線控換檔開關中的凸輪機構研究

張志強，陳辛波，岳 彪

（同濟大學 汽車學院，上海 200237）

0 引言

汽車線控技術就是將駕駛員的操縱動作經過傳感器變成電信號，通過電纜直接傳輸到執行機構的一種系統［1］。目前的線控技術包括線控換檔系統（Shift－By－Wire）和線控制動系統（Brake－By－Wire）、線控轉向系統（Steering－By－Wire）等等［2］。

本文研究的是線控換檔開關，凸輪機構是其核心組成部分，對開關功能設計的實現起著關鍵性作用。

1 線控換檔開關凸輪機構設計與分析

1.1 線控換檔開關凸輪機構選型

研究換檔開關內部的凸輪機構，重點是要研究在操作開關過程中，凸輪機構對開關使用者力和行程的反饋［3－4］。圖1為開關內部凸輪機構示意圖。

圖1 線控換檔開關內部的凸輪機構

1.2 旋轉角度與旋轉力矩的數學模型

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

彈力FF與位移x的關系為：

其中：c為彈簧的彈性系數；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角度的關系，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方向的分力產生恢復力矩Mφ（φ），曲面與彈簧頂銷的接觸點到轉軸中心的距離r（φ）為恢復力臂［5］，因此有：

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

對無窮小的區域求導，則有：

可以得出輪廓方程與切向力Fφ的關系式為：

聯立式（5）與式（6），則有：

設想當彈簧力不受彈簧壓縮變形量x和旋轉角度φ的影響，FF為定值FF0，則可以得出理想化的恢復力矩Mφ與凸輪曲線方程x（φ）之間的關系式［7］：

由于l為弧長，r為半徑，則有l＝rφ，則：

聯立方程（7）與方程（9）可以得出半徑r與恢復力矩Mφ的關系式為：

最終得到曲線方程與回復力矩的關系式為：

圖3 彈簧力FF和切向力Fφ的關系

2 CATIA三維建模和SimDesiger仿真計算研究［8］

2.1 凸輪曲面的三維建模

在線控開關中，凸輪曲面結構集成在開關殼體結構中固定不動，當旋鈕轉動時，旋鈕上的轉軸帶動彈簧頂銷轉動，轉軸的中心也是凸輪基圓的圓心，呂輪機構如圖4所示。

圖4 換檔開關內部的凸輪機構圖

2.2 凸輪機構運動仿真

在CAITIA中選擇SD Motion Workbench模塊，可以直接進入SimDesiger環境，對當前的CATIA數據進行力學及運動仿真［9］。凸輪機構仿真工作流程如圖5所示。

圖5 運動仿真工作流程圖

當測量結果與計算結果不符時，需要對各參數的設置重新進行復核，找到造成差異的根本原因，重新進行計算。

3 開關操作手感測試

經過三個月的模具加工制造和樣品試裝之后，我們拿到了線控換檔開關的樣機。理想狀態下，旋轉類開關的力行程曲線如圖6所示。圖6中，φ2為旋轉檔位旋轉扭矩最大值對應的旋轉角度值；φ1＝φ2－7.5°；φ3＝φ2＋7.5°。

圖6 旋轉類開關力行程理想曲線

在工程應用中，常用參數SR1及SR2來評判旋轉類開關的操作手感。SR1、SR2定義如下：

其中：M2為旋轉檔位旋轉扭矩最大值；M1為旋轉角度為φ1時對應的旋轉扭矩值；M3為旋轉角度為φ3時對應的旋轉扭矩值。

在實際生產應用中，通常SR1及SR2在20%～40%范圍內，表明開關操作手感良好。經高溫處理后，開關測試及計算結果如表1所示。

表1 線控換檔開關高溫處理后參數統計表

采用相同方法，依次計算高低溫后、耐久后、振動后的SR1和SR2值。經計算，得到的結果均在20%～40%范圍內。表明線控換檔開關在高溫后、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

本論文主要研究空間凸輪機構在汽車線控換檔開關中的開發及應用，主要研究成果如下：

（1）對凸輪機構的組成、應用、運動規律、凸輪機構的選型及凸輪機構的力行程曲線理論進行了闡述。

（2）應用CATIA三維建模軟件對線控換檔開關中的核心機械機構——凸輪曲面機構塊進行了三維軟件模擬，并應用SimDesige仿真計算軟件進行了仿真計算驗證。

（3）對實物樣件展開實驗分析。定義了旋轉類開關手感評判參數SR1及SR2，并對其在高溫后、低溫后、耐久后、振動后進行了測試，繪制了力行程測量曲線。測量結果表明線控換檔開關手感良好，滿足操作手感要求，技術指標滿足客戶要求。

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