電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計

摘要在客車行業(yè)中通用后置布置發(fā)動機(jī)艙，與轎車的車身結(jié)構(gòu)不同，后置發(fā)動機(jī)的客車有著多種優(yōu)點(diǎn)，正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)讓發(fā)動機(jī)后置成為主流，以至于我們在道路上所見行駛的客車都是發(fā)動機(jī)后置的。但是有優(yōu)點(diǎn)就會有與之相對應(yīng)的缺點(diǎn)，就比如說換擋的問題，客車行駛的過程中駕駛員在最前方駕駛客車發(fā)動機(jī)和變速器等運(yùn)動機(jī)構(gòu)安置在汽車后方，如何才能讓駕駛員的操作信號快速準(zhǔn)確無誤的傳到傳動機(jī)構(gòu)。現(xiàn)有的拉線式換擋機(jī)構(gòu)有著諸多問題和要求，要保證在反復(fù)的使用后還能保持拉線的剛性，保證各部件的間隙不會產(chǎn)生變化，這些都會影響駕駛感受。并且傳統(tǒng)的拉線拉桿式后置換擋機(jī)構(gòu)操作比較費(fèi)力，需要多處設(shè)置助力裝置，這些諸多的負(fù)面效果會干擾駕駛員的駕駛體驗(yàn)，增加駕駛疲勞，并且在北方寒冷的氣溫也會對拉線拉桿產(chǎn)生影響，現(xiàn)有的傳統(tǒng)換擋方式急需改進(jìn)。本文以駕駛員疲勞度為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計一套電控電動的半自動換擋機(jī)構(gòu)，來代替老實(shí)傳統(tǒng)的拉線拉桿換擋機(jī)構(gòu)?？捎行У母纳岂{駛員的操縱的吃力，取消駕駛員對于換擋的勞動疲勞。讓駕駛變得輕松，駕駛員可有豐富的精力去觀測道路安全狀況，間接提高了行駛的安全性。由電子控制使換擋更加精確科學(xué)，減少發(fā)動機(jī)部件的磨損并提高燃油利用效率。關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程換擋；操縱機(jī)構(gòu)；AbstractInthebusindustry,theenginecompartmentisarrangedaftertheengine,whichisdifferentfromthecarbodystructure.Thebuswithrearenginehasmanyadvantages.Becauseoftheseadvantages,therearenginebecomesthemainstream,sothatthebusesweseeontheroadareallenginerear.

Butthereareadvantagesanddisadvantages.Forexample,theproblemofshiftinggears.Intheprocessofdrivingabus,thedriverdrivestheengineandtransmissionofthebusatthefrontandplacesthemintherearofthecar.Howcanthedriver'soperationsignalbetransmittedtothetransmissionmechanismquicklyandaccurately.

Therearemanyproblemsandrequirementsintheexistingcabletypegearshiftmechanism.Itisnecessarytoensurethattherigidityofthecablecanbemaintainedafterrepeateduseandthattheclearanceofeachcomponentwillnotchange,whichwillaffectthedrivingexperience.

Andthetraditionalpullrodtyperearshiftmechanismismorelaborioustooperate,whichrequiresmanyboosterdevices.Thesenegativeeffectswillinterferewiththedriver'sdrivingexperience,increasedrivingfatigue,andthecoldtemperatureinthenorthwillalsoaffectthepullrod.Theexistingtraditionalshiftmodeneedstobeimproved.Inthispaper,asemi-automaticgearshiftmechanismwithelectriccontrolandelectriccontrolisdesignedbasedondriverfatiguetoreplacethetraditionalpullrodgearshiftmechanism.

Itcaneffectivelyimprovethedriver'shandlingeffortandeliminatethedriver'slaborfatigueforshifting.

Itmakesdrivingeasier,andthedrivercanhaverichenergytoobservetheroadsafetyconditions,whichindirectlyimprovesthedrivingsafety.

Keywords；Remoteshift;Controlmechanism;第一章緒論1.1研究目的及意義在客車行業(yè)中通用后置布置發(fā)動機(jī)艙，與轎車的車身結(jié)構(gòu)不同，后置發(fā)動機(jī)的客車有著多種優(yōu)點(diǎn)，正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)讓發(fā)動機(jī)后置成為主流，以至于我們在道路上所見行駛的客車都是發(fā)動機(jī)后置的。但是有優(yōu)點(diǎn)就會有與之相對應(yīng)的缺點(diǎn)，就比如說換擋的問題，客車行駛的過程中駕駛員在最前方駕駛客車發(fā)動機(jī)和變速器等運(yùn)動機(jī)構(gòu)安置在汽車后方，如何才能讓駕駛員的操作信號快速準(zhǔn)確無誤的傳到傳動機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的拉線式換擋機(jī)構(gòu)有著諸多問題和要求，要保證在反復(fù)的使用后還能保持拉線的剛性，保證各部件的間隙不會產(chǎn)生變化，這些都會影響駕駛感受。并且傳統(tǒng)的拉線拉桿式后置換擋機(jī)構(gòu)操作比較費(fèi)力，需要多處設(shè)置助力裝置，這些諸多的負(fù)面效果會干擾駕駛員的駕駛體驗(yàn)，增加駕駛疲勞，并且在北方寒冷的氣溫也會對拉線拉桿產(chǎn)生影響，現(xiàn)有的傳統(tǒng)換擋方式急需改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計一套電控電動的半自動換擋機(jī)構(gòu)，來代替老實(shí)傳統(tǒng)的拉線拉桿換擋機(jī)構(gòu)。可有效的改善駕駛員的操縱的吃力，取消駕駛員對于換擋的勞動疲勞。讓駕駛變得輕松，駕駛員可有豐富的精力去觀測道路安全狀況，間接提高了行駛的安全性。由電子控制使換擋更加精確科學(xué)，減少發(fā)動機(jī)部件的磨損并提高燃油利用效率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)對遠(yuǎn)程換擋裝置的發(fā)展受限于經(jīng)濟(jì)成本，大型客車的生產(chǎn)廠家出于控制成本而選擇傳統(tǒng)拉線拉桿式的機(jī)械換擋裝置。但是簡單的機(jī)械式換擋裝置雖然相對來說結(jié)構(gòu)簡單并且發(fā)展已經(jīng)成熟技術(shù)可靠，制造成本低，但其實(shí)并不能解決客車上遠(yuǎn)程換擋所面對的問題。拉線拉桿式的換擋機(jī)構(gòu)在長時間多次反復(fù)拉拽的情況下，會對制造材料產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的力變形，拉線的變形會導(dǎo)致?lián)Q擋信息不能準(zhǔn)確地傳達(dá)給變速器，加大駕駛員的工作疲勞。國內(nèi)對于電子式半自動換擋機(jī)構(gòu)也有所研究，但都只是在研究部門或者相關(guān)大學(xué)內(nèi)部實(shí)驗(yàn)，并沒有實(shí)質(zhì)性的成熟產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上。反觀國外汽車行業(yè)起步早，經(jīng)過多年的探索研究電子控制式換擋機(jī)構(gòu)已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的技術(shù)與研發(fā)理念，以德國奔馳汽車為例。2011年德國奔馳汽車推出的重型載重汽車Actros，這款重卡采用的就是電控調(diào)節(jié)氣壓傳動的換擋方式。Actros直到2017年時還是國內(nèi)外一流的頂級重卡車型，造型前衛(wèi)動力十足采用OM471發(fā)動機(jī)使這款卡車有著足夠的動力性和安全性，采用前衛(wèi)的設(shè)計觀念傳動效率大大提升并搭配16黨全同步器機(jī)械變速器。基于這款汽車奔馳公司開發(fā)出一套智能化的自動換擋機(jī)構(gòu)，用先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式手動的換擋系統(tǒng)，使駕駛員的操作全面自動化。自動換擋機(jī)構(gòu)有四大部分，發(fā)動機(jī)控制模塊、手柄模塊、變速器模塊、車輛整體控制模塊。當(dāng)駕駛員在車內(nèi)操作時，手柄模塊會采集駕駛員的操作意圖，配合車輛整體控制模塊傳達(dá)信號至總線網(wǎng)絡(luò)。變速器控制模塊在接收到信號后控制安置于變速器外側(cè)的電磁閥工作，控制相應(yīng)位置的換擋軸移動。在駕駛員有換擋意圖時只需要把手放在換擋手柄上按動按鈕就可以實(shí)現(xiàn)換擋，同時還可以通過調(diào)節(jié)變速器傳動實(shí)現(xiàn)不同的模式，可以與自動變速器相媲美。第二章電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計目前的燃油客車依舊采用舊式拉線式的換擋機(jī)構(gòu)，使用拉線直接連接駕駛員手中的換擋桿和變速器，變速器在換擋的過程中需要想當(dāng)大拉力這提高了對拉線的剛性要求，雖然在車內(nèi)多處設(shè)置助力裝置但是在頻繁的換擋操作過程中對駕駛員臂膀的力量還是很考驗(yàn)的。針對這一系列的問題，在我的指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下構(gòu)思了一套簡單單片機(jī)控制的電動式半自動換擋操縱機(jī)構(gòu)框架。在這個系統(tǒng)中變速器與駕駛室換擋手柄斷開連接，以電路傳送電信號來控制安置在后方的換擋機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)換擋操作。通過換擋手柄下方的傳感器采集信號傳送到ECU電腦，ECU發(fā)送命令讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制檔位變換。改進(jìn)后的換擋機(jī)構(gòu)因?yàn)閿嚅_了拉線大幅度的降低了換擋時的勞累程度，并且換擋時的信號都是基于全車多處傳感器信號統(tǒng)計而來，這樣可以在提高換擋操作準(zhǔn)確性的同時提高汽車行駛的安全性。在采集信息后也可經(jīng)過電腦計算當(dāng)前行駛狀態(tài)下的理想速度檔位以提高節(jié)油效率。2.1遠(yuǎn)程換擋機(jī)構(gòu)的概述(1)系統(tǒng)工作原理及機(jī)構(gòu)分析在傳統(tǒng)機(jī)械式6擋變速器工作的基礎(chǔ)上裝配電機(jī)組替代換擋拉桿，以整合車身多處傳感器采集信號，ECU發(fā)出指令控制執(zhí)行器更換相應(yīng)檔位。（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換檔操作主要由配套的步進(jìn)電動機(jī)組實(shí)現(xiàn)，通過電控操縱使變速器完成換擋工作。(3)操控機(jī)構(gòu)設(shè)計操控機(jī)構(gòu)通過整合車身多處傳感器采集的數(shù)據(jù)來確定當(dāng)前汽車行駛所需的車速檔和位，ECU通過電磁閥控制電路操控步進(jìn)電機(jī)組變動位置。主要包括車身速度加速度傳感器，系統(tǒng)適配電路，發(fā)動機(jī)相應(yīng)功率傳感器和駕駛員操作傳感器(4)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計及軟件設(shè)計控制系統(tǒng)是電控設(shè)備的核心，對于ECU的控制軟件不做研究與說明，對于單片機(jī)的控制操作設(shè)定為理想值。2.2系統(tǒng)工作原理本次研究設(shè)計的遠(yuǎn)程換擋裝置系統(tǒng)工作原理圖2-1所示圖2-1系統(tǒng)工作原理從圖中可以直觀的了解本系統(tǒng)的兩大部分；執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)依據(jù)收到的電子信號啟動相應(yīng)的電磁閥開閉，用電磁閥控制相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動來完成對變速器的換擋操作，控制機(jī)構(gòu)首先收集車身信號數(shù)據(jù)，通過電腦整合處理后發(fā)送到控制系統(tǒng)單元。在一系列的換擋操作完成以后電磁閥處的傳感器給控制機(jī)構(gòu)反饋一個信號，把電磁閥的開閉狀態(tài)和換擋軸的具體信息反饋給ECU，通過電腦分析判斷換擋操作完成進(jìn)度，在完成換擋后給與駕駛員一個信號讓駕駛員確定當(dāng)前汽車檔位情況。2.3遠(yuǎn)程換檔操縱機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案的選擇通過和指導(dǎo)教師的溝通學(xué)習(xí)，對多種改進(jìn)方案進(jìn)行了比較，在不進(jìn)行大規(guī)模拆裝和控制成本的前提下想改進(jìn)傳統(tǒng)后置發(fā)動機(jī)的遠(yuǎn)程換擋操縱問題，最理想的是通過安裝小型電機(jī)轉(zhuǎn)線控為電控的方法來提高駕駛員的工作效率降低工作強(qiáng)度，不僅經(jīng)濟(jì)成本低也十分可靠安全，安裝布置也簡便。電控-電動式換擋操作系統(tǒng)是在傳統(tǒng)6擋機(jī)械變速器的基礎(chǔ)上，把換擋選檔操作和車身狀況發(fā)動機(jī)狀況統(tǒng)籌管理來實(shí)現(xiàn)電子自動化調(diào)控，是一只種電子機(jī)械集成的機(jī)電一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要構(gòu)件由分散在車身的傳感器和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成。根據(jù)以上的想法和構(gòu)思列舉出了幾種可行的改裝方案：2.3.1改進(jìn)拉桿/拉線操縱機(jī)構(gòu)出于改善拉線拉桿式會使駕駛員操作疲勞根本問題而設(shè)計的最基礎(chǔ)也是最經(jīng)濟(jì)的改裝方案，直接對拉線進(jìn)行改進(jìn)，盡可能的減小整個換擋機(jī)構(gòu)對與拉線的直接拉力，在關(guān)鍵部分更換輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，但是這個方案只能相應(yīng)的改善一部分駕駛員的工作強(qiáng)度，沒有從本質(zhì)上解決問題。但是不需要拆卸發(fā)動機(jī)艙安裝輔助裝置。2.3.2電控氣動式操縱機(jī)構(gòu)通過電子控制和啟動操作的方式來進(jìn)行換擋操作，需要配置成套的電控單元和啟動執(zhí)行機(jī)組來取代拉線的控制操作，這樣的操作機(jī)構(gòu)切斷了拉線，從根本上解決了換擋時費(fèi)力了問題。由于氣動部件重量過大，為了適當(dāng)?shù)臏p少車身重量在該機(jī)構(gòu)中運(yùn)用安裝在換擋手柄下方的傳感器采集駕駛員對換擋手柄的換擋操作信號，傳入ECU分析處理后進(jìn)入電控系統(tǒng)單元，電控系統(tǒng)根據(jù)ECU給出的信號控制電路來控制氣動系統(tǒng)電磁閥的開閉間接的控制與變速器撥桿相連接的氣動工作部件來執(zhí)行相應(yīng)的換擋運(yùn)動。這種煩惱歌福需要在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)做較大的改動，安裝體積龐大的氣動單元，成本略高，但是可以從根本上解決駕駛員換擋時的疲勞，換擋手柄不予換擋撥叉直接相連，解決了頻繁換擋導(dǎo)致駕駛員臂膀勞累的問題。2.3.3電控液壓式操縱機(jī)構(gòu)該裝置系統(tǒng)的構(gòu)思方案與電控氣動操縱機(jī)構(gòu)雷同，唯一的差別在于執(zhí)行元件，該系統(tǒng)的執(zhí)行元件是與電控系統(tǒng)相配套的液壓動力裝置，液壓動力比啟動裝置更加可靠并且操作精準(zhǔn)工作效率提升明顯。但出于安裝液壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度和經(jīng)濟(jì)成本考慮，電動液壓式操縱機(jī)構(gòu)并沒有比電動氣動式有更好綜合性能，所以不做研究。2.3.4電控電動式操縱機(jī)構(gòu)對于電控氣動和電控液壓兩種方案的研究，歸結(jié)了兩種方案的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，構(gòu)想出以電子控制為核心步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件的電控電動操縱系統(tǒng)。用步進(jìn)電機(jī)對換擋撥出進(jìn)行操作運(yùn)動，比氣動氣缸選檔精確并且更加可靠，相對需要大量改裝空間改裝昂貴的氣動裝置步進(jìn)電機(jī)體積小功率高價格低廉，各種性能都在氣動式操作方法之上。在此選用電控電動式操縱系統(tǒng)為基礎(chǔ)對變速器進(jìn)行改裝設(shè)計。2.4系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由于傳統(tǒng)的機(jī)械傳動齒輪式有級變速器結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率較高且技術(shù)成熟，故其使用非常普遍，而且當(dāng)前市場上大多數(shù)后置發(fā)動機(jī)大客車均采用這種有級式機(jī)械變速器。本文所研究的電控電動式換檔機(jī)構(gòu)即是基于這種傳統(tǒng)的機(jī)械有級變速器，在基于機(jī)械變速器換檔原理的基礎(chǔ)上提出換檔操縱系統(tǒng)的功能要求。下面分別介紹說明換檔操縱系統(tǒng)的換檔控制機(jī)構(gòu)和換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。2.4.1換檔控制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及其功能控制機(jī)構(gòu)存在的意義在于對信號的采集整合然后集中處理，把處理完畢的信號轉(zhuǎn)化成命令信號輸入控制單元由控制單元輸出控制信號驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁閥開關(guān)，通過電磁閥的打開和閉合控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動來完成駕駛員對變速器換擋的操作。控制機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)組成有:(1)傳感器在本系統(tǒng)中傳感器的作用尤為重要，所有的操作步驟都是基于傳感器采集到的信號。首先在換擋手柄設(shè)置的傳感器收集駕駛員操作的信號，與此同時還應(yīng)采集節(jié)氣門的開度位置，車速信號，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速如何等多方面的信號去斷定能否進(jìn)行換擋操作。在換擋時也要同時檢測信號數(shù)值變化反饋給ECU，已確定換擋操作是否以經(jīng)完成，起著提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和保險等多種功能。(2)控制電路電控系統(tǒng)中控制電路是整個系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)，硬件是軟件實(shí)行的載體，電路協(xié)助ECU完成相關(guān)的功能。本系統(tǒng)所需電路有電控系統(tǒng)電源線電路、電磁閥驅(qū)動電路、傳感器信息傳輸及反饋電路、額外的儀表盤檔位顯示電路、ECU連接電路。(3)電控單元換檔系統(tǒng)的電路如同神經(jīng)，電工單元如同大腦是整個系統(tǒng)的中心，對處理能力有著較高要求，可以實(shí)現(xiàn)換擋和選檔操作時對信號的采集篩選和處理，并整理后給出控制命令?？刂葡到y(tǒng)還需要體積小、可靠性高、價格經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。除了以上所描述的硬件構(gòu)件以外，控制系統(tǒng)帶需要一個控制系統(tǒng)才算完整，一個可以可以調(diào)動控制系統(tǒng)所有部件的控制程序，控制程序的合理性直接影響著駕駛員對系統(tǒng)的操縱性，。2.4.2換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及功能在控制機(jī)構(gòu)發(fā)出命令后執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過回路中電磁閥的通斷狀態(tài)來控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行選檔和換擋動作，步進(jìn)電機(jī)推動選檔撥叉和換擋撥叉的位置移動來實(shí)現(xiàn)給變速器換擋的命令。其主要構(gòu)有:(1)電磁閥電磁閥通過通斷電狀態(tài)來控制電路的通斷，電磁閥的開閉管控著步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動，不同的電磁閥管控著不同的電流流向步進(jìn)電機(jī)，讓步進(jìn)電機(jī)做出前進(jìn)后退的動作來帶動換擋撥叉。本設(shè)計中有兩組步進(jìn)電機(jī)，相應(yīng)的需要四個電磁閥對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。(2)工作電機(jī)基于傳統(tǒng)固定軸式變速器的換擋原理本系統(tǒng)中有兩個工作電機(jī)：選檔電機(jī)、換擋電機(jī)。傳統(tǒng)固定軸式變速器換擋時是通過換擋手柄的連接件帶動換擋桿的軸向移動和軸向移動來實(shí)現(xiàn)對檔位的選擇和掛擋，因此系統(tǒng)中的執(zhí)行元件也需要分成兩部分：推動選檔撥叉的步進(jìn)電機(jī)和推動撥叉掛擋的步進(jìn)電機(jī)。由于本系統(tǒng)中的換擋手柄沒有與變速器直接相連，與傳統(tǒng)的換擋系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有所不同，實(shí)際上就是兩個步進(jìn)電機(jī)代替拉線遠(yuǎn)程對換擋桿進(jìn)行操作。2.5客車換擋機(jī)構(gòu)客車的動力傳動系統(tǒng)與普通的轎車有些不同，有些半電動的客車甚至無離合器，如圖2-2所示圖2-2半電動客車傳動系統(tǒng)圖中的為在變速器輸入軸上的轉(zhuǎn)動慣量；是變速器輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量；分別為電機(jī)的角速度與輸入軸和輸出軸的角速度；為相應(yīng)位置的轉(zhuǎn)速變化率；分別作為電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩、變速器輸入軸的轉(zhuǎn)矩、變速器輸出軸的轉(zhuǎn)矩；是同步器處于滑動摩擦狀態(tài)時的摩擦轉(zhuǎn)矩；地面的阻力力矩為；為變速器的傳動比值；是變速器原檔位的傳動比；是變速器上目標(biāo)檔位的傳動比；主減速器的傳動比為。由于油電混合汽車的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，故，在換擋的時候會中經(jīng)歷如下幾種情況換擋前；在換檔前的階段里電動機(jī)的輸出力與車輪間的關(guān)系是確定的，即摘空檔；在摘空擋的階段電動機(jī)輸出力與車輪間的動力學(xué)關(guān)系依舊如同式子（1）（2），但是電機(jī)輸出會被主動控制，使電機(jī)輸出的扭矩逐漸減少到0，變速器這時候的輸入扭力矩比較小，輸入軸和輸出軸相互咬合的力比較小，以實(shí)現(xiàn)摘空擋的操作。空擋；在這各階段電機(jī)的動力傳動被斷開，這時的驅(qū)動電機(jī)會調(diào)整轉(zhuǎn)速，使同步器的主、被動部件的轉(zhuǎn)動速度達(dá)到目標(biāo)檔位的要求，在這時可以進(jìn)行換擋操作，目標(biāo)檔位的調(diào)速值為.在空擋的狀態(tài)下驅(qū)動電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)動速度的快速調(diào)整，電機(jī)控制器操縱達(dá)到目標(biāo)值。就是通過控制器去主動控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速率后實(shí)現(xiàn)同步，摘下空擋后進(jìn)行選檔和掛擋的操作。換擋；在上一步中使電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度與目標(biāo)檔位要求的速度保持相同后，瞬間控制電動機(jī)使電動機(jī)的輸出變?yōu)?轉(zhuǎn)矩，這時變速器就可以進(jìn)行換擋操作了。在換擋的過程中有兩個階段；同步器同步過程與選定目標(biāo)換擋過程。同步器同步過程在這式子里為符號函數(shù)值在提升檔位的時候在選擇降低檔位時由此可見當(dāng)取值越小的時候，變速器同步時需要的力矩就可實(shí)現(xiàn)快速的換擋同步，在電動機(jī)調(diào)速后，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速越來越接近，同步器的力矩就會越小，換擋工作也就更加的圓潤換擋沖擊越小。在完成同步器的同步工作后就可掛入目標(biāo)速度檔位換擋結(jié)束后；在換擋結(jié)束后的階段與換擋前的階段一致，車輛在經(jīng)過短暫的換擋操作后恢復(fù)到正常的駕駛行駛中，通過電子控制器和電機(jī)的控制器一體化的控制管理可以讓換擋操作減少換擋沖擊，但對于電機(jī)的參數(shù)控制管理器有更高的要求，要在短時間內(nèi)完成對電動機(jī)和同步器的調(diào)速并且要有較高的調(diào)速精度，在樣才能在不影響車輛行駛的前提下快速換擋，減輕換擋時的卡頓和沖擊力。通過對電路的分析與機(jī)械結(jié)構(gòu)的解析我們發(fā)現(xiàn)一般的大型客車對變速器的控制都是采用一體化控制的方法，一體化的控制方法把客車行駛過程中的動力驅(qū)動系統(tǒng)分劃為三部分；自由模式、調(diào)速模式、力矩模式，在車輛正常行駛過程中動力驅(qū)動系統(tǒng)處于力矩模式，這時候的發(fā)動機(jī)輸出端轉(zhuǎn)矩會和加速踏板的角度成正比，在駕駛員有換擋意圖時動力驅(qū)動系統(tǒng)同時處于兩種狀態(tài)時而自由模式時而調(diào)速模式，換擋時發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速信號和轉(zhuǎn)矩信號會被控制系統(tǒng)接受整合在發(fā)送給驅(qū)動電機(jī)，帶動電動執(zhí)行元件進(jìn)行換擋操作。本章小結(jié)通過本章的分析計算解析了客車的換擋裝置的結(jié)構(gòu)形式，通過每個具體的結(jié)構(gòu)內(nèi)容對現(xiàn)有的客車換擋形式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，細(xì)化了換擋機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)。第三章電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.1傳動系統(tǒng)相關(guān)機(jī)構(gòu)介紹傳動系統(tǒng)作為汽車的重要系統(tǒng)之一鏈接著發(fā)動機(jī)與輪胎，由萬向傳動裝置、變速器、驅(qū)動橋和離合器組成的傳動系統(tǒng)繼承發(fā)動機(jī)輸出的動力傳遞給驅(qū)動輪滿足各種工況下汽車行駛的需求，保證汽車的駕駛安全，其中變速器是此次設(shè)計的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制對象。為了解決活塞式內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速較小而汽車行駛時對牽引力的需求范圍較大的問題，在傳動系統(tǒng)中設(shè)置了變速器。變速器可以擴(kuò)大驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)傳動比使發(fā)動機(jī)的輸出使之符合隨時變換行駛條件，使汽車在理想狀態(tài)態(tài)下進(jìn)行行駛。通過齒輪配合在不改變發(fā)動機(jī)前提下使汽車實(shí)現(xiàn)倒退。通過空擋操縱離合器斷開與發(fā)動機(jī)的連接，讓發(fā)動機(jī)的動力獨(dú)立，已實(shí)現(xiàn)怠速、換擋或者平穩(wěn)起步。3.2電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計步進(jìn)電機(jī)有著優(yōu)良的動態(tài)性能并且制造成本偏低工作性能可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，十分適合被選用做電動執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常是永磁材料，當(dāng)工作時通過調(diào)節(jié)器整合后的多頻電流通過定子上的繞組，繞組發(fā)生電磁感應(yīng)產(chǎn)生一個有固定方向的磁場。這個定向磁場會帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度迫使轉(zhuǎn)子永磁體的磁場與定子生成的磁場保持同一方向，通過調(diào)整進(jìn)入定子的電流頻率定子產(chǎn)生的磁場會隨之轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子也會跟隨定子轉(zhuǎn)動固定的角度。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角與定子輸入的脈沖數(shù)成正比，通過改變脈沖頻率調(diào)整轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向也可以通過通電的正負(fù)情況進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是永磁轉(zhuǎn)子和銅線繞組，在工作時都會對電流造成大量損耗，銅損和鐵損會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，繞組的銅線通電后電流越大銅線的電阻產(chǎn)熱越大，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)電流還會有交流損耗。轉(zhuǎn)子的鐵芯在磁場中會產(chǎn)生磁滯渦流效應(yīng)。這些都會影響電機(jī)的效率，一般步進(jìn)電機(jī)為了追求操作精度會造成機(jī)體發(fā)熱嚴(yán)重的現(xiàn)象，應(yīng)極力避免用在交流電路中，汽車的電路為直流電路，可以一定程度提升步進(jìn)電機(jī)的工作效率。我們通常見到的變速器在上部都設(shè)有一個操縱軸稱為換擋軸，換擋時就是通過直接或者間接的控制換擋軸進(jìn)行橫向運(yùn)動和縱向運(yùn)動來配合變速箱進(jìn)行換擋操作。電動換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的目的就是通過改裝一個運(yùn)動機(jī)構(gòu)替代人工操作，一個可以對換擋桿施加XY軸的力的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。通過布置一個簡單的傳力結(jié)構(gòu)安裝相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)推動換擋桿工作。3.3步進(jìn)電機(jī)的選擇經(jīng)過分析電動執(zhí)行元件選用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)作為現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，用途廣泛可用在多種復(fù)雜工作環(huán)境，并且依舊能保證工作穩(wěn)定性。步進(jìn)電機(jī)通過控制脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)而改變步進(jìn)電機(jī)的步距角，每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到脈沖信號后，步進(jìn)電機(jī)會根據(jù)信號的強(qiáng)弱和電流的正負(fù)極讓步進(jìn)電機(jī)按照人的意愿向著設(shè)計的方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)的固定角度，通過脈沖頻率控制步進(jìn)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)脈沖電信號的正負(fù)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，通過讀取脈沖的數(shù)量確定轉(zhuǎn)動的角。經(jīng)過這三方面的調(diào)節(jié)，步進(jìn)電機(jī)可以精確可靠的完成接收到的命令。通過電子電路將直流電變成分時多頻率的電流，驅(qū)動器就就是為步進(jìn)電機(jī)供電的控制器，通過讀取改變后的電流給步進(jìn)電機(jī)分時供電，步進(jìn)電機(jī)會按照電流的頻率工作。 按照結(jié)構(gòu)形式劃分步進(jìn)電機(jī)分為永磁式步進(jìn)電機(jī)，用永磁材料制作成步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，永磁式步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)性能比較好，輸出力矩大，但是由于永磁材料的轉(zhuǎn)子會影響電機(jī)工作精度，永磁式的電機(jī)步距角一般都比較大約15°。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子上有固定的繞組，而轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成，只適用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，其動態(tài)性能很低，無法帶動工作用執(zhí)行元件，結(jié)構(gòu)問題還會影響工作發(fā)熱量，可靠性差，優(yōu)點(diǎn)是成本低步距角小操作精度高。中和了永磁式和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計出新型的混合式步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子依舊采用永磁材料，定子安裝多相繞組并且有多個小齒可以提高步進(jìn)電機(jī)的步距角和操作精度，混合式的結(jié)構(gòu)設(shè)計融合了兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有著優(yōu)良的動態(tài)性能、有較小的步距角、輸出的力矩大、工作性能可靠。但混合式步進(jìn)電機(jī)由于整合了兩種電機(jī)的結(jié)構(gòu)所以本身結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜制造成本很高?？刂品绞揭彩怯绊懖竭M(jìn)電機(jī)運(yùn)行性能的主要因素，一般歸類為開環(huán)控制與閉環(huán)控制。[1]由于混合式步進(jìn)電機(jī)的輸出扭矩大以及良好的動態(tài)性能本文采用混合式步進(jìn)電機(jī)作為電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隨著技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新三相混合式步進(jìn)電機(jī)逐漸占領(lǐng)市場，三相步進(jìn)電機(jī)憑借著超高的性能和低廉的制造成本逐漸占領(lǐng)了97%以上的市場份額，工作精細(xì)的三相步進(jìn)電機(jī)再配上細(xì)分驅(qū)動器后能達(dá)到此外電機(jī)不可比擬的地步。三相步進(jìn)電機(jī)的基本步距角為1.8°每步，當(dāng)按照實(shí)際工作需要搭配上配套安裝的半步驅(qū)動器，可以將步進(jìn)電機(jī)的工作步進(jìn)角調(diào)小至50%也就是說可以將步距角縮減到為0.9°每步，步進(jìn)電機(jī)還有相應(yīng)型號的細(xì)分驅(qū)動器，經(jīng)過細(xì)分器調(diào)整分化步距角理論上可細(xì)分達(dá)原步距角的256倍（約為0.007°/微步）。在實(shí)際工作中由于摩擦力和制造精度等外部因素和不可抗力的負(fù)面因素干擾，實(shí)際對步進(jìn)電機(jī)的控制精度沒有理論數(shù)值那么高。同一步進(jìn)電機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動器按照實(shí)際工作需求對操作精度進(jìn)行修改。如英世達(dá)130mm系列步進(jìn)電機(jī)如圖3-1所示圖3-1英世達(dá)三相步進(jìn)電機(jī)在選定了電動執(zhí)行器之后根據(jù)客車變速器換擋機(jī)構(gòu)的換擋桿的工作行程和在選擇檔位時所受力做出分析對比，通過對變速器的具體解析來確定在這個系統(tǒng)中需要什么型號的步進(jìn)電機(jī)。我們先確定步進(jìn)電機(jī)帶動換擋桿的運(yùn)動軌跡與連接形式，以五檔變速器為例，在車輛正常駐車狀態(tài)下處于空擋，換擋桿布置圖如圖3-2所示圖3-2空擋換擋桿位置圖換擋桿在停車時和換當(dāng)前都會處于這樣的狀態(tài)，已準(zhǔn)備選檔工作，在進(jìn)行選檔操作時換擋球頭在水平方向移動到相應(yīng)的拉桿處，在橫向的移動已達(dá)到推拉同步器進(jìn)行換擋。具體操作圖3-3所示圖3-3五檔變速器換擋示意圖我們可以看的到換擋球頭的運(yùn)動方式十分簡單單一，正?？蛙囻{駛員對于換擋桿的操縱是通過換擋手柄相連的拉線間接控制換擋球頭，出于換擋球頭的運(yùn)動軌跡設(shè)計出一種可以安置在換擋桿上代替拉線的框架，一種類似于3D打印機(jī)的XYZ軸的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。如圖3-4所示圖3-4xyz軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)圖中2、3為步進(jìn)電機(jī)，5、6、7、為工作輪負(fù)責(zé)帶動10滑軌。相比較之下3D打印機(jī)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)要比變速器的需求要多，但是在去除掉關(guān)于Z軸運(yùn)動的電機(jī)和輔助輪后就可以直接安置在變速器上，對換擋球頭進(jìn)行控制操作。客車選用六檔手動變速器其具體換擋模塊如圖3-4所示圖3-4六檔手動變速器換擋裝置在駐車?？炕蛘哒論鯐r換擋球頭?？吭谌?、四檔撥叉軸上，所以對三、四檔進(jìn)行掛擋操作時沒有選檔距離，當(dāng)換擋球頭置于一、二檔撥叉軸和五、六檔撥叉軸時根據(jù)查詢材料得之其選檔行程需要13.12cm，R檔距離三、四檔撥叉軸較遠(yuǎn)需要的行程為26.24cm。在橫向移動選定檔位后球頭會繼續(xù)縱向移動進(jìn)行換擋，在換擋運(yùn)動時球頭的縱向移動是固定的為21.11cm，在選一、二檔時選檔力約為19.12N，運(yùn)動行程為13.12cm，此時需要換擋球頭做功為在選五、六檔時選檔力約為24.67N，運(yùn)動行程為13.12cm，此時需要換擋球頭做功為在選R檔時選檔力約為31.90N，運(yùn)動行程為26.24cm，此時需要換擋球頭做功為這是選檔機(jī)構(gòu)對步進(jìn)電機(jī)的要求，所選步進(jìn)電機(jī)的輸出功必須要遠(yuǎn)大于837.05N，因?yàn)檫€需考慮在支架上運(yùn)動的消耗。在進(jìn)行換擋時所需要做的功不同于選檔，換擋球頭做功有所不同。在換前進(jìn)檔時選檔力約為19~21N，運(yùn)動行程為21.11cm，此時需要換擋球頭做功為更換R檔時出于安全考慮所需力較大需要24.14N的力才能掛進(jìn)R檔，縱向前進(jìn)距離依舊為21.11cm這時換擋球頭做功為在選用換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)時要考慮功的消耗，所選擇步進(jìn)電機(jī)輸出功要大于509.60N.本章小結(jié)本章是對換擋系統(tǒng)的具體改進(jìn)，通過運(yùn)動分析確定改裝的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，通過對換擋桿的力的分析選定運(yùn)動機(jī)構(gòu)上安裝的步進(jìn)電機(jī)，分為主動電機(jī)個輔助電機(jī)，主動電機(jī)所需功率要遠(yuǎn)大于輔助電機(jī)。第四章控制機(jī)構(gòu)設(shè)計控制機(jī)構(gòu)作為本次設(shè)計的核心部分，由采集信號的全車身多處傳感器、控制電路和控制單元共同組成。當(dāng)駕駛員通過換擋手柄發(fā)出換擋的信號，傳單器及時采集換擋手柄的位置信息，通汽車電腦把模擬信號轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送到動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時還會采集汽車運(yùn)行時的傳感器信號反饋，將汽車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時匯報給駕駛員?？刂茩C(jī)構(gòu)主要采集的傳感器信號有車速傳感器確定車速是否適合加減檔位、檔位傳感器收集駕駛員的操作信號、節(jié)氣門嗎開度傳感器和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器來確定發(fā)動機(jī)功率確保操作安全可靠，同時根據(jù)數(shù)據(jù)計算當(dāng)前車況下用何種檔位才會有最佳的經(jīng)濟(jì)性能。汽車電腦ECU在接收到檔位信號后，會傳遞出電信號給與電磁閥，通過電信號控制電磁閥開閉，制造脈沖電流給步進(jìn)電機(jī)供電，同時還需檢測電路上的電磁閥和步進(jìn)電機(jī)的工作情況來確定換擋操作是否完成并將采集到的信息反饋給駕駛員控制系統(tǒng)工作原理圖如圖4-1所示圖4-1控制系統(tǒng)工作原理圖4.1控制機(jī)構(gòu)信號的采集控制機(jī)構(gòu)主要采集的傳感器信號有車速傳感器確定車速是否適合加減檔位、檔位傳感器收集駕駛員的操作信號、節(jié)氣門嗎開度傳感器和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器來確定發(fā)動機(jī)功率確保操作安全可靠，同時根據(jù)數(shù)據(jù)計算當(dāng)前車況下用何種檔位才會有最佳的經(jīng)濟(jì)性能。需要安裝相應(yīng)的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。4.1.1傳感器的原理及組成分類傳感器是一種能將模擬信號轉(zhuǎn)換成可被采集的電信號的轉(zhuǎn)換器，把汽車上的溫度、速度、加速度等非電信號轉(zhuǎn)換成電量如電流和電壓。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展傳感器變成了汽車行業(yè)革新的主要關(guān)鍵部件，一些抵擋的民用車至少會有幾十只傳感器，而一些高檔汽車全車傳感器數(shù)量可達(dá)幾百只，汽車越高級傳感器數(shù)目越多，傳感器在汽車上已經(jīng)到了不可或缺的地位。有了傳感器收集的信號還需要執(zhí)行器進(jìn)行實(shí)際工作，所以汽車上執(zhí)行元件也是很重要的部件，通過執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對氣流和液體流量的操控如供油量控制、對壓力的調(diào)整如制動器的增壓裝置、空間位置的調(diào)整或者電信號的通斷，傳感器的信號采集和執(zhí)行器的實(shí)際工作是密切相關(guān)的。在不同的系統(tǒng)中即便相同的傳感器與執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式與安裝數(shù)量也不同，一般來說傳感器有三大部件檢測電路、轉(zhuǎn)換元件與敏感元件如霍爾元件等等，在必須的情況下又是還需輔助電源助其工作，傳感器組成簡圖如圖4-2所示圖4-2傳感器的組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)采集變速器的狀態(tài)作為選檔換檔的反饋，用于完成指令和發(fā)現(xiàn)故障?？刂茩C(jī)構(gòu)需要采集的信號有:換檔手柄檔位信號、節(jié)氣門開度信號、變速器換擋情況信號、車速信號、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號等。4.1.2操縱手柄位置信號采集為實(shí)現(xiàn)對駕駛員操作信號的采集，對換擋手柄進(jìn)行簡單改進(jìn)，在換擋手柄下方安置霍爾元件，當(dāng)駕駛員對換擋手柄進(jìn)行操作時，信號采集器會確定換擋手柄的位置，將信息送入控制系統(tǒng)傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行換擋操作，手柄部分改進(jìn)如圖4-2所示圖4-3手柄信號采集機(jī)構(gòu)示意圖4.1.3車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的采集測量在行車駕駛時汽車ECU需要隨時監(jiān)控發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度的傳感器信號，用來確定發(fā)動機(jī)的工況，通過分析發(fā)動機(jī)的負(fù)荷狀況來提示駕駛員當(dāng)前車況需要在何檔位才能達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的燃油效率。并且也作為倒車操作時的電子保險，在撥到R檔時應(yīng)保證汽車處于靜止?fàn)顟B(tài)，這個信號優(yōu)先于駕駛員的操縱信號ECU不會響應(yīng)駕駛員的命令。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器與車速傳感器的測量理論基本一致可以用相同的從測量設(shè)備以減少支出，可以測量轉(zhuǎn)速的測速器有很多，比如說常見的發(fā)電機(jī)式測速器、霍爾磁電傳感器和光感傳感器。發(fā)電機(jī)式測速器雖然數(shù)據(jù)簡單可靠操作便利但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本較高在汽車行業(yè)很少采用?；魻柎烹娛絺鞲衅饔兄ぷ骺煽矿w積小成本低的優(yōu)勢得一廣泛運(yùn)用在汽車傳感器行業(yè)，本系統(tǒng)需要的速度傳感器均采用霍爾電磁式速度傳感器。4.1.4節(jié)氣門開度信號的采集節(jié)氣門位置是汽車車況的關(guān)鍵信號，節(jié)氣門一般直接安裝在在節(jié)氣門上，與節(jié)氣門的轉(zhuǎn)動軸直接相連，當(dāng)駕駛員對加速踏板進(jìn)行操作時節(jié)氣門打開一定角度轉(zhuǎn)動軸帶動傳感器，傳感器會隨著轉(zhuǎn)動軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電量信號ECU會根據(jù)節(jié)氣門信號調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)供油量已達(dá)到加速的目的。 汽車電腦ECU會實(shí)時監(jiān)測節(jié)氣門的打開角度信息，把從傳感器收集的信號其作為調(diào)整發(fā)動機(jī)功率的必要參考數(shù)據(jù)，并且把節(jié)氣門開度以及氣流量反饋給給駕駛員。在自動變速器系統(tǒng)中節(jié)氣門開度傳感器采集的節(jié)氣門信號是反應(yīng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷，車速車況的一個重要的電子控制信號。自動變速器汽車節(jié)氣門開度傳感器一般