胡延麗　鄭楠　李慧　祁靜　郭志勇

關(guān)鍵詞：機(jī)械控制機(jī)構(gòu)；極限行程；觸點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展和人們對(duì)汽車越來(lái)越高的要求，自動(dòng)變速器在國(guó)產(chǎn)汽車上得到越來(lái)越多的應(yīng)用，而變矩器是自動(dòng)變速器的重要組成部分，變矩器在汽車上具有傳遞轉(zhuǎn)矩、變矩、變速和離合的作用。自動(dòng)變速器的傳動(dòng)效率主要取決于變矩器的結(jié)構(gòu)和性能，雖然變矩器性能優(yōu)越，但缺陷是油耗大、效率低，為了降低裝有變矩器的汽車的油耗，可采用帶有機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的變矩器。機(jī)械控制機(jī)構(gòu)是一種利用外力作用實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)闹苿?dòng)控制機(jī)構(gòu)，主要應(yīng)用在車輛油門踏板下方的機(jī)械控制機(jī)構(gòu)，其功能是為變矩器的電控單元提供油門極限位置信號(hào)，從而調(diào)整變矩器的解閉鎖狀態(tài)；為變矩器提供一個(gè)變距保護(hù)的信號(hào)，進(jìn)而平衡車輛動(dòng)力輸出和油耗。

機(jī)械控制機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)位置的限定，是變矩器上一個(gè)不可或缺的部件，給變矩器提供信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行控制。機(jī)械控制機(jī)構(gòu)是根據(jù)踩踏油門的力量，為變矩器提供觸點(diǎn)及極限位置信號(hào)，控制、保護(hù)變矩器。如果沒(méi)有機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的保護(hù)，變矩器將進(jìn)行無(wú)限制的加速加矩從而導(dǎo)致車輛故障，因此機(jī)械控制機(jī)構(gòu)對(duì)汽車變矩器具有重要作用，每臺(tái)變矩器都必須配備機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。

機(jī)械控制機(jī)構(gòu)可在無(wú)電源的情況下實(shí)現(xiàn)其功能。市場(chǎng)上大部分壓力控制機(jī)構(gòu)需要有外接電源以驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)來(lái)傳輸開(kāi)閉鎖信號(hào)，此控制機(jī)構(gòu)安裝在車輛腳踏板下方，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)空間狹小且無(wú)電源驅(qū)動(dòng)的情況下，利用純機(jī)械的功能結(jié)構(gòu)，通過(guò)外界力（腳踏力）的作用，驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)控制機(jī)構(gòu)的解閉鎖功能，并為相關(guān)動(dòng)力裝置提供行程和極限位置信號(hào)。因此在特定的無(wú)電源并且有機(jī)械力的作用情況下，可采用機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。

1機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的工作原理

機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)由觸點(diǎn)組件、殼體、螺母、壓力組件和壓帽組成。其原理主要是在一定的機(jī)械力作用下，觸點(diǎn)組件開(kāi)始啟動(dòng)，到達(dá)觸點(diǎn)位置時(shí)，機(jī)械控制機(jī)構(gòu)導(dǎo)通，繼續(xù)增加作用力，壓力組件開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定的極限位置，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)卡住，停止運(yùn)動(dòng)。其實(shí)質(zhì)是利用多種剛度彈簧的聯(lián)合作用，使機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的觸點(diǎn)組件連接和斷開(kāi)，輸出機(jī)械控制機(jī)構(gòu)信號(hào)，并提供行程和極限位置的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的解閉鎖功能，從而調(diào)整車輛上變矩器的解閉鎖狀態(tài)。機(jī)械控制結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能參數(shù)

機(jī)械控制機(jī)構(gòu)在離合器下進(jìn)行應(yīng)用，需要反復(fù)操作，在使用過(guò)程中也是易損件，因此在設(shè)計(jì)中需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工藝以提高其壽命至萬(wàn)次以上。目前本研究的機(jī)械控制機(jī)構(gòu)壽命設(shè)計(jì)為1萬(wàn)次，機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的極限行程可根據(jù)變矩器的高度進(jìn)行設(shè)定，不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)應(yīng)的行程不同，一般不大于20 mm；機(jī)械控制機(jī)構(gòu)在整個(gè)行程過(guò)程中的某一點(diǎn)處導(dǎo)通，為保證機(jī)械控制機(jī)構(gòu)信號(hào)輸出的可靠性，需要較大的操控力，因此在實(shí)際工況下，機(jī)械控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高，可按照最大的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再逐步優(yōu)化。由于機(jī)械控制機(jī)構(gòu)在位置信號(hào)傳遞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，因此在設(shè)計(jì)中還需滿足絕緣要求。

3機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的工作原理對(duì)機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)性能要求、產(chǎn)品的力與位移關(guān)系來(lái)確定彈簧的組合形式，其功能設(shè)計(jì)采用雙彈簧并聯(lián)+單彈簧串聯(lián)的形式。本設(shè)計(jì)運(yùn)用兩個(gè)完全相同的較大剛度的小彈簧并聯(lián)后，再與一個(gè)剛度較小的大彈簧進(jìn)行串聯(lián)使用，并聯(lián)小彈簧實(shí)現(xiàn)較大觸點(diǎn)力、較小位移的觸點(diǎn)導(dǎo)通，串聯(lián)大彈簧實(shí)現(xiàn)行程和極限位置的輸出，如圖2所示。

3.2機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理

為了在整機(jī)受力后能夠按照技術(shù)性能要求的位移和力值進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)要首先考慮各個(gè)彈簧的運(yùn)動(dòng)情況，再進(jìn)行彈簧剛度分配和彈簧剛度的設(shè)計(jì)。如果彈簧整體同時(shí)運(yùn)動(dòng)，由于串并聯(lián)彈簧的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及彈簧制造工藝，整體剛度理論值與實(shí)際值有偏差，因此本功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取小彈簧先運(yùn)動(dòng)、大彈簧后運(yùn)動(dòng)的模式。小彈簧先運(yùn)動(dòng)以滿足整機(jī)的觸點(diǎn)和位移要求，小彈簧觸點(diǎn)啟動(dòng)后，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)限制其運(yùn)動(dòng)，之后隨著力值逐漸增大，大彈簧進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的整體行程位移和極限位置的要求。

4機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì)

機(jī)械控制機(jī)構(gòu)是通過(guò)兩種彈簧相互作用實(shí)現(xiàn)其功能的，串聯(lián)大彈簧是根據(jù)機(jī)械控制機(jī)構(gòu)整機(jī)極限位置的總行程要求而確定的，為保證機(jī)械控制機(jī)構(gòu)信號(hào)輸出的可靠性，大彈簧需要有較大的行程操控力，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定操縱起始力、最大工作載荷、工作行程以及最大行程。并聯(lián)小彈簧是用來(lái)實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)的開(kāi)啟和斷開(kāi)，小彈簧的行程較小，觸點(diǎn)力較大，需要確定其觸點(diǎn)載荷。

對(duì)整機(jī)彈簧剛度進(jìn)行合理分配，確定彈簧剛度。彈簧參數(shù)的選取及彈簧剛度計(jì)算公式如下：

根據(jù)式（1），分別確定串并聯(lián)彈簧的剛度，通過(guò)機(jī)械控制機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)中的觸點(diǎn)行程和最大行程要求，進(jìn)而確定觸點(diǎn)載荷和最大載荷、大彈簧初始載荷，通過(guò)計(jì)算，確定串并聯(lián)彈簧的剛度。

根據(jù)機(jī)械控制機(jī)構(gòu)整機(jī)性能要求及彈簧剛度，按照彈簧材料的要求和屬性，再根據(jù)材料性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選取材料為碳素彈簧鋼絲65Mn，其強(qiáng)度高、性能好，適用于機(jī)械彈簧。

彈簧旋繞比一般初定為5～8，其計(jì)算公式如下：

C=D/d。 （2）

其中，C為旋繞比，D為彈簧外徑，d為彈簧線徑。

根據(jù)旋繞比，初選彈簧線徑、彈簧外徑，并根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，確定自由長(zhǎng)度，彈簧的端部結(jié)構(gòu)形式均為兩端并緊并磨平1圈。

彈簧的有效圈數(shù)計(jì)算公式如下：

彈簧材料為碳素彈簧鋼絲，經(jīng)淬火等多重工藝處理，提高材料的許用應(yīng)力，并不斷改變彈簧的基本參數(shù)，最終滿足復(fù)合彈簧的剛性、穩(wěn)定性和疲勞要求。

5驗(yàn)證

經(jīng)加工裝配后形成整機(jī)設(shè)備，用專用設(shè)備對(duì)整機(jī)性能進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)觸點(diǎn)導(dǎo)通和行程進(jìn)行整機(jī)的測(cè)試，精確地測(cè)量導(dǎo)通位置位移和力的關(guān)系。如圖3所示，經(jīng)測(cè)試后機(jī)械控制機(jī)構(gòu)位移與力的關(guān)系滿足了機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的性能要求。

6結(jié)論

機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)基于產(chǎn)品的性能要求，充分考慮了機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的使用功能、絕緣性能、設(shè)備穩(wěn)定性和疲勞壽命。結(jié)合彈簧的理論計(jì)算來(lái)合理設(shè)計(jì)機(jī)械控制機(jī)構(gòu)，使其在較小的空間設(shè)計(jì)范圍內(nèi)達(dá)到性能指標(biāo)。本文為未來(lái)機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以期推動(dòng)機(jī)械控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展。