外文翻译--气动PLC控制汽车齿轮换挡机构

附录 A 气动， PLC 控制，汽车齿轮换挡机构 摘要： 在本研究中，由于该换挡机构的设计和使用，使驾驶员更快的并减小损毁的换挡。新设备必须是可靠的，有体积小、结构简单和低成本的优点。本文的目的在于用以下零部件改善换挡：一个手动四速齿轮箱，四个气压双作用气缸，四个气动二位五通方向控制阀，可编程逻辑控制器（ PLC），一台电机，一个电离合器，皮带，两个滑轮，限位开关，按钮， 指示灯 ，支承架和电力供应。根据齿轮换挡法的建议，驾驶员可以不从方向盘上移动其手来换挡，而直接按住换挡按钮来选择传动比，以改变速度。运用这种方法留给 驾驶员充裕的时间来选择换挡时刻。 关键词 :方向控制阀，变速箱，齿轮换挡机构，气缸，可编程逻辑控制器（ PLC），电磁阀 引言 本文用通俗易懂的语言详细的介绍了如何将传统的手动变速结构转换成通过可编程逻辑控制器的半自动换挡机构。 如今汽车工业主要的挑战在于提高性能、质量、成本方面的要求，在任何情况下，各组件及配件的运动都必须立即自动记录、检查以达到最大效率。 汽车技术在很多地方都已经升级，比如 ABS系统，主动转向系统和其它安全保护系统，它们分别提升了乘客的安全性和舒适性。该技术的提升也包 括使变速箱柔和的换挡、产生的噪音低。换挡机构必须易于使用且工作可靠。这些要求是非常重要的，特别是那些有特殊需要的人驾驶的小型汽车。 材料与方案 步骤，元件及分析： 这项工作是阿 -拜勒加大学应用工程技术学院工程力学系在 2009 年取得的。 对于一些驾驶员，在特别的关键境况下齿轮换挡可能会导致驾驶员作出混乱的动作。在拥挤的山坡道路上或者突然绕道行驶驾驶员会产生紧张的情绪。这样的情况下在合适的时间选择合理的压缩比和发动机动力是一个困难。（布奈哈等，1993；冈田等， 2002；田口等， 2003，易， 1998）。 这种 设计有助于提高驾驶员在行驶路上的注意力。同时减少发动机按需要减小功率的时间，提高了车辆的反应速度。 该设计可以作为齿轮换挡的一种教学模式。因此，我们提出以下观点内容： 主要部件的支承要有适宜的尺寸。将其它部分零件的强化和提升空间考虑在里面。 用于梅赛德斯 -奔驰汽车四轮驱动，手动、四个前进挡和一个倒挡的齿轮箱对于该设计是一个极佳的选择，因为它很容易被改装。 电机用来代替内燃机提供机械的动力，因为内燃机布置在这里比较困难。它的使用可以使这些结合过程更容易。 一个电离合器将取代手动离合器。这里使用的电力来 自汽车蓄电池。如图1所示。 图 1 电离合器 图 2 变速箱转向臂 一对滑轮和一传输皮带用于将动力从电机传递到齿轮箱。两个滑轮的直径相同，传输皮带是 V型的（其型号为 17600）。 为避免输入轴的连接产生径向力，使用一个轴承将其固定在支承架上。 使用四个不同直径的双作用气缸，其中两个用于前面的纵向移动，另外两个气缸用于后面的横向移动。 四个（二位五通）方向控制阀用来改变压缩空气的方向。每一个方向控制阀有一个 12V的电磁换向阀，用于将电 能转换成磁能，以吸引阀中的阀芯；通过这一动作改变压缩空气的方向。 模型组件： 手动 4-速变速箱 双作用气缸 PLC单元 四个二位五通气压方向控制阀 一个电动马达（以模拟内燃机旋转输出动力） 一个电离合器（图 1所示） 二个滑轮 一条 V型皮带 线管 电线 五个限位开关 六个按钮 五个指示灯 一个支承架 一 12V直流电源 组件描述 支承架： 支承架是用铁做的。由两组组成，一组是固定的另一组是可移动的。固定组比较矮。它用来布置电池（电源）、齿轮箱、限位开关、滑动气缸和电力马达。可移动的那 组在上面较高，它用于布置 PLC控制单元、按钮和指示灯板、方向控制阀和前后移动气缸。 支承架尺寸： 长 0.9米 ， 宽 0.5米 ， 高 0.9米 齿轮箱： 手动变速箱是一个同步器换挡、斜齿轮变速器。它有一个输入轴和一个输出轴。它有三个转向臂，其中第一个臂提供一挡、二挡的换挡，第二个臂提供三挡、四挡的换挡，最后一个转向臂提供倒挡换挡，如图 2所示。 每个转向臂对应连接一个连杆。每个连杆连接着一个共同的转向臂杠杆。图3表示了上述的上盘和下盘。 转向杠杆长 80mm，可作滑动和轴向移动。其轴向运动可向前 35mm、向后35mm（ 35mm 35mm）。滑动运动可向左 15mm、向右 15mm（ 15mm 15mm）。该臂的顶部连接着前面和后面的活塞轴。 在变速箱输入轴的端部有轴承连接。输出轴的外端部由轴承连接固定，而内侧端部与变速箱输入轴连接。如图 4所示。 图 3 变速箱转向杠杆 图 4 轴承 气缸： 这里我们所面临的一个问题是如何将换挡杠杆停止在中点处。空气压缩的能力很难使活塞停止某一确定的点上。为解决这个问题，我们使用两个气缸使中点得以实现。为实现向前和向后运动，气缸选择行程长度为 35mm、缸径选为 32mm。 气缸如 图 5所示，端部与端部相连接（田口等， 2003；布奈哈， 1993；基尼勒莫等， 2006）。 图 5 换挡气缸 通过这一布置，得到换挡杠杆的三个位置点。第一个位置点产生于两个气缸同时向外伸出时。第二个位置点产生于其中一个气缸向内压缩而另一个气缸向外伸出时；最后的位置点产生于当两个气缸都压缩时。气缸中某一端部通过轴结点连接在变速箱壳体上，如图 6 所示。 图 6 连结点 这个结点使气缸组随着转向杠杆作横向滑动而移动得以实现（例如：从二挡到三挡的换挡）。另一端通过球结点连接着换挡杠杆，如图 7 所示。该结点只用于保留 切向力，并抵消活塞杆上的力。 对于滑动运动，同样适用两个气缸端部与端部相连来获得中间点。这里活塞的缸径并不重要，因为这里产生的力比较微小。如前所述，其中一个气缸的行程为 15mm，气缸的一段与支承架相连，另一端连接着换挡杠杆。 图 7 球结点 方向控制阀： 为控制通向气缸压缩空气的流动方向，使用了四个方向控制阀。它们是结合在一起的，用同一个输入轴连着压缩空气源，两个常见的排气孔与外界接通。图 8 说明了方向控制阀的工作原理。它有一个电磁执行元件和弹簧，图 9显示了方向控制阀的硬件。 图 8 方向控制阀 图 9 控制阀硬件 控制单元： 这里使用的控制单元是 PLC LOGO，它有 8 个输入引脚、 4 个输出引脚 克莱门茨 杰夫科特，（ 1996年 ）。输入引脚与 PB连接，输出引脚与直流电压螺线管连接。图 10 表示了控制部分的硬件。 LOGO是 PLC控制单元设备中最简单的一款产品。它被称为可编程中继器。 LOGO PLC 有中继器、定时器和计数器。有一些产品还有实时操作。它可用于简单的运算；它是一个可靠的、寿命比较长的设备。 图 10 PLC控制元件 PB被安装在一个控制板上面，每个 PB 下面有一个指示灯 显示在工作中的齿轮。空挡位置点 有一个单独的指示 指示灯 。 倒挡齿轮除了指示灯 外还额外有一个蜂鸣器，如图 11 所示。绿色的指示灯点亮表示接通电源。其它的指示灯连接着限位开关。最后使用了 5个限位开关，如图 12和图 13所示，每个齿轮都有一个限位开关。 图 11 工作指示板 图 12 一挡限位开关指示灯 图 13 倒挡限位开关指示灯 计算 首先，需要同步进行力测量实验，这个测得约为 150N。压缩空气压力约为4bar。活塞缸径为 32mm。 对于参与运动的气缸： 活塞截面积 A： 24232 1004.84 )1032(4 mDA 活塞连杆截面积 a： 25232 1085.74 )1010(4 mda 净截面积 A : A =A-a= 241025.7 m 向外拉伸的力 EXF : NApF EX 6.3211004.8104 45 向内压缩的力 REF : NApF RE 2 9 01025.7104 45 这里 p为压缩空气压力， p=4bar。滑动所需的力为 70N。 对于滑动气缸： 活塞截面积 A： 24212 1014.34 )1020(4 mDA 活塞连杆截面积 a: 25212 1002.54 )108(4 mda 净截面积 A： A =A-a= 241063.2 m 向外拉伸的力 EXF : NApF EX 2.1051063.2104 45 向内压缩的力 REF : NApF RE 2.1051063.2104 45 正如计算出来的结果，气缸所施加的力足够移动换挡杠杆。 图表 气压图： 如图 14 所示，当有信号给了阀门 B，气缸会产生感应，气缸向外伸出。与阀门 C相连接的气缸会产生相同的运动 。气缸，连接着阀门 A，气缸连接着阀门 D，当信号出现时气缸及气缸会向内收缩，气缸会向外伸出。 图 14 气压换挡原理示意图 图 15 换挡逻辑图 逻辑换挡图： 图 15所示换挡过程的顺序步骤。例如，如果现在使用第一个齿轮在驾驶，不能在不使用第二个齿轮的情况下，使用第三个齿轮。倒挡齿轮只能从空挡位置点处工作，最后总是返回到空挡位置点。如图 15 所示，可编程LOGO PLC单元实现了这一规则系统。 图 16 PLC控制元件电路图 电气图： 控制单元的输出信号激发中继器，需要操作方向控制阀的螺旋线管。图 16所 示的是电路连接图。（ 克莱门茨和杰夫科特， 1996年 ）。 结果和讨论 操作顺序： 空挡位置点： 在这个点上，所有控制器的输出信号都为 0。气缸和气缸向外拉伸，而气缸和气缸均向内收缩。 摁住中间的按钮，任何工作中的齿轮控制器的输出信号都会变成 0。另外，在任何换挡过程中，控制器首先将齿轮置于空挡位置点，然后再移动参与工作的齿轮，如表 1、表 2所示。表 1表述的是空挡位置点的输入信号；表 2表述的是空挡位置点的输出信号。方向控制阀的相关情况如表 3所示。 一挡：在这里，气缸将向外拉伸而同时其它的气缸将会保持在最初的位 置。这一动作将推动齿轮轴向前移动，一挡齿轮结合开始工作。表 4表示了当处于一挡时方向控制阀的相关情况。 二挡：在控制器到达空挡位置点后，气缸将会向内收缩。这一动作将把齿轮轴拉回来，二挡齿轮结合开始工作。表 5 表述了当处于二挡时方向控制阀的相关情况。 三挡：在控制器到达空挡位置点后，气缸将会向内收缩，以便使得齿轮轴在三挡位置点工作。然后，气缸向外伸出，推着齿轮轴与三挡齿轮结合。表 6表述了当处于三挡时方向控制阀的相关情况。 四挡：和三挡的工作情况相似，气缸向内收缩了。然后，气缸也将向内收缩，四挡齿轮结合并 工作。表 7表述了当处于四挡时，方向控制阀的相关情况。 倒挡：气缸从空挡位置点开始向外伸出，然后气缸也向外伸出。在这个位置点，所有的气缸都向外伸出。表 8表述了当处于倒挡时方向控制阀的相关情况。 表 1 空挡位置点的输入信号 输入信号 Description 11 PB(一挡换挡 ) 12 PB(二挡换挡 ) 13 PB(三挡换挡 ) 14 PB(四挡换挡 ) 15 PB(倒挡换挡 ) 16 PB(空挡位置 ) 表 2 空挡位置的输出信号 输出信号 Description Q1 SV(A) Q2 SV(B) Q3 SV(C) Q4 SV(D) 表 3 空挡位置时阀门的状态 直流电压 PORT2 PORT4 Solenoid A Pressure Exhaust 0 B Pressure Exhaust 0 C Pressure Exhaust 0 D Pressure Exhaust 0 表 4 一挡时阀门的状态 直流电压 PORT2 PORT4 Solenoid A Exhaust Pressure 1 B Pressure Exhaust 0 C Pressure Exhaust 0 D Pressure Exhaust 0 表 5 在二挡时阀门的状态 直流电压 PORT2 PORT4 Solenoid A Pressure Exhaust 0 B Exhaust Pressure 1 C Pressure Exhaust 0 D Pressure Exhaust 0 表 6 在三挡时阀门的状态 直流电压 PORT2 PORT4 Solenoid A Exhaust Pressure 1 B Pressure Exhaust 0 表 7 在四挡时阀门的状态 直流电压 PORT2 PORT4 Solenoid A Pressure Exhaust 0 B Exhaust Pressure 1 C Pressure Exhaust 0 D Exh