一種位置信號機械控制機構的設計研究

胡延麗　鄭楠　李慧　祁靜　郭志勇

關鍵詞：機械控制機構；極限行程；觸點

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A

0引言

隨著現代汽車工業(yè)的發(fā)展和人們對汽車越來越高的要求，自動變速器在國產汽車上得到越來越多的應用，而變矩器是自動變速器的重要組成部分，變矩器在汽車上具有傳遞轉矩、變矩、變速和離合的作用。自動變速器的傳動效率主要取決于變矩器的結構和性能，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，可采用帶有機械控制機構的變矩器。機械控制機構是一種利用外力作用實現信號傳輸的制動控制機構，主要應用在車輛油門踏板下方的機械控制機構，其功能是為變矩器的電控單元提供油門極限位置信號，從而調整變矩器的解閉鎖狀態(tài)；為變矩器提供一個變距保護的信號，進而平衡車輛動力輸出和油耗。

機械控制機構可實現位置的限定，是變矩器上一個不可或缺的部件，給變矩器提供信號并對其進行控制。機械控制機構是根據踩踏油門的力量，為變矩器提供觸點及極限位置信號，控制、保護變矩器。如果沒有機械控制機構的保護，變矩器將進行無限制的加速加矩從而導致車輛故障，因此機械控制機構對汽車變矩器具有重要作用，每臺變矩器都必須配備機械控制機構。

機械控制機構可在無電源的情況下實現其功能。市場上大部分壓力控制機構需要有外接電源以驅動控制機構來傳輸開閉鎖信號，此控制機構安裝在車輛腳踏板下方，在設計結構空間狹小且無電源驅動的情況下，利用純機械的功能結構，通過外界力（腳踏力）的作用，驅動并實現控制機構的解閉鎖功能，并為相關動力裝置提供行程和極限位置信號。因此在特定的無電源并且有機械力的作用情況下，可采用機械控制機構。

1機械控制機構的工作原理

機械控制機構的主體結構由觸點組件、殼體、螺母、壓力組件和壓帽組成。其原理主要是在一定的機械力作用下，觸點組件開始啟動，到達觸點位置時，機械控制機構導通，繼續(xù)增加作用力，壓力組件開始運動，到達指定的極限位置，通過機械結構卡住，停止運動。其實質是利用多種剛度彈簧的聯合作用，使機械控制機構的觸點組件連接和斷開，輸出機械控制機構信號，并提供行程和極限位置的信號，實現機械控制機構的解閉鎖功能，從而調整車輛上變矩器的解閉鎖狀態(tài)。機械控制結構示意如圖1所示。

2機械控制機構的機械性能參數

機械控制機構在離合器下進行應用，需要反復操作，在使用過程中也是易損件，因此在設計中需要優(yōu)化結構和工藝以提高其壽命至萬次以上。目前本研究的機械控制機構壽命設計為1萬次，機械控制機構的極限行程可根據變矩器的高度進行設定，不同應用場合對應的行程不同，一般不大于20 mm；機械控制機構在整個行程過程中的某一點處導通，為保證機械控制機構信號輸出的可靠性，需要較大的操控力，因此在實際工況下，機械控制機構設計要求較高，可按照最大的參數進行設計，再逐步優(yōu)化。由于機械控制機構在位置信號傳遞過程中會產生電信號，因此在設計中還需滿足絕緣要求。

3機械控制機構的功能結構設計

3.1機械控制機構的功能結構

根據機械控制機構的工作原理對機械控制機構的功能結構進行設計，依據性能要求、產品的力與位移關系來確定彈簧的組合形式，其功能設計采用雙彈簧并聯+單彈簧串聯的形式。本設計運用兩個完全相同的較大剛度的小彈簧并聯后，再與一個剛度較小的大彈簧進行串聯使用，并聯小彈簧實現較大觸點力、較小位移的觸點導通，串聯大彈簧實現行程和極限位置的輸出，如圖2所示。

3.2機械控制機構的運動原理

為了在整機受力后能夠按照技術性能要求的位移和力值進行運動，設計時要首先考慮各個彈簧的運動情況，再進行彈簧剛度分配和彈簧剛度的設計。如果彈簧整體同時運動，由于串并聯彈簧的功能結構設計以及彈簧制造工藝，整體剛度理論值與實際值有偏差，因此本功能結構設計采取小彈簧先運動、大彈簧后運動的模式。小彈簧先運動以滿足整機的觸點和位移要求，小彈簧觸點啟動后，利用機械結構限制其運動，之后隨著力值逐漸增大，大彈簧進行運動，完成機械控制機構的整體行程位移和極限位置的要求。

4機械控制機構的彈簧設計

機械控制機構是通過兩種彈簧相互作用實現其功能的，串聯大彈簧是根據機械控制機構整機極限位置的總行程要求而確定的，為保證機械控制機構信號輸出的可靠性，大彈簧需要有較大的行程操控力，根據設計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。并聯小彈簧是用來實現觸點的開啟和斷開，小彈簧的行程較小，觸點力較大，需要確定其觸點載荷。

對整機彈簧剛度進行合理分配，確定彈簧剛度。彈簧參數的選取及彈簧剛度計算公式如下：

根據式（1），分別確定串并聯彈簧的剛度，通過機械控制機構性能指標中的觸點行程和最大行程要求，進而確定觸點載荷和最大載荷、大彈簧初始載荷，通過計算，確定串并聯彈簧的剛度。

根據機械控制機構整機性能要求及彈簧剛度，按照彈簧材料的要求和屬性，再根據材料性能的相關標準，選取材料為碳素彈簧鋼絲65Mn，其強度高、性能好，適用于機械彈簧。

彈簧旋繞比一般初定為5～8，其計算公式如下：

C=D/d。 （2）

其中，C為旋繞比，D為彈簧外徑，d為彈簧線徑。

根據旋繞比，初選彈簧線徑、彈簧外徑，并根據整機結構尺寸，確定自由長度，彈簧的端部結構形式均為兩端并緊并磨平1圈。

彈簧的有效圈數計算公式如下：

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

5驗證

經加工裝配后形成整機設備，用專用設備對整機性能進行驗證，根據觸點導通和行程進行整機的測試，精確地測量導通位置位移和力的關系。如圖3所示，經測試后機械控制機構位移與力的關系滿足了機械控制機構的性能要求。

6結論

機械控制機構的機械設計基于產品的性能要求，充分考慮了機械控制機構的使用功能、絕緣性能、設備穩(wěn)定性和疲勞壽命。結合彈簧的理論計算來合理設計機械控制機構，使其在較小的空間設計范圍內達到性能指標。本文為未來機械控制機構的設計提供了理論依據和實踐經驗，以期推動機械控制機構設計領域的發(fā)展。