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1、附錄 A 氣動， PLC 控制，汽車齒輪換擋機構(gòu) 摘要： 在本研究中，由于該換擋機構(gòu)的設(shè)計和使用，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。本文的目的在于用以下零部件改善換擋：一個手動四速齒輪箱，四個氣壓雙作用氣缸，四個氣動二位五通方向控制閥，可編程邏輯控制器（ PLC），一臺電機，一個電離合器，皮帶，兩個滑輪，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其手來換擋，而直接按住換擋按鈕來選擇傳動比，以改變速度。運用這種方法留給 駕駛員充裕的時間來選擇換擋時刻。 關(guān)鍵詞 :方向控制閥，變速箱，齒輪換擋機

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的介紹了如何將傳統(tǒng)的手動變速結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成通過可編程邏輯控制器的半自動換擋機構(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，各組件及配件的運動都必須立即自動記錄、檢查以達到最大效率。 汽車技術(shù)在很多地方都已經(jīng)升級，比如 ABS系統(tǒng)，主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和其它安全保護系統(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。 對于一些駕駛員，在特別的關(guān)鍵境況下齒輪換擋可能會導(dǎo)致駕駛員作出混亂的動作。在擁擠的山坡道路上或者突然繞道行駛駕駛員會產(chǎn)生緊張的情緒。這樣的情況下在合適的時間選擇合理的壓縮比和發(fā)動機動力是一個困難。（布奈哈等，1993；岡田等， 2002；田口等， 2003，易， 1998）。 這種 設(shè)計有助于提高駕駛員在行駛路上的注意力。同時減少發(fā)動機按需要減小功率的時間，提高了車輛的反應(yīng)速度。 該設(shè)計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，手動、四個前進擋和一個倒擋的齒輪箱對于該設(shè)計是一個極佳的選擇，因為它很容易被改裝。 電機用來代替內(nèi)燃機提供機械的動力，因為內(nèi)燃機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。 一個電離合器將取代手動離合器。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 一對滑輪和一傳輸皮帶用于將動力從電機傳遞到齒輪箱。兩個滑輪的直徑相同，傳輸皮帶是 V型的（其型號為 17600）。 為避免輸入軸的連接產(chǎn)生徑向力，使用一個軸承將其固定在支承架上。 使用四個不同直徑的雙作用氣缸，其中兩個用于前面的縱向移動，另外兩個氣缸用于后面的橫向移動。 四個

5、（二位五通）方向控制閥用來改變壓縮空氣的方向。每一個方向控制閥有一個 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；通過這一動作改變壓縮空氣的方向。 模型組件： 手動 4-速變速箱 雙作用氣缸 PLC單元 四個二位五通氣壓方向控制閥 一個電動馬達（以模擬內(nèi)燃機旋轉(zhuǎn)輸出動力） 一個電離合器（圖 1所示） 二個滑輪 一條 V型皮帶 線管 電線 五個限位開關(guān) 六個按鈕 五個指示燈 一個支承架 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)、滑動氣缸和電力馬達。可移動的那 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氣缸。 支承架尺寸： 長 0.9米 ， 寬 0.5米 ， 高 0.9米 齒輪箱： 手動變速箱是一個同步器換擋、斜齒輪變速器。它有一個輸入軸和一個輸出軸。它有三個轉(zhuǎn)向臂，其中第一個臂提供一擋、二擋的換擋，第二個臂提供三擋、四擋的換擋，最后一個轉(zhuǎn)向臂提供倒擋換擋，如圖 2所示。 每個轉(zhuǎn)向臂對應(yīng)連接一個連桿。每個連桿連接著一個共同的轉(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，可作滑動和軸向移動。其軸向運動可向前 35mm、向后35mm（ 35mm 35mm）。滑動運動可向左 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問題是如何將換擋杠桿停止在中點處?？諝鈮嚎s的能力很難使活塞停止某一確定的點上。為解決這個問題，我們使用兩個氣缸使中點得以實現(xiàn)。為實現(xiàn)向前和向后運動，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位置點。第一個位

8、置點產(chǎn)生于兩個氣缸同時向外伸出時。第二個位置點產(chǎn)生于其中一個氣缸向內(nèi)壓縮而另一個氣缸向外伸出時；最后的位置點產(chǎn)生于當兩個氣缸都壓縮時。氣缸中某一端部通過軸結(jié)點連接在變速箱殼體上，如圖 6 所示。 圖 6 連結(jié)點 這個結(jié)點使氣缸組隨著轉(zhuǎn)向杠桿作橫向滑動而移動得以實現(xiàn)（例如：從二擋到三擋的換擋）。另一端通過球結(jié)點連接著換擋杠桿，如圖 7 所示。該結(jié)點只用于保留 切向力，并抵消活塞桿上的力。 對于滑動運動，同樣適用兩個氣缸端部與端部相連來獲得中間點。這里活塞的缸徑并不重要，因為這里產(chǎn)生的力比較微小。如前所述，其中一個氣缸的行程為 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 方向控制閥： 為控制通向氣缸壓縮空氣的流動方向，使用了四個方向控制閥。它們是結(jié)合在一起的，用同一個輸入軸連著壓縮空氣源，兩個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 個輸入引腳、 4 個輸出引腳 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、定時器和計數(shù)器。有一些產(chǎn)品還有實時操作。它可用于簡單的運算；它是一個可靠的、壽命比較長的設(shè)備。 圖 10 PLC控制元件 PB被安裝在一個控制板上面，每個 PB 下面有一個指示燈 顯示在工作中的齒輪。空擋位置點 有一個單獨的指示 指示燈 。 倒擋齒輪除了指示燈 外還額外有一個蜂鳴器，如圖 11 所示。綠色的指示燈點亮表示接通電源。其它的指示燈連接著限位開關(guān)。最后使用了 5個限位開關(guān)，如圖 12和圖 13所示，每個齒輪都有一個限位開關(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 計算 首先，需要同步進行力測量實驗，這個測得約為 150N。壓縮空氣壓

11、力約為4bar?；钊讖綖?32mm。 對于參與運動的氣缸： 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?；瑒铀璧牧?70N。 對于滑動氣缸： 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 正如計算出來的結(jié)果，氣缸所施加的力足夠移動換擋杠桿。 圖表 氣壓圖： 如圖 14 所示，當有信號給了閥門 B，氣缸會產(chǎn)生感應(yīng)，氣缸向外伸出。與閥門 C相連接的氣缸會產(chǎn)生相同的運動 。氣缸，連接著閥門 A，氣缸連接著閥門 D，當信號出現(xiàn)時氣缸及氣缸會向內(nèi)收縮，氣缸會向外伸出。 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)在使用第一個齒輪在駕駛，不能在不使用第二個齒輪的情況下，使用第三個齒輪。倒擋齒輪只能從空擋位置點處工作，最后總是返回到空擋位置點。如圖 15 所示，可編程LOGO PLC單元實現(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： 在這個點上，所有控制器的輸出信號都為 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都會變成 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，然后再移動參與工作的齒輪，如表 1、表 2所示。表 1表述的是空擋位置點的輸入信號；表 2表述的是空擋位置點的輸出信號。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其它的氣缸將會保持在最初的位 置。這一動作將推動齒輪軸向前移動，一擋齒輪結(jié)合開始工作。表 4表示了當處于一擋時方向控制閥的相關(guān)情況。 二擋：在控制器到達空擋位置點后，氣缸將會向內(nèi)收縮。這一動作將把齒輪軸拉回來，二擋齒輪結(jié)合開始工作。表 5 表述了當處于二擋時方向控制閥的相關(guān)情況。 三擋：在控制器到達空擋位置點后，氣缸將會向內(nèi)收縮，以便使得齒輪軸在三擋位置

15、點工作。然后，氣缸向外伸出，推著齒輪軸與三擋齒輪結(jié)合。表 6表述了當處于三擋時方向控制閥的相關(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表述了當處于四擋時，方向控制閥的相關(guān)情況。 倒擋：氣缸從空擋位置點開始向外伸出，然后氣缸也向外伸出。在這個位置點，所有的氣缸都向外伸出。表 8表述了當處于倒擋時方向控制閥的相關(guān)情況。 表 1 空擋位置點的輸入信號 輸入信號 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 輸出信號 Description Q1 SV(A) Q2 SV(B) Q3 SV(C) Q4 SV(D) 表 3 空擋位置時閥門的狀態(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)實驗獲得的結(jié)果，改進的機 構(gòu)是可以實現(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)換擋機構(gòu)改造成半自動換擋機構(gòu)。 這一改進機構(gòu)的使用，使得駕駛過程變得更容易，降低了不穩(wěn)定汽車的風險，減少了旅程時間及錯過換擋的最佳時機。 附錄 B