擋桿，從空擋(N擋)到前進(jìn)擋(F擋)必須順時針動作；如果變速器換擋桿序列包括停車擋(P擋)，則停車擋(P擋)應(yīng)位于終端位置，與后退擋(R擋)位置相鄰；

(2)在具有多于一個前進(jìn)擋(F擋)的車輛上，前進(jìn)擋(F擋)應(yīng)該提供一個比車速低于64.38 km/h(40英里/小時)的最高速度傳動比更高程度的發(fā)動機(jī)制動能力；

(3)當(dāng)擋位處于前進(jìn)擋(F擋)或者倒退擋(R擋)時，發(fā)動機(jī)起動機(jī)應(yīng)處于無法工作的狀態(tài)；

(4)如果變速器換擋桿序列包括停車擋(P擋)，確定的換擋桿擋位，包括相互關(guān)聯(lián)的擋位和所選擋位，都應(yīng)當(dāng)在駕駛員的視野中顯示，無論下列任意條件存在時：①在位于變速器可以換擋的位置點(diǎn)火;②變速器不處于停車狀態(tài)。

(5)擋位信息應(yīng)在單獨(dú)的一個位置提供給駕駛者，各個制造廠還應(yīng)根據(jù)各自的設(shè)計方案，提供一套冗余的擋位信息顯示裝置。

文中擋位操縱機(jī)構(gòu)采用機(jī)械式操作、控制非接觸式光電開關(guān)的電操作方式，通過機(jī)械操作使非接觸式光電開關(guān)組產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，相應(yīng)的電信號控制換擋閥中電磁閥的動作，并最終實現(xiàn)換擋動作。電子換擋機(jī)構(gòu)不同于機(jī)械式換擋機(jī)構(gòu)，它對變速器的控制采用信號識別、傳輸和發(fā)送指令的模式，與變速器之間沒有直接的機(jī)械連接[5]。由于采用非接觸式的光電開關(guān)產(chǎn)生信號，壽命大幅提高，可達(dá)到100萬次以上。此外，由于機(jī)械操作部分采用了新的圓周式定位換擋原理，不但整體結(jié)構(gòu)減小而且增加了擋位的數(shù)量使其能滿足不同擋位的使用需求，通用性得到較大提高，包括停車擋(P擋)，具體的擋位設(shè)置如后文所示，并可以滿足美國聯(lián)邦汽車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS-102的各項要求。文中所述設(shè)計已申請國家發(fā)明專利[6]，申請?zhí)枺篊N201410520993.5。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

此方案所述的一種擋位操縱機(jī)構(gòu)由定位換擋部分、光電編碼部分、操作桿部分3個部分構(gòu)成。其中，定位換擋部分主要作用是在換擋過程中在相應(yīng)擋位上實現(xiàn)固定、定位的作用；光電編碼部分產(chǎn)生并采集不同擋位位置時的信號，并將信號傳送到PLC控制系統(tǒng)中以實現(xiàn)相應(yīng)擋位的相應(yīng)動作；操作桿部分的作用主要是通過操作產(chǎn)生相應(yīng)的換擋動作以驅(qū)動該擋位操作機(jī)構(gòu)的換擋功能。

定位換擋部分的核心主要包括：主軸、小套筒、定位彈簧、小滑塊、定位鋼球、內(nèi)芯、定位連接套筒。如圖1所示，主軸安裝在內(nèi)芯的內(nèi)孔之中，小套筒依次穿過內(nèi)芯上的槽和主軸上的定位內(nèi)孔，小套筒之中的中部安裝定位彈簧，定位彈簧的兩側(cè)分別為小滑塊、定位鋼球，定位連接套筒安裝在內(nèi)芯的外表面，同時定位鋼球也固定在定位連接套筒上的定位孔之中。

圖1 換擋主體結(jié)構(gòu)剖面圖

主軸可相對內(nèi)芯做左右滑動，滑動的左右極限位置由小套筒和與小套筒配合的內(nèi)芯通槽(限位槽)來決定，由于內(nèi)芯通槽在周向的尺寸大小與所述小套筒外徑匹配，所以主軸與內(nèi)芯的周向轉(zhuǎn)動由于小套筒的作用而鎖定在一起；換擋時，主軸帶動小套筒周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或軸向移動，當(dāng)做周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，定位鋼球在定位連接套筒內(nèi)的同一圈的定位孔中周向轉(zhuǎn)動，當(dāng)做軸向移動時，定位鋼球在定位連接套筒內(nèi)的相鄰圈的定位孔中軸向移動，通過定位鋼球與定位連接套筒圓柱內(nèi)壁或內(nèi)表面的定位孔配合固定實現(xiàn)定位，以實現(xiàn)定位換擋功能。

光電編碼部分的核心主要包括：軸向光電開關(guān)組合、周向光電開關(guān)組合、編碼盤、主軸。如圖2所示，編碼盤一直處于周向光電開關(guān)組合的信號采集槽中，周向光電開關(guān)組合負(fù)責(zé)采集騙碼盤的信號信息，軸向光電開關(guān)組合負(fù)責(zé)采集主軸的信號信息。

圖2 光電開關(guān)與編碼盤配合方式

編碼盤通過安裝孔固定在內(nèi)芯上，當(dāng)內(nèi)芯周向轉(zhuǎn)動時帶動編碼盤一起轉(zhuǎn)動，所以當(dāng)換擋至不同位置時，編碼盤也位于不同位置，因而周向光電開關(guān)組合產(chǎn)生不同的信號，控制相應(yīng)的動作執(zhí)行；主軸末端有一圈薄壁擋圈，當(dāng)主軸帶動小套筒、定位鋼珠軸向換擋時，若主軸處于最右端，則主軸薄壁擋圈位于軸向光電開關(guān)外，無信號產(chǎn)生，若主軸處于最左端，則主軸薄壁擋圈位于軸向光電開關(guān)內(nèi)，產(chǎn)生相應(yīng)的位置信號。理論上如圖2中的5個光電開關(guān)布置形式，最多可產(chǎn)生32個位置信號，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車輛和裝置上的擋位需求，使得該擋位操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)用更加廣泛，通用性得以提高。

操作桿部分的核心主要包括：外殼末段、鎖死滑塊、連接桿、鎖死彈簧、連接滑塊、操作桿外殼、限位鋼球、手柄按鈕、手柄按鈕外殼、手柄按鈕復(fù)位彈簧。各零部件的具體安裝位置如圖3所示，外殼末段起到操作桿定位的作用，手柄按鈕外殼、手柄按鈕、手柄按鈕復(fù)位彈簧通過與限位鋼球的作用，改變其位置，從而改變鎖死滑塊的位置以實現(xiàn)換擋、定位的功能，使裝置更加可靠，功能更加完善。

如圖3所示結(jié)構(gòu)，手柄按鈕安裝在手柄按鈕外殼的內(nèi)部，與手柄按鈕復(fù)位彈簧相配合處，手柄按鈕左端為小直徑圓柱部分，右端為大直徑圓柱部分，在大直徑圓柱表面上沿軸向加工出一個一端徑向深度大于另一端徑向深度的異形槽。未換擋時，在手柄按鈕復(fù)位彈簧作用下，手柄按鈕處于初始位，限位鋼球位于異形槽的淺槽部分，此時連接滑塊頂端凹槽內(nèi)的限位鋼球下壓連接滑塊，通過連接桿將鎖死滑塊的端部壓入外殼末段的鎖死定位孔中，擋位操縱機(jī)構(gòu)無法換擋；當(dāng)摁動手柄按鈕時，手柄按鈕滑動使得限位鋼球滑動至異形槽的深槽部分，此時由于鎖死彈簧的作用，將連接滑塊向上推，連接滑塊同時帶動連接桿和鎖死滑塊向上移動，使鎖死滑塊下端脫離外殼末段的鎖死定位孔，此時擋位操縱機(jī)構(gòu)可進(jìn)行換擋操作。

圖3 操作桿結(jié)構(gòu)剖面圖

2 換擋位置信號檢測及輸出

換擋桿控制器最重要的一項功能是換擋桿位置的實時監(jiān)測，準(zhǔn)確識別出目前換擋桿的位置之后將信號發(fā)送至電子控制單元(Transmission Control Unit，TCU)[5],光電開關(guān)與編碼盤的配合起到了換擋桿控制器的作用。編碼盤形式見圖4，上端的薄壁部分伸入圓周方向的4個周向光電開關(guān)組合之中，具體的配合關(guān)系如圖2所示，4個周向光電開關(guān)從左至右的編號為1、2、3、4，軸向光電開關(guān)編號為5。當(dāng)光電開關(guān)未被擋住時輸出信號為1，被擋住時輸出信號為0。

圖4 編碼盤

現(xiàn)以前6后3的擋位操縱機(jī)構(gòu)為例說明各擋位對應(yīng)的電信號。設(shè)如圖2所示的配合位置為初始位置，順時針轉(zhuǎn)動時為前進(jìn)擋，逆時針轉(zhuǎn)動為后退擋，對應(yīng)地設(shè)計一種擋位操縱機(jī)構(gòu)的外部標(biāo)注擋位為如圖5所示形式，則相應(yīng)擋位對應(yīng)的電信號如表1所示。

圖5 擋位標(biāo)注外殼

擋位PN前1前2前3前4前5前6后1后2后3電信號1100111000100101001101101011000100001001001100011110001

可知，擋位和相應(yīng)的電信號一一對應(yīng)，由于擋位數(shù)量和光電點(diǎn)開關(guān)可產(chǎn)生的電信號數(shù)量可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足使用需要，使得實際使用時還可以相應(yīng)地增減擋位，以滿足不同客戶、不同條件下的使用需求。

3 與已有產(chǎn)品對比及特點(diǎn)

同濟(jì)大學(xué)關(guān)景泰老師在1999年曾發(fā)表過一篇專利《動力換擋變速箱的電操縱組合開關(guān)》，專利號：CN2377666。作者設(shè)計的這種擋位操縱機(jī)構(gòu)與他的相同之處在于均采用了非接觸式電子元件設(shè)計組成了非接觸式開關(guān)，使其無接觸磨損，壽命可達(dá)100萬次以上，但作者的設(shè)計采用光電開光做為信號檢測元件，不受外部電磁場干擾，也不存在永磁體的消磁現(xiàn)象，理論上抗干擾性更好，壽命更長。其他不同之處在于作者設(shè)計的這種擋位操縱機(jī)構(gòu)采用了圓周式的定位換擋方式，使得可實現(xiàn)的擋位數(shù)量增加，若相鄰圓周擋位定位孔之間夾角設(shè)為20°，則可最多產(chǎn)生18個擋位孔(見圖6)，不同擋位卡在不同的擋位孔中即可?，F(xiàn)有工程機(jī)械上使用的擋位操縱機(jī)構(gòu)最多的擋位為前6后3型，再加上P擋和N擋也只需要11個擋位，此設(shè)計可遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足其要求，也因此設(shè)計一個產(chǎn)品可滿足不同的擋位需要，前2后1、前3后2、前3后3、前4后4、前6后2、前6后3均可使用同一個產(chǎn)品實現(xiàn)，只要標(biāo)明相應(yīng)擋位即可。此外由于圓周式的定位換擋方式未對圓周直徑有特定要求，可根據(jù)實際情況減小徑向尺寸，使得設(shè)計的這種擋位操縱機(jī)構(gòu)整體的外形尺寸可以減小，安裝方便，操作輕便靈活。

圖6 定位連接套筒

4 總結(jié)

設(shè)計一種擋位操縱機(jī)構(gòu)，提出了一種新的擋位操縱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模式，采用新的圓周式換擋定位和非接觸式電信號觸發(fā)的方式，不僅減小了擋位操縱機(jī)構(gòu)的體積，提高了其操作性能，

還提高了其使用壽命和可靠性，拓廣了其使用范圍，為此領(lǐng)域的研究提供了一個新的思路。

【1】關(guān)景泰.動力換檔變速箱的電操縱組合開關(guān)：CN2377666[P].2000-05-10.

【2】楊俊嶺.PY-180平地機(jī)檔位選擇器故障排除[J].工程機(jī)械,1999(2):41.

【3】劉釗,雷星宇,關(guān)景泰.變速箱半自動換檔電子控制系統(tǒng)開發(fā)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2003(1):23-24.

【4】FMVSS 102-571-1996.Federal Motor Vehicle Safety Standards and Regulations[S].

【5】汪東坪,李舜酩,魏民祥,等.混合動力汽車電子換擋手柄控制信號可靠性設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2012(6):25-29.

【6】韓嘉驊,史文欣,韓富.一種擋位操縱機(jī)構(gòu).CN104696499A[P].2015-06-10.

【7】黃蒙,吳光強(qiáng).自動變速器換擋桿電子控制器設(shè)計研究[J].測控技術(shù),2011(4):63-66，69.

Structure Innovation Design of a Universal Shift Operating Mechanism

SHI Wenxin,HAN Jiahua

(School of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu Sichuan 610065,China)

Shift operating mechanism is both the moving parts and the functional parts,it needs good performance of safety and operability. Existing shift operating mechanisms all have a larger volume and complex structures, at same time they have higher cost and worse versatility. A new shift operating mechanism was proposed.In the mechanism, a new ball positioning structure within circumferential way was used to simplify its structure and decrease its volume; photoelectric switch was used to acquire the shift signal,which made the shift operating mechanism better in operability,safety,and versatility.

Shift operating mechanism;Circumferential type; Photoelectric switch;Universal type

2015-11-13

史文欣(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。E-mail：294535685@qq.com。

U463.22+1.4

A

1674-1986(2016)02-029-04