电控换挡机构的总体设计

摘要在客车行业中通用后置布置发动机舱，与轿车的车身结构不同，后置发动机的客车有着多种优点，正因为这些优点让发动机后置成为主流，以至于我们在道路上所见行驶的客车都是发动机后置的。但是有优点就会有与之相对应的缺点，就比如说换挡的问题，客车行驶的过程中驾驶员在最前方驾驶客车发动机和变速器等运动机构安置在汽车后方，如何才能让驾驶员的操作信号快速准确无误的传到传动机构。现有的拉线式换挡机构有着诸多问题和要求，要保证在反复的使用后还能保持拉线的刚性，保证各部件的间隙不会产生变化，这些都会影响驾驶感受。并且传统的拉线拉杆式后置换挡机构操作比较费力，需要多处设置助力装置，这些诸多的负面效果会干扰驾驶员的驾驶体验，增加驾驶疲劳，并且在北方寒冷的气温也会对拉线拉杆产生影响，现有的传统换挡方式急需改进。本文以驾驶员疲劳度为出发点设计一套电控电动的半自动换挡机构，来代替老实传统的拉线拉杆换挡机构。可有效的改善驾驶员的操纵的吃力，取消驾驶员对于换挡的劳动疲劳。让驾驶变得轻松，驾驶员可有丰富的精力去观测道路安全状况，间接提高了行驶的安全性。由电子控制使换挡更加精确科学，减少发动机部件的磨损并提高燃油利用效率。关键词：远程换挡；操纵机构；AbstractInthebusindustry,theenginecompartmentisarrangedaftertheengine,whichisdifferentfromthecarbodystructure.Thebuswithrearenginehasmanyadvantages.Becauseoftheseadvantages,therearenginebecomesthemainstream,sothatthebusesweseeontheroadareallenginerear.

Butthereareadvantagesanddisadvantages.Forexample,theproblemofshiftinggears.Intheprocessofdrivingabus,thedriverdrivestheengineandtransmissionofthebusatthefrontandplacesthemintherearofthecar.Howcanthedriver'soperationsignalbetransmittedtothetransmissionmechanismquicklyandaccurately.

Therearemanyproblemsandrequirementsintheexistingcabletypegearshiftmechanism.Itisnecessarytoensurethattherigidityofthecablecanbemaintainedafterrepeateduseandthattheclearanceofeachcomponentwillnotchange,whichwillaffectthedrivingexperience.

Andthetraditionalpullrodtyperearshiftmechanismismorelaborioustooperate,whichrequiresmanyboosterdevices.Thesenegativeeffectswillinterferewiththedriver'sdrivingexperience,increasedrivingfatigue,andthecoldtemperatureinthenorthwillalsoaffectthepullrod.Theexistingtraditionalshiftmodeneedstobeimproved.Inthispaper,asemi-automaticgearshiftmechanismwithelectriccontrolandelectriccontrolisdesignedbasedondriverfatiguetoreplacethetraditionalpullrodgearshiftmechanism.

Itcaneffectivelyimprovethedriver'shandlingeffortandeliminatethedriver'slaborfatigueforshifting.

Itmakesdrivingeasier,andthedrivercanhaverichenergytoobservetheroadsafetyconditions,whichindirectlyimprovesthedrivingsafety.

Keywords；Remoteshift;Controlmechanism;第一章绪论1.1研究目的及意义在客车行业中通用后置布置发动机舱，与轿车的车身结构不同，后置发动机的客车有着多种优点，正因为这些优点让发动机后置成为主流，以至于我们在道路上所见行驶的客车都是发动机后置的。但是有优点就会有与之相对应的缺点，就比如说换挡的问题，客车行驶的过程中驾驶员在最前方驾驶客车发动机和变速器等运动机构安置在汽车后方，如何才能让驾驶员的操作信号快速准确无误的传到传动机构。现有的拉线式换挡机构有着诸多问题和要求，要保证在反复的使用后还能保持拉线的刚性，保证各部件的间隙不会产生变化，这些都会影响驾驶感受。并且传统的拉线拉杆式后置换挡机构操作比较费力，需要多处设置助力装置，这些诸多的负面效果会干扰驾驶员的驾驶体验，增加驾驶疲劳，并且在北方寒冷的气温也会对拉线拉杆产生影响，现有的传统换挡方式急需改进。在此基础上设计一套电控电动的半自动换挡机构，来代替老实传统的拉线拉杆换挡机构。可有效的改善驾驶员的操纵的吃力，取消驾驶员对于换挡的劳动疲劳。让驾驶变得轻松，驾驶员可有丰富的精力去观测道路安全状况，间接提高了行驶的安全性。由电子控制使换挡更加精确科学，减少发动机部件的磨损并提高燃油利用效率。1.2国内外研究现状目前国内对远程换挡装置的发展受限于经济成本，大型客车的生产厂家出于控制成本而选择传统拉线拉杆式的机械换挡装置。但是简单的机械式换挡装置虽然相对来说结构简单并且发展已经成熟技术可靠，制造成本低，但其实并不能解决客车上远程换挡所面对的问题。拉线拉杆式的换挡机构在长时间多次反复拉拽的情况下，会对制造材料产生不可逆转的力变形，拉线的变形会导致换挡信息不能准确地传达给变速器，加大驾驶员的工作疲劳。国内对于电子式半自动换挡机构也有所研究，但都只是在研究部门或者相关大学内部实验，并没有实质性的成熟产品出现在市场上。反观国外汽车行业起步早，经过多年的探索研究电子控制式换挡机构已经有了相当成熟的技术与研发理念，以德国奔驰汽车为例。2011年德国奔驰汽车推出的重型载重汽车Actros，这款重卡采用的就是电控调节气压传动的换挡方式。Actros直到2017年时还是国内外一流的顶级重卡车型，造型前卫动力十足采用OM471发动机使这款卡车有着足够的动力性和安全性，采用前卫的设计观念传动效率大大提升并搭配16党全同步器机械变速器。基于这款汽车奔驰公司开发出一套智能化的自动换挡机构，用先进的智能控制系统取代了传统的机械式手动的换挡系统，使驾驶员的操作全面自动化。自动换挡机构有四大部分，发动机控制模块、手柄模块、变速器模块、车辆整体控制模块。当驾驶员在车内操作时，手柄模块会采集驾驶员的操作意图，配合车辆整体控制模块传达信号至总线网络。变速器控制模块在接收到信号后控制安置于变速器外侧的电磁阀工作，控制相应位置的换挡轴移动。在驾驶员有换挡意图时只需要把手放在换挡手柄上按动按钮就可以实现换挡，同时还可以通过调节变速器传动实现不同的模式，可以与自动变速器相媲美。第二章电控换挡机构的总体设计目前的燃油客车依旧采用旧式拉线式的换挡机构，使用拉线直接连接驾驶员手中的换挡杆和变速器，变速器在换挡的过程中需要想当大拉力这提高了对拉线的刚性要求，虽然在车内多处设置助力装置但是在频繁的换挡操作过程中对驾驶员臂膀的力量还是很考验的。针对这一系列的问题，在我的指导教师的指导下构思了一套简单单片机控制的电动式半自动换挡操纵机构框架。在这个系统中变速器与驾驶室换挡手柄断开连接，以电路传送电信号来控制安置在后方的换挡机构来实现换挡操作。通过换挡手柄下方的传感器采集信号传送到ECU电脑，ECU发送命令让执行机构运动控制档位变换。改进后的换挡机构因为断开了拉线大幅度的降低了换挡时的劳累程度，并且换挡时的信号都是基于全车多处传感器信号统计而来，这样可以在提高换挡操作准确性的同时提高汽车行驶的安全性。在采集信息后也可经过电脑计算当前行驶状态下的理想速度档位以提高节油效率。2.1远程换挡机构的概述(1)系统工作原理及机构分析在传统机械式6挡变速器工作的基础上装配电机组替代换挡拉杆，以整合车身多处传感器采集信号，ECU发出指令控制执行器更换相应档位。（2）执行机构设计执行机构的换档操作主要由配套的步进电动机组实现，通过电控操纵使变速器完成换挡工作。(3)操控机构设计操控机构通过整合车身多处传感器采集的数据来确定当前汽车行驶所需的车速档和位，ECU通过电磁阀控制电路操控步进电机组变动位置。主要包括车身速度加速度传感器，系统适配电路，发动机相应功率传感器和驾驶员操作传感器(4)控制系统硬件设计及软件设计控制系统是电控设备的核心，对于ECU的控制软件不做研究与说明，对于单片机的控制操作设定为理想值。2.2系统工作原理本次研究设计的远程换挡装置系统工作原理图2-1所示图2-1系统工作原理从图中可以直观的了解本系统的两大部分；执行机构和控制机构。执行机构依据收到的电子信号启动相应的电磁阀开闭，用电磁阀控制相应的步进电机运动来完成对变速器的换挡操作，控制机构首先收集车身信号数据，通过电脑整合处理后发送到控制系统单元。在一系列的换挡操作完成以后电磁阀处的传感器给控制机构反馈一个信号，把电磁阀的开闭状态和换挡轴的具体信息反馈给ECU，通过电脑分析判断换挡操作完成进度，在完成换挡后给与驾驶员一个信号让驾驶员确定当前汽车档位情况。2.3远程换档操纵机构改进方案的选择通过和指导教师的沟通学习，对多种改进方案进行了比较，在不进行大规模拆装和控制成本的前提下想改进传统后置发动机的远程换挡操纵问题，最理想的是通过安装小型电机转线控为电控的方法来提高驾驶员的工作效率降低工作强度，不仅经济成本低也十分可靠安全，安装布置也简便。电控-电动式换挡操作系统是在传统6挡机械变速器的基础上，把换挡选档操作和车身状况发动机状况统筹管理来实现电子自动化调控，是一只种电子机械集成的机电一体化系统。该系统的主要构件由分散在车身的传感器和步进电机构成。根据以上的想法和构思列举出了几种可行的改装方案：2.3.1改进拉杆/拉线操纵机构出于改善拉线拉杆式会使驾驶员操作疲劳根本问题而设计的最基础也是最经济的改装方案，直接对拉线进行改进，尽可能的减小整个换挡机构对与拉线的直接拉力，在关键部分更换轻质高强度材料，但是这个方案只能相应的改善一部分驾驶员的工作强度，没有从本质上解决问题。但是不需要拆卸发动机舱安装辅助装置。2.3.2电控气动式操纵机构通过电子控制和启动操作的方式来进行换挡操作，需要配置成套的电控单元和启动执行机组来取代拉线的控制操作，这样的操作机构切断了拉线，从根本上解决了换挡时费力了问题。由于气动部件重量过大，为了适当的减少车身重量在该机构中运用安装在换挡手柄下方的传感器采集驾驶员对换挡手柄的换挡操作信号，传入ECU分析处理后进入电控系统单元，电控系统根据ECU给出的信号控制电路来控制气动系统电磁阀的开闭间接的控制与变速器拨杆相连接的气动工作部件来执行相应的换挡运动。这种烦恼歌福需要在发动机舱内做较大的改动，安装体积庞大的气动单元，成本略高，但是可以从根本上解决驾驶员换挡时的疲劳，换挡手柄不予换挡拨叉直接相连，解决了频繁换挡导致驾驶员臂膀劳累的问题。2.3.3电控液压式操纵机构该装置系统的构思方案与电控气动操纵机构雷同，唯一的差别在于执行元件，该系统的执行元件是与电控系统相配套的液压动力装置，液压动力比启动装置更加可靠并且操作精准工作效率提升明显。但出于安装液压系统的复杂程度和经济成本考虑，电动液压式操纵机构并没有比电动气动式有更好综合性能，所以不做研究。2.3.4电控电动式操纵机构对于电控气动和电控液压两种方案的研究，归结了两种方案的优点与缺点，构想出以电子控制为核心步进电机为执行元件的电控电动操纵系统。用步进电机对换挡拨出进行操作运动，比气动气缸选档精确并且更加可靠，相对需要大量改装空间改装昂贵的气动装置步进电机体积小功率高价格低廉，各种性能都在气动式操作方法之上。在此选用电控电动式操纵系统为基础对变速器进行改装设计。2.4系统基本结构由于传统的机械传动齿轮式有级变速器结构简单，传动效率较高且技术成熟，故其使用非常普遍，而且当前市场上大多数后置发动机大客车均采用这种有级式机械变速器。本文所研究的电控电动式换档机构即是基于这种传统的机械有级变速器，在基于机械变速器换档原理的基础上提出换档操纵系统的功能要求。下面分别介绍说明换档操纵系统的换档控制机构和换档执行机构组成。2.4.1换档控制机构的结构组成及其功能控制机构存在的意义在于对信号的采集整合然后集中处理，把处理完毕的信号转化成命令信号输入控制单元由控制单元输出控制信号驱动执行机构的电磁阀开关，通过电磁阀的打开和闭合控制步进电机运动来完成驾驶员对变速器换挡的操作。控制机构的主要结构组成有:(1)传感器在本系统中传感器的作用尤为重要，所有的操作步骤都是基于传感器采集到的信号。首先在换挡手柄设置的传感器收集驾驶员操作的信号，与此同时还应采集节气门的开度位置，车速信号，发动机转速如何等多方面的信号去断定能否进行换挡操作。在换挡时也要同时检测信号数值变化反馈给ECU，已确定换挡操作是否以经完成，起着提供基础数据和保险等多种功能。(2)控制电路电控系统中控制电路是整个系统的核心基础，硬件是软件实行的载体，电路协助ECU完成相关的功能。本系统所需电路有电控系统电源线电路、电磁阀驱动电路、传感器信息传输及反馈电路、额外的仪表盘档位显示电路、ECU连接电路。(3)电控单元换档系统的电路如同神经，电工单元如同大脑是整个系统的中心，对处理能力有着较高要求，可以实现换挡和选档操作时对信号的采集筛选和处理，并整理后给出控制命令。控制系统还需要体积小、可靠性高、价格经济等特点。除了以上所描述的硬件构件以外，控制系统带需要一个控制系统才算完整，一个可以可以调动控制系统所有部件的控制程序，控制程序的合理性直接影响着驾驶员对系统的操纵性，。2.4.2换档执行机构的结构及功能在控制机构发出命令后执行机构通过回路中电磁阀的通断状态来控制步进电机进行选档和换挡动作，步进电机推动选档拨叉和换挡拨叉的位置移动来实现给变速器换挡的命令。其主要构有:(1)电磁阀电磁阀通过通断电状态来控制电路的通断，电磁阀的开闭管控着步进电机的运动，不同的电磁阀管控着不同的电流流向步进电机，让步进电机做出前进后退的动作来带动换挡拨叉。本设计中有两组步进电机，相应的需要四个电磁阀对步进电机进行控制。(2)工作电机基于传统固定轴式变速器的换挡原理本系统中有两个工作电机：选档电机、换挡电机。传统固定轴式变速器换挡时是通过换挡手柄的连接件带动换挡杆的轴向移动和轴向移动来实现对档位的选择和挂挡，因此系统中的执行元件也需要分成两部分：推动选档拨叉的步进电机和推动拨叉挂挡的步进电机。由于本系统中的换挡手柄没有与变速器直接相连，与传统的换挡系统在结构上有所不同，实际上就是两个步进电机代替拉线远程对换挡杆进行操作。2.5客车换挡机构客车的动力传动系统与普通的轿车有些不同，有些半电动的客车甚至无离合器，如图2-2所示图2-2半电动客车传动系统图中的为在变速器输入轴上的转动惯量；是变速器输出轴上的转动惯量；分别为电机的角速度与输入轴和输出轴的角速度；为相应位置的转速变化率；分别作为电机输出的转矩、变速器输入轴的转矩、变速器输出轴的转矩；是同步器处于滑动摩擦状态时的摩擦转矩；地面的阻力力矩为；为变速器的传动比值；是变速器原档位的传动比；是变速器上目标档位的传动比；主减速器的传动比为。由于油电混合汽车的独特结构，故，在换挡的时候会中经历如下几种情况换挡前；在换档前的阶段里电动机的输出力与车轮间的关系是确定的，即摘空档；在摘空挡的阶段电动机输出力与车轮间的动力学关系依旧如同式子（1）（2），但是电机输出会被主动控制，使电机输出的扭矩逐渐减少到0，变速器这时候的输入扭力矩比较小，输入轴和输出轴相互咬合的力比较小，以实现摘空挡的操作。空挡；在这各阶段电机的动力传动被断开，这时的驱动电机会调整转速，使同步器的主、被动部件的转动速度达到目标档位的要求，在这时可以进行换挡操作，目标档位的调速值为.在空挡的状态下驱动电机才能实现对转动速度的快速调整，电机控制器操纵达到目标值。就是通过控制器去主动控制电机转动速率后实现同步，摘下空挡后进行选档和挂挡的操作。换挡；在上一步中使电动机的转动速度与目标档位要求的速度保持相同后，瞬间控制电动机使电动机的输出变为0转矩，这时变速器就可以进行换挡操作了。在换挡的过程中有两个阶段；同步器同步过程与选定目标换挡过程。同步器同步过程在这式子里为符号函数值在提升档位的时候在选择降低档位时由此可见当取值越小的时候，变速器同步时需要的力矩就可实现快速的换挡同步，在电动机调速后，电动机的转速与目标转速越来越接近，同步器的力矩就会越小，换挡工作也就更加的圆润换挡冲击越小。在完成同步器的同步工作后就可挂入目标速度档位换挡结束后；在换挡结束后的阶段与换挡前的阶段一致，车辆在经过短暂的换挡操作后恢复到正常的驾驶行驶中，通过电子控制器和电机的控制器一体化的控制管理可以让换挡操作减少换挡冲击，但对于电机的参数控制管理器有更高的要求，要在短时间内完成对电动机和同步器的调速并且要有较高的调速精度，在样才能在不影响车辆行驶的前提下快速换挡，减轻换挡时的卡顿和冲击力。通过对电路的分析与机械结构的解析我们发现一般的大型客车对变速器的控制都是采用一体化控制的方法，一体化的控制方法把客车行驶过程中的动力驱动系统分划为三部分；自由模式、调速模式、力矩模式，在车辆正常行驶过程中动力驱动系统处于力矩模式，这时候的发动机输出端转矩会和加速踏板的角度成正比，在驾驶员有换挡意图时动力驱动系统同时处于两种状态时而自由模式时而调速模式，换挡时发动机的转速信号和转矩信号会被控制系统接受整合在发送给驱动电机，带动电动执行元件进行换挡操作。本章小结通过本章的分析计算解析了客车的换挡装置的结构形式，通过每个具体的结构内容对现有的客车换挡形式进行改进设计，细化了换挡机构的工作状态。第三章电动执行机构3.1传动系统相关机构介绍传动系统作为汽车的重要系统之一链接着发动机与轮胎，由万向传动装置、变速器、驱动桥和离合器组成的传动系统继承发动机输出的动力传递给驱动轮满足各种工况下汽车行驶的需求，保证汽车的驾驶安全，其中变速器是此次设计的电动执行机构的控制对象。为了解决活塞式内燃机的转矩与转速较小而汽车行驶时对牵引力的需求范围较大的问题，在传动系统中设置了变速器。变速器可以扩大驱动轮的转速和转矩，调节传动比使发动机的输出使之符合随时变换行驶条件，使汽车在理想状态态下进行行驶。通过齿轮配合在不改变发动机前提下使汽车实现倒退。通过空挡操纵离合器断开与发动机的连接，让发动机的动力独立，已实现怠速、换挡或者平稳起步。3.2电动执行机构的原理及结构设计步进电机有着优良的动态性能并且制造成本偏低工作性能可靠等诸多优点，十分适合被选用做电动执行元件。步进电机的转子通常是永磁材料，当工作时通过调节器整合后的多频电流通过定子上的绕组，绕组发生电磁感应产生一个有固定方向的磁场。这个定向磁场会带动转子转动相应的角度迫使转子永磁体的磁场与定子生成的磁场保持同一方向，通过调整进入定子的电流频率定子产生的磁场会随之转动，转子也会跟随定子转动固定的角度。转子的转动角与定子输入的脉冲数成正比，通过改变脉冲频率调整转速。步进电机运转方向也可以通过通电的正负情况进行控制。步进电机的主体结构是永磁转子和铜线绕组，在工作时都会对电流造成大量损耗，铜损和铁损会以发热的形式表现出来，绕组的铜线通电后电流越大铜线的电阻产热越大，如果电流不是标准电流还会有交流损耗。转子的铁芯在磁场中会产生磁滞涡流效应。这些都会影响电机的效率，一般步进电机为了追求操作精度会造成机体发热严重的现象，应极力避免用在交流电路中，汽车的电路为直流电路，可以一定程度提升步进电机的工作效率。我们通常见到的变速器在上部都设有一个操纵轴称为换挡轴，换挡时就是通过直接或者间接的控制换挡轴进行横向运动和纵向运动来配合变速箱进行换挡操作。电动换挡执行机构的目的就是通过改装一个运动机构替代人工操作，一个可以对换挡杆施加XY轴的力的运动机构。通过布置一个简单的传力结构安装相应步进电机推动换挡杆工作。3.3步进电机的选择经过分析电动执行元件选用步进电机，步进电机作为机作为现代数字程序控制系统中的主要执行元件，用途广泛可用在多种复杂工作环境，并且依旧能保证工作稳定性。步进电机通过控制脉冲信号的频率和脉冲数而改变步进电机的步距角，每当步进电机接收到脉冲信号后，步进电机会根据信号的强弱和电流的正负极让步进电机按照人的意愿向着设计的方向转动相应的固定角度，通过脉冲频率控制步进电机的工作转速，通过调节脉冲电信号的正负调整步进电机转动的方向正转或反转，通过读取脉冲的数量确定转动的角。经过这三方面的调节，步进电机可以精确可靠的完成接收到的命令。通过电子电路将直流电变成分时多频率的电流，驱动器就就是为步进电机供电的控制器，通过读取改变后的电流给步进电机分时供电，步进电机会按照电流的频率工作。 按照结构形式划分步进电机分为永磁式步进电机，用永磁材料制作成步进电机的转子，永磁式步进电机的动态性能比较好，输出力矩大，但是由于永磁材料的转子会影响电机工作精度，永磁式的电机步距角一般都比较大约15°。反应式步进电机的定子上有固定的绕组，而转子是由软磁材料制成，只适用在实验室环境，其动态性能很低，无法带动工作用执行元件，结构问题还会影响工作发热量，可靠性差，优点是成本低步距角小操作精度高。中和了永磁式和反应式步进电机的优点设计出新型的混合式步进电机，转子依旧采用永磁材料，定子安装多相绕组并且有多个小齿可以提高步进电机的步距角和操作精度，混合式的结构设计融合了两种电机的优点有着优良的动态性能、有较小的步距角、输出的力矩大、工作性能可靠。但混合式步进电机由于整合了两种电机的结构所以本身结构相对复杂制造成本很高。控制方式也是影响步进电机运行性能的主要因素，一般归类为开环控制与闭环控制。[1]由于混合式步进电机的输出扭矩大以及良好的动态性能本文采用混合式步进电机作为电动执行机构。随着技术的发展创新三相混合式步进电机逐渐占领市场，三相步进电机凭借着超高的性能和低廉的制造成本逐渐占领了97%以上的市场份额，工作精细的三相步进电机再配上细分驱动器后能达到此外电机不可比拟的地步。三相步进电机的基本步距角为1.8°每步，当按照实际工作需要搭配上配套安装的半步驱动器，可以将步进电机的工作步进角调小至50%也就是说可以将步距角缩减到为0.9°每步，步进电机还有相应型号的细分驱动器，经过细分器调整分化步距角理论上可细分达原步距角的256倍（约为0.007°/微步）。在实际工作中由于摩擦力和制造精度等外部因素和不可抗力的负面因素干扰，实际对步进电机的控制精度没有理论数值那么高。同一步进电机可配不同细分的驱动器按照实际工作需求对操作精度进行修改。如英世达130mm系列步进电机如图3-1所示图3-1英世达三相步进电机在选定了电动执行器之后根据客车变速器换挡机构的换挡杆的工作行程和在选择档位时所受力做出分析对比，通过对变速器的具体解析来确定在这个系统中需要什么型号的步进电机。我们先确定步进电机带动换挡杆的运动轨迹与连接形式，以五档变速器为例，在车辆正常驻车状态下处于空挡，换挡杆布置图如图3-2所示图3-2空挡换挡杆位置图换挡杆在停车时和换当前都会处于这样的状态，已准备选档工作，在进行选档操作时换挡球头在水平方向移动到相应的拉杆处，在横向的移动已达到推拉同步器进行换挡。具体操作图3-3所示图3-3五档变速器换挡示意图我们可以看的到换挡球头的运动方式十分简单单一，正常客车驾驶员对于换挡杆的操纵是通过换挡手柄相连的拉线间接控制换挡球头，出于换挡球头的运动轨迹设计出一种可以安置在换挡杆上代替拉线的框架，一种类似于3D打印机的XYZ轴的运动机构。如图3-4所示图3-4xyz轴运动机构图中2、3为步进电机，5、6、7、为工作轮负责带动10滑轨。相比较之下3D打印机的运动机构要比变速器的需求要多，但是在去除掉关于Z轴运动的电机和辅助轮后就可以直接安置在变速器上，对换挡球头进行控制操作。客车选用六档手动变速器其具体换挡模块如图3-4所示图3-4六档手动变速器换挡装置在驻车停靠或者摘空挡时换挡球头停靠在三、四档拨叉轴上，所以对三、四档进行挂挡操作时没有选档距离，当换挡球头置于一、二档拨叉轴和五、六档拨叉轴时根据查询材料得之其选档行程需要13.12cm，R档距离三、四档拨叉轴较远需要的行程为26.24cm。在横向移动选定档位后球头会继续纵向移动进行换挡，在换挡运动时球头的纵向移动是固定的为21.11cm，在选一、二档时选档力约为19.12N，运动行程为13.12cm，此时需要换挡球头做功为在选五、六档时选档力约为24.67N，运动行程为13.12cm，此时需要换挡球头做功为在选R档时选档力约为31.90N，运动行程为26.24cm，此时需要换挡球头做功为这是选档机构对步进电机的要求，所选步进电机的输出功必须要远大于837.05N，因为还需考虑在支架上运动的消耗。在进行换挡时所需要做的功不同于选档，换挡球头做功有所不同。在换前进档时选档力约为19~21N，运动行程为21.11cm，此时需要换挡球头做功为更换R档时出于安全考虑所需力较大需要24.14N的力才能挂进R档，纵向前进距离依旧为21.11cm这时换挡球头做功为在选用换挡执行机构时要考虑功的消耗，所选择步进电机输出功要大于509.60N.本章小结本章是对换挡系统的具体改进，通过运动分析确定改装的运动机构，通过对换挡杆的力的分析选定运动机构上安装的步进电机，分为主动电机个辅助电机，主动电机所需功率要远大于辅助电机。第四章控制机构设计控制机构作为本次设计的核心部分，由采集信号的全车身多处传感器、控制电路和控制单元共同组成。当驾驶员通过换挡手柄发出换挡的信号，传单器及时采集换挡手柄的位置信息，通汽车电脑把模拟信号转换成电信号发送到动力执行机构，同时还会采集汽车运行时的传感器信号反馈，将汽车运行状态实时汇报给驾驶员。控制机构主要采集的传感器信号有车速传感器确定车速是否适合加减档位、档位传感器收集驾驶员的操作信号、节气门吗开度传感器和发动机转速传感器来确定发动机功率确保操作安全可靠，同时根据数据计算当前车况下用何种档位才会有最佳的经济性能。汽车电脑ECU在接收到档位信号后，会传递出电信号给与电磁阀，通过电信号控制电磁阀开闭，制造脉冲电流给步进电机供电，同时还需检测电路上的电磁阀和步进电机的工作情况来确定换挡操作是否完成并将采集到的信息反馈给驾驶员控制系统工作原理图如图4-1所示图4-1控制系统工作原理图4.1控制机构信号的采集控制机构主要采集的传感器信号有车速传感器确定车速是否适合加减档位、档位传感器收集驾驶员的操作信号、节气门吗开度传感器和发动机转速传感器来确定发动机功率确保操作安全可靠，同时根据数据计算当前车况下用何种档位才会有最佳的经济性能。需要安装相应的传感器进行数据采集。4.1.1传感器的原理及组成分类传感器是一种能将模拟信号转换成可被采集的电信号的转换器，把汽车上的温度、速度、加速度等非电信号转换成电量如电流和电压。随着汽车行业的发展传感器变成了汽车行业革新的主要关键部件，一些抵挡的民用车至少会有几十只传感器，而一些高档汽车全车传感器数量可达几百只，汽车越高级传感器数目越多，传感器在汽车上已经到了不可或缺的地位。有了传感器收集的信号还需要执行器进行实际工作，所以汽车上执行元件也是很重要的部件，通过执行器实现对气流和液体流量的操控如供油量控制、对压力的调整如制动器的增压装置、空间位置的调整或者电信号的通断，传感器的信号采集和执行器的实际工作是密切相关的。在不同的系统中即便相同的传感器与执行器的结构形式与安装数量也不同，一般来说传感器有三大部件检测电路、转换元件与敏感元件如霍尔元件等等，在必须的情况下又是还需辅助电源助其工作，传感器组成简图如图4-2所示图4-2传感器的组成执行机构采集变速器的状态作为选档换档的反馈，用于完成指令和发现故障。控制机构需要采集的信号有:换档手柄档位信号、节气门开度信号、变速器换挡情况信号、车速信号、发动机转速信号等。4.1.2操纵手柄位置信号采集为实现对驾驶员操作信号的采集，对换挡手柄进行简单改进，在换挡手柄下方安置霍尔元件，当驾驶员对换挡手柄进行操作时，信号采集器会确定换挡手柄的位置，将信息送入控制系统传递给执行机构进行换挡操作，手柄部分改进如图4-2所示图4-3手柄信号采集机构示意图4.1.3车速和发动机转速信号的采集测量在行车驾驶时汽车ECU需要随时监控发动机转速与节气门开度的传感器信号，用来确定发动机的工况，通过分析发动机的负荷状况来提示驾驶员当前车况需要在何档位才能达到最经济的燃油效率。并且也作为倒车操作时的电子保险，在拨到R档时应保证汽车处于静止状态，这个信号优先于驾驶员的操纵信号ECU不会响应驾驶员的命令。发动机转速传感器与车速传感器的测量理论基本一致可以用相同的从测量设备以减少支出，可以测量转速的测速器有很多，比如说常见的发电机式测速器、霍尔磁电传感器和光感传感器。发电机式测速器虽然数据简单可靠操作便利但是由于结构复杂成本较高在汽车行业很少采用。霍尔磁电式传感器有着工作可靠体积小成本低的优势得一广泛运用在汽车传感器行业，本系统需要的速度传感器均采用霍尔电磁式速度传感器。4.1.4节气门开度信号的采集节气门位置是汽车车况的关键信号，节气门一般直接安装在在节气门上，与节气门的转动轴直接相连，当驾驶员对加速踏板进行操作时节气门打开一定角度转动轴带动传感器，传感器会随着转动轴的旋转而产生电量信号ECU会根据节气门信号调节发动机供油量已达到加速的目的。 汽车电脑ECU会实时监测节气门的打开角度信息，把从传感器收集的信号其作为调整发动机功率的必要参考数据，并且把节气门开度以及气流量反馈给给驾驶员。在自动变速器系统中节气门开度传感器采集的节气门信号是反应发动机负荷，车速车况的一个重要的电子控制信号。自动变速器汽车节气门开度传感器一般