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1、附錄 A 氣動(dòng)， PLC 控制，汽車齒輪換擋機(jī)構(gòu) 摘要： 在本研究中，由于該換擋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和使用，使駕駛員更快的并減小損毀的換擋。新設(shè)備必須是可靠的，有體積小、結(jié)構(gòu)簡單和低成本的優(yōu)點(diǎn)。本文的目的在于用以下零部件改善換擋：一個(gè)手動(dòng)四速齒輪箱，四個(gè)氣壓雙作用氣缸，四個(gè)氣動(dòng)二位五通方向控制閥，可編程邏輯控制器（ PLC），一臺(tái)電機(jī)，一個(gè)電離合器，皮帶，兩個(gè)滑輪，限位開關(guān)，按鈕， 指示燈 ，支承架和電力供應(yīng)。根據(jù)齒輪換擋法的建議，駕駛員可以不從方向盤上移動(dòng)其手來換擋，而直接按住換擋按鈕來選擇傳動(dòng)比，以改變速度。運(yùn)用這種方法留給 駕駛員充裕的時(shí)間來選擇換擋時(shí)刻。 關(guān)鍵詞 :方向控制閥，變速箱，齒輪換擋機(jī)
2、構(gòu)，氣缸，可編程邏輯控制器（ PLC），電磁閥 引言 本文用通俗易懂的語言詳細(xì)的介紹了如何將傳統(tǒng)的手動(dòng)變速結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成通過可編程邏輯控制器的半自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)。 如今汽車工業(yè)主要的挑戰(zhàn)在于提高性能、質(zhì)量、成本方面的要求，在任何情況下，各組件及配件的運(yùn)動(dòng)都必須立即自動(dòng)記錄、檢查以達(dá)到最大效率。 汽車技術(shù)在很多地方都已經(jīng)升級(jí)，比如 ABS系統(tǒng)，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和其它安全保護(hù)系統(tǒng)，它們分別提升了乘客的安全性和舒適性。該技術(shù)的提升也包 括使變速箱柔和的換擋、產(chǎn)生的噪音低。換擋機(jī)構(gòu)必須易于使用且工作可靠。這些要求是非常重要的，特別是那些有特殊需要的人駕駛的小型汽車。 材料與方案 步驟，元件及分析： 這項(xiàng)工作是阿
3、-拜勒加大學(xué)應(yīng)用工程技術(shù)學(xué)院工程力學(xué)系在 2009 年取得的。 對(duì)于一些駕駛員，在特別的關(guān)鍵境況下齒輪換擋可能會(huì)導(dǎo)致駕駛員作出混亂的動(dòng)作。在擁擠的山坡道路上或者突然繞道行駛駕駛員會(huì)產(chǎn)生緊張的情緒。這樣的情況下在合適的時(shí)間選擇合理的壓縮比和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力是一個(gè)困難。（布奈哈等，1993；岡田等， 2002；田口等， 2003，易， 1998）。 這種 設(shè)計(jì)有助于提高駕駛員在行駛路上的注意力。同時(shí)減少發(fā)動(dòng)機(jī)按需要減小功率的時(shí)間，提高了車輛的反應(yīng)速度。 該設(shè)計(jì)可以作為齒輪換擋的一種教學(xué)模式。因此，我們提出以下觀點(diǎn)內(nèi)容： 主要部件的支承要有適宜的尺寸。將其它部分零件的強(qiáng)化和提升空間考慮在里面。 用于梅賽德
4、斯 -奔馳汽車四輪驅(qū)動(dòng)，手動(dòng)、四個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒擋的齒輪箱對(duì)于該設(shè)計(jì)是一個(gè)極佳的選擇，因?yàn)樗苋菀妆桓难b。 電機(jī)用來代替內(nèi)燃機(jī)提供機(jī)械的動(dòng)力，因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)布置在這里比較困難。它的使用可以使這些結(jié)合過程更容易。 一個(gè)電離合器將取代手動(dòng)離合器。這里使用的電力來 自汽車蓄電池。如圖1所示。 圖 1 電離合器 圖 2 變速箱轉(zhuǎn)向臂 一對(duì)滑輪和一傳輸皮帶用于將動(dòng)力從電機(jī)傳遞到齒輪箱。兩個(gè)滑輪的直徑相同，傳輸皮帶是 V型的（其型號(hào)為 17600）。 為避免輸入軸的連接產(chǎn)生徑向力，使用一個(gè)軸承將其固定在支承架上。 使用四個(gè)不同直徑的雙作用氣缸，其中兩個(gè)用于前面的縱向移動(dòng)，另外兩個(gè)氣缸用于后面的橫向移動(dòng)。 四個(gè)
5、（二位五通）方向控制閥用來改變壓縮空氣的方向。每一個(gè)方向控制閥有一個(gè) 12V的電磁換向閥，用于將電 能轉(zhuǎn)換成磁能，以吸引閥中的閥芯；通過這一動(dòng)作改變壓縮空氣的方向。 模型組件： 手動(dòng) 4-速變速箱 雙作用氣缸 PLC單元 四個(gè)二位五通氣壓方向控制閥 一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)（以模擬內(nèi)燃機(jī)旋轉(zhuǎn)輸出動(dòng)力） 一個(gè)電離合器（圖 1所示） 二個(gè)滑輪 一條 V型皮帶 線管 電線 五個(gè)限位開關(guān) 六個(gè)按鈕 五個(gè)指示燈 一個(gè)支承架 一 12V直流電源 組件描述 支承架： 支承架是用鐵做的。由兩組組成，一組是固定的另一組是可移動(dòng)的。固定組比較矮。它用來布置電池（電源）、齒輪箱、限位開關(guān)、滑動(dòng)氣缸和電力馬達(dá)?？梢苿?dòng)的那 組在上
6、面較高，它用于布置 PLC控制單元、按鈕和指示燈板、方向控制閥和前后移動(dòng)氣缸。 支承架尺寸： 長 0.9米 ， 寬 0.5米 ， 高 0.9米 齒輪箱： 手動(dòng)變速箱是一個(gè)同步器換擋、斜齒輪變速器。它有一個(gè)輸入軸和一個(gè)輸出軸。它有三個(gè)轉(zhuǎn)向臂，其中第一個(gè)臂提供一擋、二擋的換擋，第二個(gè)臂提供三擋、四擋的換擋，最后一個(gè)轉(zhuǎn)向臂提供倒擋換擋，如圖 2所示。 每個(gè)轉(zhuǎn)向臂對(duì)應(yīng)連接一個(gè)連桿。每個(gè)連桿連接著一個(gè)共同的轉(zhuǎn)向臂杠桿。圖3表示了上述的上盤和下盤。 轉(zhuǎn)向杠桿長 80mm，可作滑動(dòng)和軸向移動(dòng)。其軸向運(yùn)動(dòng)可向前 35mm、向后35mm（ 35mm 35mm）?；瑒?dòng)運(yùn)動(dòng)可向左 15mm、向右 15mm（ 15m
7、m 15mm）。該臂的頂部連接著前面和后面的活塞軸。 在變速箱輸入軸的端部有軸承連接。輸出軸的外端部由軸承連接固定，而內(nèi)側(cè)端部與變速箱輸入軸連接。如圖 4所示。 圖 3 變速箱轉(zhuǎn)向杠桿 圖 4 軸承 氣缸： 這里我們所面臨的一個(gè)問題是如何將換擋杠桿停止在中點(diǎn)處?？諝鈮嚎s的能力很難使活塞停止某一確定的點(diǎn)上。為解決這個(gè)問題，我們使用兩個(gè)氣缸使中點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)向前和向后運(yùn)動(dòng)，氣缸選擇行程長度為 35mm、缸徑選為 32mm。 氣缸如 圖 5所示，端部與端部相連接（田口等， 2003；布奈哈， 1993；基尼勒莫等， 2006）。 圖 5 換擋氣缸 通過這一布置，得到換擋杠桿的三個(gè)位置點(diǎn)。第一個(gè)位
8、置點(diǎn)產(chǎn)生于兩個(gè)氣缸同時(shí)向外伸出時(shí)。第二個(gè)位置點(diǎn)產(chǎn)生于其中一個(gè)氣缸向內(nèi)壓縮而另一個(gè)氣缸向外伸出時(shí)；最后的位置點(diǎn)產(chǎn)生于當(dāng)兩個(gè)氣缸都?jí)嚎s時(shí)。氣缸中某一端部通過軸結(jié)點(diǎn)連接在變速箱殼體上，如圖 6 所示。 圖 6 連結(jié)點(diǎn) 這個(gè)結(jié)點(diǎn)使氣缸組隨著轉(zhuǎn)向杠桿作橫向滑動(dòng)而移動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)（例如：從二擋到三擋的換擋）。另一端通過球結(jié)點(diǎn)連接著換擋杠桿，如圖 7 所示。該結(jié)點(diǎn)只用于保留 切向力，并抵消活塞桿上的力。 對(duì)于滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，同樣適用兩個(gè)氣缸端部與端部相連來獲得中間點(diǎn)。這里活塞的缸徑并不重要，因?yàn)檫@里產(chǎn)生的力比較微小。如前所述，其中一個(gè)氣缸的行程為 15mm，氣缸的一段與支承架相連，另一端連接著換擋杠桿。 圖 7 球結(jié)
9、點(diǎn) 方向控制閥： 為控制通向氣缸壓縮空氣的流動(dòng)方向，使用了四個(gè)方向控制閥。它們是結(jié)合在一起的，用同一個(gè)輸入軸連著壓縮空氣源，兩個(gè)常見的排氣孔與外界接通。圖 8 說明了方向控制閥的工作原理。它有一個(gè)電磁執(zhí)行元件和彈簧，圖 9顯示了方向控制閥的硬件。 圖 8 方向控制閥 圖 9 控制閥硬件 控制單元： 這里使用的控制單元是 PLC LOGO，它有 8 個(gè)輸入引腳、 4 個(gè)輸出引腳 克萊門茨 杰夫科特，（ 1996年 ）。輸入引腳與 PB連接，輸出引腳與直流電壓螺線管連接。圖 10 表示了控制部分的硬件。 LOGO是 PLC控制單元設(shè)備中最簡單的一款產(chǎn)品。它被稱為可編程中繼器。 LOGO PLC 有
10、中繼器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。有一些產(chǎn)品還有實(shí)時(shí)操作。它可用于簡單的運(yùn)算；它是一個(gè)可靠的、壽命比較長的設(shè)備。 圖 10 PLC控制元件 PB被安裝在一個(gè)控制板上面，每個(gè) PB 下面有一個(gè)指示燈 顯示在工作中的齒輪?？論跷恢命c(diǎn) 有一個(gè)單獨(dú)的指示 指示燈 。 倒擋齒輪除了指示燈 外還額外有一個(gè)蜂鳴器，如圖 11 所示。綠色的指示燈點(diǎn)亮表示接通電源。其它的指示燈連接著限位開關(guān)。最后使用了 5個(gè)限位開關(guān)，如圖 12和圖 13所示，每個(gè)齒輪都有一個(gè)限位開關(guān)。 圖 11 工作指示板 圖 12 一擋限位開關(guān)指示燈 圖 13 倒擋限位開關(guān)指示燈 計(jì)算 首先，需要同步進(jìn)行力測量實(shí)驗(yàn)，這個(gè)測得約為 150N。壓縮空氣壓
11、力約為4bar?；钊讖綖?32mm。 對(duì)于參與運(yùn)動(dòng)的氣缸： 活塞截面積 A： 24232 1004.84 )1032(4 mDA 活塞連桿截面積 a： 25232 1085.74 )1010(4 mda 凈截面積 A : A =A-a= 241025.7 m 向外拉伸的力 EXF : NApF EX 6.3211004.8104 45 向內(nèi)壓縮的力 REF : NApF RE 2 9 01025.7104 45 這里 p為壓縮空氣壓力， p=4bar?；瑒?dòng)所需的力為 70N。 對(duì)于滑動(dòng)氣缸： 活塞截面積 A： 24212 1014.34 )1020(4 mDA 活塞連桿截面積 a: 2521
12、2 1002.54 )108(4 mda 凈截面積 A： A =A-a= 241063.2 m 向外拉伸的力 EXF : NApF EX 2.1051063.2104 45 向內(nèi)壓縮的力 REF : NApF RE 2.1051063.2104 45 正如計(jì)算出來的結(jié)果，氣缸所施加的力足夠移動(dòng)換擋杠桿。 圖表 氣壓圖： 如圖 14 所示，當(dāng)有信號(hào)給了閥門 B，氣缸會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)，氣缸向外伸出。與閥門 C相連接的氣缸會(huì)產(chǎn)生相同的運(yùn)動(dòng) 。氣缸，連接著閥門 A，氣缸連接著閥門 D，當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)氣缸及氣缸會(huì)向內(nèi)收縮，氣缸會(huì)向外伸出。 圖 14 氣壓換擋原理示意圖 圖 15 換擋邏輯圖 邏輯換擋圖： 圖 1
13、5所示換擋過程的順序步驟。例如，如果現(xiàn)在使用第一個(gè)齒輪在駕駛，不能在不使用第二個(gè)齒輪的情況下，使用第三個(gè)齒輪。倒擋齒輪只能從空擋位置點(diǎn)處工作，最后總是返回到空擋位置點(diǎn)。如圖 15 所示，可編程LOGO PLC單元實(shí)現(xiàn)了這一規(guī)則系統(tǒng)。 圖 16 PLC控制元件電路圖 電氣圖： 控制單元的輸出信號(hào)激發(fā)中繼器，需要操作方向控制閥的螺旋線管。圖 16所 示的是電路連接圖。（ 克萊門茨和杰夫科特， 1996年 ）。 結(jié)果和討論 操作順序： 空擋位置點(diǎn)： 在這個(gè)點(diǎn)上，所有控制器的輸出信號(hào)都為 0。氣缸和氣缸向外拉伸，而氣缸和氣缸均向內(nèi)收縮。 摁住中間的按鈕，任何工作中的齒輪控制器的輸出信號(hào)都會(huì)變成 0。另
14、外，在任何換擋過程中，控制器首先將齒輪置于空擋位置點(diǎn)，然后再移動(dòng)參與工作的齒輪，如表 1、表 2所示。表 1表述的是空擋位置點(diǎn)的輸入信號(hào)；表 2表述的是空擋位置點(diǎn)的輸出信號(hào)。方向控制閥的相關(guān)情況如表 3所示。 一擋：在這里，氣缸將向外拉伸而同時(shí)其它的氣缸將會(huì)保持在最初的位 置。這一動(dòng)作將推動(dòng)齒輪軸向前移動(dòng)，一擋齒輪結(jié)合開始工作。表 4表示了當(dāng)處于一擋時(shí)方向控制閥的相關(guān)情況。 二擋：在控制器到達(dá)空擋位置點(diǎn)后，氣缸將會(huì)向內(nèi)收縮。這一動(dòng)作將把齒輪軸拉回來，二擋齒輪結(jié)合開始工作。表 5 表述了當(dāng)處于二擋時(shí)方向控制閥的相關(guān)情況。 三擋：在控制器到達(dá)空擋位置點(diǎn)后，氣缸將會(huì)向內(nèi)收縮，以便使得齒輪軸在三擋位置
15、點(diǎn)工作。然后，氣缸向外伸出，推著齒輪軸與三擋齒輪結(jié)合。表 6表述了當(dāng)處于三擋時(shí)方向控制閥的相關(guān)情況。 四擋：和三擋的工作情況相似，氣缸向內(nèi)收縮了。然后，氣缸也將向內(nèi)收縮，四擋齒輪結(jié)合并 工作。表 7表述了當(dāng)處于四擋時(shí)，方向控制閥的相關(guān)情況。 倒擋：氣缸從空擋位置點(diǎn)開始向外伸出，然后氣缸也向外伸出。在這個(gè)位置點(diǎn)，所有的氣缸都向外伸出。表 8表述了當(dāng)處于倒擋時(shí)方向控制閥的相關(guān)情況。 表 1 空擋位置點(diǎn)的輸入信號(hào) 輸入信號(hào) Description 11 PB(一擋換擋 ) 12 PB(二擋換擋 ) 13 PB(三擋換擋 ) 14 PB(四擋換擋 ) 15 PB(倒擋換擋 ) 16 PB(空擋位置 )
16、 表 2 空擋位置的輸出信號(hào) 輸出信號(hào) Description Q1 SV(A) Q2 SV(B) Q3 SV(C) Q4 SV(D) 表 3 空擋位置時(shí)閥門的狀態(tài) 直流電壓 PORT2 PORT4 Solenoid A Pressure Exhaust 0 B Pressure Exhaust 0 C Pressure Exhaust 0 D Pressure Exhaust 0 表 4 一擋時(shí)閥門的狀態(tài) 直流電壓 PORT2 PORT4 Solenoid A Exhaust Pressure 1 B Pressure Exhaust 0 C Pressure Exhaust 0 D Pre
17、ssure Exhaust 0 表 5 在二擋時(shí)閥門的狀態(tài) 直流電壓 PORT2 PORT4 Solenoid A Pressure Exhaust 0 B Exhaust Pressure 1 C Pressure Exhaust 0 D Pressure Exhaust 0 表 6 在三擋時(shí)閥門的狀態(tài) 直流電壓 PORT2 PORT4 Solenoid A Exhaust Pressure 1 B Pressure Exhaust 0 表 7 在四擋時(shí)閥門的狀態(tài) 直流電壓 PORT2 PORT4 Solenoid A Pressure Exhaust 0 B Exhaust Pressur
18、e 1 C Pressure Exhaust 0 D Exhaust Pressure 1 表 8 在倒擋時(shí)閥門的狀態(tài) 直流電壓 PORT2 PORT4 Solenoid A Exhaust Pressure 1 B Pressure Exhaust 0 C Exhaust Pressure 1 D Pressure Exhaust 0 結(jié)論 根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果，改進(jìn)的機(jī) 構(gòu)是可以實(shí)現(xiàn)的也是可行的。 使用最簡單的 PLC和所需的硬件便可以將老舊的傳統(tǒng)換擋機(jī)構(gòu)改造成半自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)。 這一改進(jìn)機(jī)構(gòu)的使用，使得駕駛過程變得更容易，降低了不穩(wěn)定汽車的風(fēng)險(xiǎn)，減少了旅程時(shí)間及錯(cuò)過換擋的最佳時(shí)機(jī)。 附錄 B
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