一种用于商用车的电控电动免维护换挡系统的机械设计

刘欣，赵甜甜，丁殿磊

(大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024)

一种用于商用车的电控电动免维护换挡系统的机械设计

刘欣，赵甜甜，丁殿磊

(大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024)

摘要：开发出一种全新的商用车电控电动免维护换挡系统，介绍了其选挡执行机构和换挡执行机构的机械设计以及主要元件的选择。

关键词：换挡系统；商用车；执行机构

0　引言

现如今商用车EPS(电控气动)换挡系统以其成本低和易于制造等优点在中国市场上已经相对成熟。但是， 电控气动换挡系统也存在一些明显的问题，比如北方冬天寒冷的气候会影响换挡系统中的气动密封件，导致需要经常更换密封件，这样一来，不仅影响此换挡系统的稳定性，同时也会大大增加人力成本。所以，如何在系统中做到少维护或者免维护就显得尤为重要。

目前，在现有的EPS系统的基础上，将系统更改为电控电动式，用电机、滚珠丝杠等元件替代气动部分的动作，开发出一种全新的商用车电动电控免维护换挡系统。电控电动换挡系统执行装置总体方案设计包含两部分，分别为选挡装置和换挡装置。

1　系统总体设计要求

系统总体设计要求如下：

(1)能够与传统的s6-90变速箱结合使用；

(2)根据EPS换挡可知，此系统选挡力为150～200 N，换挡力为1 000～1 200 N，所设计的机械机构必须能够满足此要求；

(3)换挡过程中，挂挡需要在1s内完成，而摘挡需要在0.5s内完成，机械机构需要满足快速摘挡这一特性。

2　选挡机构机械结构设计

2.1机械结构

选挡装置机构机械主体部分的基本结构如图1所示，主要包括直线电机1、套筒2、连接套3、霍尔传感器4、双螺母5、止动块8、丝杠螺母9等。电机固定，电机上的螺母与连接套连接，并且由止动块阻止连接套的转动，连接套同时还与s6-90变速箱中的轴相连。当电机转动时，由于止动块阻止了电机上螺母的旋转，所以电机上的螺母只能沿着电机轴做往复运动，由图1可看出，连接套通过“拉动”双螺母，或者“推动”变速箱轴的轴间来完成选挡动作。

2.2主要原件的选择

此选挡系统的反馈装置选择霍尔贴片传感器，将感应磁铁安置于连接套上，在套筒上安放霍尔传感器，当连接套运动时，根据磁场变化即可检测出此系统的选挡情况。

为了方便安装，将连接套设计成两个半圆的对称结构。在安装的时候可以先安装双螺母，之后将连接套重合，就可以顺利地安装。

3　换挡机构机械结构设计

换挡装置机构主体部分基本结构如图2所示，主要包括步进电机1、联轴器2、丝杠方形螺母3、助力弹簧4、传感器5、拨叉座6、连接杆7、滚珠丝杠8、摘挡加速装置等，其中摘挡加速装置由推杆9、弹簧10和挡杆11组成。

步进电机通过联轴器与丝杠连接，丝杠与拨叉座连接，这是整个系统能够实现换挡动作的基础。霍尔传感器的感应磁铁设置在拨叉座上，且无相对滑动，传感器能够检测出拨叉的位置。电控电动换挡机构的设计必须满足快速摘挡的要求，但是步进电机由于其起步特性难以在短时间内带动1 000 N的力，所以如何用机械机构完成快速摘挡过程就显得十分重要。下面就分别对挂挡过程和摘挡过程进行论述。

3.1挂挡过程分析

如图2所示，假设现在需要向右挂挡，当换挡系统接到挂挡指令后，步进电机转动，由于丝杠上的方螺母被推杆限制转动，所以左侧的丝杠螺母向右移动，推动着助力弹簧；当弹簧积攒的力达到1 000 N左右时，推动拨叉座，拨叉座带动拨叉向右挂挡，并且由于两个方螺母由连接杆连接，无相对位移，此时与方螺母连接的右推杆由于螺母的右移动作而离开了挡杆，拨叉进行向右挂挡动作的过程中，接触到右挡杆的斜面，挡杆因此而向下运动压缩弹簧，直到拨叉完成右挂挡动作时，右挡杆在弹簧的作用下弹回原位，如图3所示。

3.2摘挡过程分析

摘挡过程必须要满足快速摘挡的要求，所以在进行机械结构设计时，运用“先攒力后释放”的设计思路，具体过程如下：假设现阶段已完成向右挂挡，一旦传感器检测到挂挡信号，表明挂挡成功后，立即给步进电机一个反向转动的指令，此时，右侧的方螺母开始向左移动压缩助力弹簧，同时右推杆也开始移动，当移动了指定的距离后，即右推杆刚刚接触到右挡杆的时候，电机停止转动，完成“攒力”过程。如图3所示。

由于挡杆的作用，拨叉座无法运动，如果此刻机构接到了摘挡的命令，步进电机转动，推杆向左运动，由图3不难看出，在力的作用下挡杆压缩弹簧，向下运动。当挡杆离开拨叉插座的时候，前期助力弹簧攒的力便一下子“释放”出来，能够控制在0.5 s内完成摘挡，恢复到图2所示的位置。

3.3主要元件的选择

在拨叉座上设置有磁铁，在顶盖上放置4个霍尔传感器检测拨叉的动作。当左侧或者右侧的传感器检测到磁铁则说明拨叉正在进行挂挡动作，当中间的两个霍尔传感器有输入信号则说明拨叉正在进行摘挡动作。

4　总结

该电控电动换挡可以与s6-90变速箱完美结合，并且理论上满足换挡系统的要求。电控系统区别于气动换挡系统，不需要密封圈的密封，从而可以实现少维护甚至免维护。同时该系统利用机械结构便可达到快速摘挡的要求，大大降低了控制系统的难度。因而，该电控电动换挡系统具有广阔的应用前景。

参考文献:

【1】范超毅,范巍.步进电机的选型与计算[J].机床与液压,2008,36(5):310-313,324.

【2】王少怀.机械设计实用手册[M].北京:机械工业出版社,2008.

【3】黄明,尚群立,余善恩.线性霍尔传感器在直线位移中的应用[J].自动化仪表,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

作者简介：刘欣(1956—)，男，博士，副教授, 研究方向为汽车电子技术、汽车自动变速、智能仪表。 通信作者：赵甜甜， E-mail：zhaotiantian227@sina.com。