線控?fù)Q檔開關(guān)中的凸輪機(jī)構(gòu)研究

張志強(qiáng)，陳辛波，岳 彪

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 200237）

0 引言

汽車線控技術(shù)就是將駕駛員的操縱動作經(jīng)過傳感器變成電信號，通過電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的一種系統(tǒng)［1］。目前的線控技術(shù)包括線控?fù)Q檔系統(tǒng)（Shift－By－Wire）和線控制動系統(tǒng)（Brake－By－Wire）、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering－By－Wire）等等［2］。

本文研究的是線控?fù)Q檔開關(guān)，凸輪機(jī)構(gòu)是其核心組成部分，對開關(guān)功能設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)起著關(guān)鍵性作用。

1 線控?fù)Q檔開關(guān)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 線控?fù)Q檔開關(guān)凸輪機(jī)構(gòu)選型

研究換檔開關(guān)內(nèi)部的凸輪機(jī)構(gòu)，重點(diǎn)是要研究在操作開關(guān)過程中，凸輪機(jī)構(gòu)對開關(guān)使用者力和行程的反饋［3－4］。圖1為開關(guān)內(nèi)部凸輪機(jī)構(gòu)示意圖。

圖1 線控?fù)Q檔開關(guān)內(nèi)部的凸輪機(jī)構(gòu)

1.2 旋轉(zhuǎn)角度與旋轉(zhuǎn)力矩的數(shù)學(xué)模型

凸輪曲面對彈簧頂銷的作用力FN可分解為壓縮彈簧產(chǎn)生的彈簧力FF和旋轉(zhuǎn)方向的切向力Fφ，如圖2所示。圖2中，α為力分解角度。

彈力FF與位移x的關(guān)系為：

其中：c為彈簧的彈性系數(shù)；x為彈簧的壓縮變形量。x又代表了凸輪曲面的輪廓與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，于是有FF（φ）＝cx（φ）。

圖2 力分解示意圖

凸輪曲面對彈簧頂銷在旋轉(zhuǎn)方向的分力產(chǎn)生恢復(fù)力矩Mφ（φ），曲面與彈簧頂銷的接觸點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸中心的距離r（φ）為恢復(fù)力臂［5］，因此有：

在凸輪曲面任意點(diǎn)的彈簧力FF和旋轉(zhuǎn)方向切向力Fφ之間的關(guān)系如圖3所示，此點(diǎn)的斜率為Δx/Δφ［6］，有：

對無窮小的區(qū)域求導(dǎo)，則有：

可以得出輪廓方程與切向力Fφ的關(guān)系式為：

聯(lián)立式（5）與式（6），則有：

設(shè)想當(dāng)彈簧力不受彈簧壓縮變形量x和旋轉(zhuǎn)角度φ的影響，F(xiàn)F為定值FF0，則可以得出理想化的恢復(fù)力矩Mφ與凸輪曲線方程x（φ）之間的關(guān)系式［7］：

由于l為弧長，r為半徑，則有l(wèi)＝rφ，則：

聯(lián)立方程（7）與方程（9）可以得出半徑r與恢復(fù)力矩Mφ的關(guān)系式為：

最終得到曲線方程與回復(fù)力矩的關(guān)系式為：

圖3 彈簧力FF和切向力Fφ的關(guān)系

2 CATIA三維建模和SimDesiger仿真計(jì)算研究［8］

2.1 凸輪曲面的三維建模

在線控開關(guān)中，凸輪曲面結(jié)構(gòu)集成在開關(guān)殼體結(jié)構(gòu)中固定不動，當(dāng)旋鈕轉(zhuǎn)動時，旋鈕上的轉(zhuǎn)軸帶動彈簧頂銷轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸的中心也是凸輪基圓的圓心，呂輪機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 換檔開關(guān)內(nèi)部的凸輪機(jī)構(gòu)圖

2.2 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

在CAITIA中選擇SD Motion Workbench模塊，可以直接進(jìn)入SimDesiger環(huán)境，對當(dāng)前的CATIA數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)及運(yùn)動仿真［9］。凸輪機(jī)構(gòu)仿真工作流程如圖5所示。

圖5 運(yùn)動仿真工作流程圖

當(dāng)測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果不符時，需要對各參數(shù)的設(shè)置重新進(jìn)行復(fù)核，找到造成差異的根本原因，重新進(jìn)行計(jì)算。

3 開關(guān)操作手感測試

經(jīng)過三個月的模具加工制造和樣品試裝之后，我們拿到了線控?fù)Q檔開關(guān)的樣機(jī)。理想狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)類開關(guān)的力行程曲線如圖6所示。圖6中，φ2為旋轉(zhuǎn)檔位旋轉(zhuǎn)扭矩最大值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度值；φ1＝φ2－7.5°；φ3＝φ2＋7.5°。

圖6 旋轉(zhuǎn)類開關(guān)力行程理想曲線

在工程應(yīng)用中，常用參數(shù)SR1及SR2來評判旋轉(zhuǎn)類開關(guān)的操作手感。SR1、SR2定義如下：

其中：M2為旋轉(zhuǎn)檔位旋轉(zhuǎn)扭矩最大值；M1為旋轉(zhuǎn)角度為φ1時對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)扭矩值；M3為旋轉(zhuǎn)角度為φ3時對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)扭矩值。

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，通常SR1及SR2在20%～40%范圍內(nèi)，表明開關(guān)操作手感良好。經(jīng)高溫處理后，開關(guān)測試及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 線控?fù)Q檔開關(guān)高溫處理后參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

采用相同方法，依次計(jì)算高低溫后、耐久后、振動后的SR1和SR2值。經(jīng)計(jì)算，得到的結(jié)果均在20%～40%范圍內(nèi)。表明線控?fù)Q檔開關(guān)在高溫后、低溫后、耐久后、振動后，操作手感良好，符合操作手感要求。

4 總結(jié)

本論文主要研究空間凸輪機(jī)構(gòu)在汽車線控?fù)Q檔開關(guān)中的開發(fā)及應(yīng)用，主要研究成果如下：

（1）對凸輪機(jī)構(gòu)的組成、應(yīng)用、運(yùn)動規(guī)律、凸輪機(jī)構(gòu)的選型及凸輪機(jī)構(gòu)的力行程曲線理論進(jìn)行了闡述。

（2）應(yīng)用CATIA三維建模軟件對線控?fù)Q檔開關(guān)中的核心機(jī)械機(jī)構(gòu)——凸輪曲面機(jī)構(gòu)塊進(jìn)行了三維軟件模擬，并應(yīng)用SimDesige仿真計(jì)算軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算驗(yàn)證。

（3）對實(shí)物樣件展開實(shí)驗(yàn)分析。定義了旋轉(zhuǎn)類開關(guān)手感評判參數(shù)SR1及SR2，并對其在高溫后、低溫后、耐久后、振動后進(jìn)行了測試，繪制了力行程測量曲線。測量結(jié)果表明線控?fù)Q檔開關(guān)手感良好，滿足操作手感要求，技術(shù)指標(biāo)滿足客戶要求。

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