一种通用型挡位操纵机构的结构创新设计

史文欣，韩嘉骅

(四川大学制造科学与工程学院，四川成都 610065)



一种通用型挡位操纵机构的结构创新设计

史文欣，韩嘉骅

(四川大学制造科学与工程学院，四川成都 610065)

挡位操纵机构既是功能件又是运动件，需要有良好的安全及操作性能。现有的挡位操纵机构结构较为复杂，体积较大，成本也较高，产品之间通用性较差。该方案提供一种新的挡位操纵机构，利用新的圆周式钢球定位结构来简化挡位操纵机构的结构，减小体积，并采用组合式光电开关采集挡位信号，使挡位操纵机构使用更加方便、安全，通用性得以提高。

挡位操纵机构；圆周式；光电开关；通用型

0 引言

挡位操纵机构在车辆上既是功能件又是运动件，需要有良好的安全及操作性能。现代各种工程机械，包括轮胎式起重机、装载机、军用越野汽车、超重型自卸汽车，及多数高档轿车的自动变速器大多数要靠液压系统来驱动换挡元件，换挡操纵机构在驾驶员和液压控制机构中的换挡滑阀之间建立了一种机械联系。换挡操纵机构一般采用机械操作和电操作两种方式。机械操作的方式是用手动方式推动挡位液压阀的位置，使其与齿轮产生不同的传动比，从而实现不同的挡位速度，机械操作方式需要操作人员使出较大的操作力，当挡位较为频繁地转换时，操作人员的劳动强度较大。电操作的方式是用组合电开关操作电磁换挡阀的换挡方式，每一组电开关由回位弹簧、弹簧片、触电组成，挡位数决定了电开关的组数，换挡时相应挡位的电开关组接通，控制相应的电磁阀工作推动换挡阀处于不同的位置，使其与齿轮产生不同的传动比，以实现不同的挡位速度，但是因为每组电开关工作时采用接触式的方式，虽然减轻了劳动者的工作强度，但一般价格的电开关组寿命只能达到10万次，远低于100万次的要求[1]。若使用国外产品价格十分昂贵，例如Y-180平地机选用ZF变速器, 其挡位选择器为一进口电子控制元件, 价格十分昂贵[2]。我国研究人员在很早就开始了对工程机械全自动和半自动换挡操纵控制的研究，到目前为止，虽然已经有了较大的进展，但大多数仍处于实验研究阶段，还没有向市场推出自己的成熟产品[3]。

作者翻译了美国联邦汽车安全标准(Federal Motor Vehicle Safety Standards)第571部分第102条相关规定作为参考[4]：

(1)空挡(N挡)必须位于前进挡(F挡)和后退挡(R挡)之间；如果是使用转向管柱式的变速器换挡杆，从空挡(N挡)到前进挡(F挡)必须顺时针动作；如果变速器换挡杆序列包括停车挡(P挡)，则停车挡(P挡)应位于终端位置，与后退挡(R挡)位置相邻；

(2)在具有多于一个前进挡(F挡)的车辆上，前进挡(F挡)应该提供一个比车速低于64.38 km/h(40英里/小时)的最高速度传动比更高程度的发动机制动能力；

(3)当挡位处于前进挡(F挡)或者倒退挡(R挡)时，发动机起动机应处于无法工作的状态；

(4)如果变速器换挡杆序列包括停车挡(P挡)，确定的换挡杆挡位，包括相互关联的挡位和所选挡位，都应当在驾驶员的视野中显示，无论下列任意条件存在时：①在位于变速器可以换挡的位置点火;②变速器不处于停车状态。

(5)挡位信息应在单独的一个位置提供给驾驶者，各个制造厂还应根据各自的设计方案，提供一套冗余的挡位信息显示装置。

文中挡位操纵机构采用机械式操作、控制非接触式光电开关的电操作方式，通过机械操作使非接触式光电开关组产生相应的电信号，相应的电信号控制换挡阀中电磁阀的动作，并最终实现换挡动作。电子换挡机构不同于机械式换挡机构，它对变速器的控制采用信号识别、传输和发送指令的模式，与变速器之间没有直接的机械连接[5]。由于采用非接触式的光电开关产生信号，寿命大幅提高，可达到100万次以上。此外，由于机械操作部分采用了新的圆周式定位换挡原理，不但整体结构减小而且增加了挡位的数量使其能满足不同挡位的使用需求，通用性得到较大提高，包括停车挡(P挡)，具体的挡位设置如后文所示，并可以满足美国联邦汽车安全标准FMVSS-102的各项要求。文中所述设计已申请国家发明专利[6]，申请号：CN201410520993.5。

1 结构设计

此方案所述的一种挡位操纵机构由定位换挡部分、光电编码部分、操作杆部分3个部分构成。其中，定位换挡部分主要作用是在换挡过程中在相应挡位上实现固定、定位的作用；光电编码部分产生并采集不同挡位位置时的信号，并将信号传送到PLC控制系统中以实现相应挡位的相应动作；操作杆部分的作用主要是通过操作产生相应的换挡动作以驱动该挡位操作机构的换挡功能。

定位换挡部分的核心主要包括：主轴、小套筒、定位弹簧、小滑块、定位钢球、内芯、定位连接套筒。如图1所示，主轴安装在内芯的内孔之中，小套筒依次穿过内芯上的槽和主轴上的定位内孔，小套筒之中的中部安装定位弹簧，定位弹簧的两侧分别为小滑块、定位钢球，定位连接套筒安装在内芯的外表面，同时定位钢球也固定在定位连接套筒上的定位孔之中。

图1 换挡主体结构剖面图

主轴可相对内芯做左右滑动，滑动的左右极限位置由小套筒和与小套筒配合的内芯通槽(限位槽)来决定，由于内芯通槽在周向的尺寸大小与所述小套筒外径匹配，所以主轴与内芯的周向转动由于小套筒的作用而锁定在一起；换挡时，主轴带动小套筒周向旋转运动或轴向移动，当做周向旋转运动时，定位钢球在定位连接套筒内的同一圈的定位孔中周向转动，当做轴向移动时，定位钢球在定位连接套筒内的相邻圈的定位孔中轴向移动，通过定位钢球与定位连接套筒圆柱内壁或内表面的定位孔配合固定实现定位，以实现定位换挡功能。

光电编码部分的核心主要包括：轴向光电开关组合、周向光电开关组合、编码盘、主轴。如图2所示，编码盘一直处于周向光电开关组合的信号采集槽中，周向光电开关组合负责采集骗码盘的信号信息，轴向光电开关组合负责采集主轴的信号信息。

图2 光电开关与编码盘配合方式

编码盘通过安装孔固定在内芯上，当内芯周向转动时带动编码盘一起转动，所以当换挡至不同位置时，编码盘也位于不同位置，因而周向光电开关组合产生不同的信号，控制相应的动作执行；主轴末端有一圈薄壁挡圈，当主轴带动小套筒、定位钢珠轴向换挡时，若主轴处于最右端，则主轴薄壁挡圈位于轴向光电开关外，无信号产生，若主轴处于最左端，则主轴薄壁挡圈位于轴向光电开关内，产生相应的位置信号。理论上如图2中的5个光电开关布置形式，最多可产生32个位置信号，远远大于车辆和装置上的挡位需求，使得该挡位操纵机构应用更加广泛，通用性得以提高。

操作杆部分的核心主要包括：外壳末段、锁死滑块、连接杆、锁死弹簧、连接滑块、操作杆外壳、限位钢球、手柄按钮、手柄按钮外壳、手柄按钮复位弹簧。各零部件的具体安装位置如图3所示，外壳末段起到操作杆定位的作用，手柄按钮外壳、手柄按钮、手柄按钮复位弹簧通过与限位钢球的作用，改变其位置，从而改变锁死滑块的位置以实现换挡、定位的功能，使装置更加可靠，功能更加完善。

如图3所示结构，手柄按钮安装在手柄按钮外壳的内部，与手柄按钮复位弹簧相配合处，手柄按钮左端为小直径圆柱部分，右端为大直径圆柱部分，在大直径圆柱表面上沿轴向加工出一个一端径向深度大于另一端径向深度的异形槽。未换挡时，在手柄按钮复位弹簧作用下，手柄按钮处于初始位，限位钢球位于异形槽的浅槽部分，此时连接滑块顶端凹槽内的限位钢球下压连接滑块，通过连接杆将锁死滑块的端部压入外壳末段的锁死定位孔中，挡位操纵机构无法换挡；当摁动手柄按钮时，手柄按钮滑动使得限位钢球滑动至异形槽的深槽部分，此时由于锁死弹簧的作用，将连接滑块向上推，连接滑块同时带动连接杆和锁死滑块向上移动，使锁死滑块下端脱离外壳末段的锁死定位孔，此时挡位操纵机构可进行换挡操作。

图3 操作杆结构剖面图

2 换挡位置信号检测及输出

换挡杆控制器最重要的一项功能是换挡杆位置的实时监测，准确识别出目前换挡杆的位置之后将信号发送至电子控制单元(Transmission Control Unit，TCU)[5],光电开关与编码盘的配合起到了换挡杆控制器的作用。编码盘形式见图4，上端的薄壁部分伸入圆周方向的4个周向光电开关组合之中，具体的配合关系如图2所示，4个周向光电开关从左至右的编号为1、2、3、4，轴向光电开关编号为5。当光电开关未被挡住时输出信号为1，被挡住时输出信号为0。

图4 编码盘

现以前6后3的挡位操纵机构为例说明各挡位对应的电信号。设如图2所示的配合位置为初始位置，顺时针转动时为前进挡，逆时针转动为后退挡，对应地设计一种挡位操纵机构的外部标注挡位为如图5所示形式，则相应挡位对应的电信号如表1所示。

图5 挡位标注外壳

挡位PN前1前2前3前4前5前6后1后2后3电信号1100111000100101001101101011000100001001001100011110001

可知，挡位和相应的电信号一一对应，由于挡位数量和光电点开关可产生的电信号数量可以远远满足使用需要，使得实际使用时还可以相应地增减挡位，以满足不同客户、不同条件下的使用需求。

3 与已有产品对比及特点

同济大学关景泰老师在1999年曾发表过一篇专利《动力换挡变速箱的电操纵组合开关》，专利号：CN2377666。作者设计的这种挡位操纵机构与他的相同之处在于均采用了非接触式电子元件设计组成了非接触式开关，使其无接触磨损，寿命可达100万次以上，但作者的设计采用光电开光做为信号检测元件，不受外部电磁场干扰，也不存在永磁体的消磁现象，理论上抗干扰性更好，寿命更长。其他不同之处在于作者设计的这种挡位操纵机构采用了圆周式的定位换挡方式，使得可实现的挡位数量增加，若相邻圆周挡位定位孔之间夹角设为20°，则可最多产生18个挡位孔(见图6)，不同挡位卡在不同的挡位孔中即可。现有工程机械上使用的挡位操纵机构最多的挡位为前6后3型，再加上P挡和N挡也只需要11个挡位，此设计可远远满足其要求，也因此设计一个产品可满足不同的挡位需要，前2后1、前3后2、前3后3、前4后4、前6后2、前6后3均可使用同一个产品实现，只要标明相应挡位即可。此外由于圆周式的定位换挡方式未对圆周直径有特定要求，可根据实际情况减小径向尺寸，使得设计的这种挡位操纵机构整体的外形尺寸可以减小，安装方便，操作轻便灵活。

图6 定位连接套筒

4 总结

设计一种挡位操纵机构，提出了一种新的挡位操纵机构的结构模式，采用新的圆周式换挡定位和非接触式电信号触发的方式，不仅减小了挡位操纵机构的体积，提高了其操作性能，

还提高了其使用寿命和可靠性，拓广了其使用范围，为此领域的研究提供了一个新的思路。

【1】关景泰.动力换档变速箱的电操纵组合开关：CN2377666[P].2000-05-10.

【2】杨俊岭.PY-180平地机档位选择器故障排除[J].工程机械,1999(2):41.

【3】刘钊,雷星宇,关景泰.变速箱半自动换档电子控制系统开发[J].筑路机械与施工机械化,2003(1):23-24.

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

【5】汪东坪,李舜酩,魏民祥,等.混合动力汽车电子换挡手柄控制信号可靠性设计[J].农业机械学报,2012(6):25-29.

【6】韩嘉骅,史文欣,韩富.一种挡位操纵机构.CN104696499A[P].2015-06-10.

【7】黄蒙,吴光强.自动变速器换挡杆电子控制器设计研究[J].测控技术,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，硕士研究生，研究方向为机械结构创新设计。E-mail：294535685@qq.com。

U463.22+1.4

A

1674-1986(2016)02-029-04