空间凸轮机构在汽车开关的应用

申请上海同济大学工程硕士学位论文院系 ：机械与动力工程学院工程领域：车辆工程上海同济大学汽车学院2013年8月School of Mechanical EngineeringShanghai Jiaotong UniversityShanghai,P.R.ChinaJune, 2013上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：上海交通大学本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密在_年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。（请在以上方框内打“V”学位论文作者签名：指导教师签名：日期： 年 月 日日期： 年 月 日空间凸轮机构在汽车线控换档开关的应用摘要碎着汽车电子技术的飞速发展，汽车上的电子装置越来越多。汽车的电 子化、智能化、网络化也逐渐成为现代汽车发展的重要标志。今天，汽车电 子技术已经成为汽车发展的技术支撑和汽车产品竞争力的关键。随着世界汽 车工业尤其是汽车电子工业的飞速发展，在航空领域相当成熟的线控操纵技 术也逐渐的在汽车领域得到了应用。以SBW（线控排挡）技术为代表的一系列 X-By-Wire 技术正在成为各大 OEM 角逐的竞技场。同时，伴随着节能减排、 电动车、混合动力车等等环保节能理念的深入人心以及各大OEM在这些领域 的巨量投资，作为新能源汽车配套的线控技术，必然会迎来一个大发展的时 期。SBW是通过总线技术将换挡信号传送至执行机构同时接受执行反馈的一 种换挡技术。 而控换档就是以机电系统代替传统的机械为连接换档杆和变速箱的传输控制 信号。驻车（P），倒车档（R），空档（N）和前进档（D）之间的转换通过 电子信号控制完成。线控换档系统由换挡选择模块、换档电控单元、换挡执 行模块、停车控制ECU、停车执行机构和档位指示灯等组成。在该系统中，驾 驶者通过换档杆的传感器将换档信号传递给电控单元，电控单元处理信号后 将指令发给换档电机，实现前进档、倒档和空档的切换。其停车控制ECU会 根据换挡选择模块的换挡指令，控制停车执行机构。本文通过研究线控换档开关的运动规律，研究了凸轮机构在力传递和 运动学方面的特点，并运用凸轮解析法，摸索预期运动规律和凸轮曲线之 间的关系。采用计算机三维建模和函数计算分析工具对设计方案进行优 化。分析了凸轮机构在工作中出现的振动，回弹，滑档及多余档位等问题， 提出的优化方案，改善了凸轮执行机构的运行效果，延长了系统的寿命。 把该产品的凸轮设计方法推广到一般产品设计上，可缩短凸轮执行机构的 设计过程，建立符合预期的开关机构运动规律。关键词：线控换档开关，凸轮设计，三维建模，函数计算第一章引言1.1线控换档开关随着汽车电子技术的不断发展和汽车系统的集成化，驾驶者对驾驶舒适性和灵活性的要求 不断提高，电子控制系统替代传统的纯机械机构传递控制信号，用于驾驶汽车，这些电子 控制系统通常被称为“线控”（by wire）,汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感 器变成电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。目前的线控技术包括线控换档 系统（Shift-By-Wire）、线控制动系统（Brake-By-Wire）、线控悬架系统、线控增压系统、 线控油门系统及线控转向系统（Steering-By-Wire）。而线控换档就是以机电系统代替传统 的机械为连接换档杆和变速箱的传输控制信号。驻车（P）,倒车档（R）,空档（N）和前进 档（D）之间的转换通过电子信号控制完成。线控换档系统由换挡选择模块、换档电控单元、换挡执行模块、停车 控制ECU、停车执行机构和档位指示灯等组成。在该系统中，驾驶者通过换档杆的传感器 将换档信号传递给电控单元，电控单元处理信号后将指令发给换档电机，实现前进档、倒 档和空档的切换。其停车控制ECU会根据换挡选择模块的换挡指令，控制停车执行机构。； 档位指示灯IIG :冷加律决甜 1免IIII1-厂苛哽1主令图1汽车线控换档系统sFigi Vehicle shift by wire systemEOnrSmartMercedes E1.2线控换挡开关发展现状线控技术是从应用于飞机驾驶控制上的Fly-By-Wire发展而来。该技术利用传感器将驾驶 者输入信号传递到中央处理器、通过中央处理器的控制逻辑发送信号给相应的执行机构完 成驾驶者的相关操作。这样可取代传统的机械结构，实现对汽车各种运动的电子线控。线控换档系统目前处于向汽车领域应用的研究和改进阶段，随着技术进步，各种问题会 逐步得到解决，它最终会取代传统纯机械系统。线控换档系统是未来制动系统发展的方向, 具有传统纯机械系统无法比拟的优点：1. 线控换档消除了传统机械部件与变速器联动的约束，从而提升了设计自由度。由于受到 连接变速杆与变速箱之间的机械机构限制，传统的变速杆一般只能布置在前排座椅之间 或者在方向盘旁边。现在这些机械机构可以被电子系统所代替，开发工程师也可以把变 速杆安排在任何需要的部位，另外变速杆的模式也可以是多样，如操纵杆式(joys tick), 旋钮式，按钮式，触摸屏式，从而实现了高度的设计自由度。2. 由于所有的换档动作都通过软件程序控制，易于进行改进和增加功能，可以并入汽车CAN 通讯网络进行集中管理和共享信息。例如当驾驶员拔掉钥匙,程序能使变速箱能自动切换 到驻车档,而无需额外的人工操作。3. 线控换挡齿轮的切换是由一个电机来驱动的，减少了操纵力。操纵力的产生通过换档开 关的弹簧顶销和空间曲面实现，可以改变弹簧特性和曲面块的轮廓获得良好的操纵手感， 并可以因应地区差异和因别实现个性化设计，满足不同客户群的需求.4. 换档响应快，操控灵敏，容易与以电机为能源的动力系统相匹配。信号通过“线控”方 式传送，意味着可以通过电子信号实现精确换档，从而显著缩短换档时间。于是在2002 年，一套名为SMGII的全新改良机械式自动变速箱问世，这套系统一改之前换档速度慢的 诟病，它将换档变速的科技引领到另一个新的纪元，在先进的电子控制单元的支配下， 其换档速度达到了惊人的0.08秒，要知道一个接受过专业训练的赛车手的换档速度也不 过0.3秒，仿佛让F1赛车开上了街道。5. 结构简化:线控系统取消了机械连接装置，简化了结构和生产工艺，便于实现汽车轻量 化，提高燃油经济性.采用电线连接，系统的耐久性能良好。6. 维护用品可大大减小，减少维护费用。取消机械连接可减少车身质量并简化维护工作， 可能磨损的部件更少了，使汽车更为环保，减少维护.线控换挡系统提高了燃油的效率, 同时可以节省约5%以上的燃油。7. 由于机械连接的取消，系统总成的制造、装配、调试、标定更快，易于采用模块化结构，节 省了装配成本，加快了时间。8. 可以并入汽车CAN通讯网络进行集中管理和共享信息，换档信号的传输可以通过目前已 经成熟应用的车用网络，如CAN bus，无需增加额外的成本.在线控换挡领域走在市场前列的公司以宝马、戴姆勒等公司为代表。以操纵方式和安装位 置不同分，现有SBW产品大致可以分为以下几类。1.组合开关形式的SBW开关，尤其以奔驰系列为代表。图2组合开关形式的SBW开关Fig2 SBW in2.旋钮式SBW开关，主要应用在Jaguar （捷豹）车系上。图3旋钮式SBW开关Fig3Rotation SBW3. Joys tick （游戏手柄）型的SBW开关，主要应用在宝马车系。JoyS tick型的SBW 不仅造型相当时尚美观，而且操纵外形符合人体工程学，手感极佳。目前已经发展到 了第三代产品，实现了很高的模块化、平台化。基于这个平台可以根据客户需求在外 观、操控逻辑上进行相应的匹配，在保持原有的手感、安全性等等优良特性的同时能 够以较低的代价和较短的开发时间来满足客户要求。图4游戏手柄型的SBW开关Fig4 Joys tiyk SBW图5线控换档开关电路原理图Fig5 Circu it diagram of SBW1.3课题的来源、课题的意义、课题完成的工作本人长期工作于上海科世达-华阳汽车电器有限公司，主要从事汽车开关类产品的照明 开发和设计工作，开发设计了上海大众E-ENTRY、韩国通用T300、FORD北美T6等几乎所 有国内外主流车型的开关照明系统，并与多家整车厂合作，对汽车内饰照明的关键技术要 求进行了深入的研究，同时与多家LED供应商、注塑供应商、喷漆光刻供应商合作，对内 饰照明系统中的技术难点进行了分析研究，对目前汽车行业内饰照明的现状有着较为深刻 的了解。对于目前国内外整车厂在汽车内饰照明系统亮度公差要求的简单笼统的现状，本人及 所属公司都非常的关注，为了提高主机厂的整车品质，同时满足实际生产控制情况，及对 于产品成本的多方面考虑，遂设立本研究课题。本论文主要研究空间凸轮机构在汽车开关中的应用和开发。凸轮机构常用来实现周期 性的转位和步进分度工作。对于平面凸轮机构轮廓曲线的设计方法通常有作图法和解析法。 作图法直观、简便，但精度不高。解析法或数值计算等方法来计算和设计凸轮轮廓共轭曲 线。其大多都采用离散值,而不是通过连续函数,因此在设计过程中计算量大,且计算结果还 只是近似值。这次的学位论文，是引入国际上领先的 CAD/CAE 软件中的实体建模和模拟分 析功能。从凸轮的理论研究，到凸轮的步进档位，通过替代传统的机械操纵杆，扩展了凸 轮的应用领域。研究本课题旨在提高整车产品品质的同时，降低生产控制的难度，提高生 产效率，并且对产品的成本降低有益。对于整车内饰照明设计和内饰生产行业都有着非常 重大的指导意义。本文拟完成的主要工作有：研凸轮机构的设计主要解决如下问题：1) 凸轮机构类型选择，确定凸轮形状、从动件形状与运动形式及凸轮与从动件维持 高副接触的方式。2) 从动件运动规律设计，根据应用场合对从动件行程和运动特性的要求，确定从动 件运动规律。3) 凸轮机构基本参数设计，确定从动件行程、各运动角、凸轮基圆半径、偏距、滚 子半径、中心距、从动件长度等。4) 凸轮轮廓曲线设计。5) 凸轮机构承载能力计算。6) 凸轮机构结构设计，绘制机构装配图和各零件的工作图。第二章汽车内饰光学设计2.1整车内饰照明的基本要求分析凸轮机构一般是由凸轮，从动件和机架三个构件组成的高副机构。凸轮通常作连续等 速转动，从动件根据使用要求设计使它获得一定规律的运动.凸轮机构能实现复杂的运动 要求，广泛用于各种自动化和半自动化机械装置中。凸轮机构通常由两部份动件组成，即凸轮(cam)与从动子(follower)，两者均固定于座架上。 凸轮装置是相当多变化的，故几乎所有任意动作均可经由此一机构产生。凸轮可以定义为一个具有曲面或曲槽之机件，利用其摆动或回转，可以使另一组件一从动 子提供预先设定的运动。从动子之路径大部限制在一个滑槽内，以获得往覆运动。在其回 复的行程中，有时依靠其本身之重量，但有些机构为获得确切的动作，常以弹簧作为回复 之力，有些则利用导槽,使其在特定的路径上运动。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件.一般可分为三类：盘形凸轮：凸轮为绕固定轴线转动且有变化直径的盘形构件；移动凸轮：凸轮相对机架作直线移动;圆柱凸轮：凸轮是圆柱体，可以看成是将移动凸轮卷成一圆柱体。盘形凸轮和移动凸轮与从动件之间的相对运动为平面运动；而圆柱凸轮与从动件之间的相 对运动为空间运动，所以前两者属于平面凸轮机构，后者属于空间凸轮机构。上述凸轮都依靠其外缘的轮廓曲线或凹槽线进行工作，凸轮机构能否按预期的运动规律良 好工作，主要取决于凸轮廓线，因此设计凸轮廓线是凸轮机构设计的关键。本课题中线控 换档机构采用滚子摆动盘形凸轮机构。要进行凸轮设计，首先需要根据工作要求和使用场合，选择从动件运动规律。常用的从动 件运动规律包括：等速运动规律：该运动规律的速度曲线不连续，从动件在运动起始和 终止位置速度有突变，理论上加速度在此时变为无穷大，从动件产生无穷大的惯性力。实 际上由于材料具有弹性，加速度和惯性力都不会无穷大，但仍会使机构产生刚性冲击。 等加速等减速运动规律：其速度曲线连续，加速度在起始、中间、终止位置有突变，引起 惯性力的突然变化，导致柔性冲击。（3）简谐运动规律：速度曲线连续，加速度在起始、终 止位置有突变，引起柔性冲击。（4）摆线运动规律：速度加速度均连续变化，无冲击。（5）3 4 5次多项式运动规律：速度加速度均连续变化，无冲击。为了获得更好的运动和动力 特性，还可以把以上种常用的运动规律组合起来使用，这种组合称运动曲线的拼接。对于 具有特殊运动规律要求的机构可根据具体的要求自定义某些运动规律曲线，比如本课题中 的汽车空调温度混合风门控制凸轮，为了保证空调温度的线性控制，其风门的运动规律曲 线是既定的。从动件运动规律的特性值凸轮机构的从动件运动规律，尤其高速凸轮机构，必须在全行程 范围内保证位移、速度、加速度无突变，这是评价运动规律特性优劣的前提。评价各种运 动规律时，常按照一些与运动学或动力学有关的特性值。通过这些特性值的比较，可以大 体分析出凸轮机构选用这种运动规律时的运动或动力特性，甚至可以反映出工作行为、结 构或寿命等方面的基本趋势。常用的特性值有以下几种：1）最大速度Vm凸轮机构的压力 角是反映凸轮工作性能的一个重要指标。压力角过大，会导致磨损加剧，效率下降，甚至 自锁咬死。凸轮机构的轮廓压力角一般随速度的增大而增大，为减小压力角，应使运动规 律的Vm较小。如果压力角选定时，较小的Vm可以得到较小的基圆半径，因而能减小凸 轮机构的尺寸。低速机构一般按 Vm 较小的原则选用运动规律。此外，工作机构的速度越 大，动量越大，当因意外事故而要求紧急制动时，工作机构的动量即会转变成巨大的冲量， 造成冲击。速度的增加还导致所设计凸轮的轮廓曲率半径的减小，使接触应力增加。因此， 从保证工作机构的安全角度看，也应该使 Vm 较小。2）最大加速度 Am 在高速凸轮机构中， 与加速度成正比的惯性力是载荷的主要组成部分。较大的惯性力不但使构件受力增加，构 件之间磨损加剧，由于振动分量的存在，还导致从动件振动加大，严重影响工作精度。加 速度的增加也导致轮廓曲率半径的减小，使接触应力增加。因此，在选用运动规律时，Am 是一个必须考虑的主要特性。3）加速度均方根值Arms其定义为：120A rms= / A dT这个 特性值反映了机构受惯性力作用后偏离平均位置的动力扭曲程度。如凸轮机构对工作精度 要求比较严格，应选用Arms较小的运动规律4）动载转矩特性值（AV）m为了减小凸轮轴转 矩，降低电动机功率，应使运动规律的（AV）m值较小。5）动载转矩变化率特性值动载转矩 对时间求导，得到它的变化率：2d （AV）VJ AdT t =+它的最大值一般出现在动载转矩特性 （AV）m 反号处。由于转矩反号，在几何封闭凸轮机9 构中存在啮合间隙时，从动滚子将从凸轮轮廓一侧冲向另一侧，引起横越冲击。不但引 起噪声，而且凸轮机构磨损严重。因此，在几何封闭凸轮机构中，要使运动规律的动载转 矩变化率特性值较小。 6）最大跃度 Jm 和最大跳度 Qm 在高速机构中，通常要求高阶导数 值连续，且绝对值尽量小，以便减少机构的振动，提高工作机构的运动精度。作为位移三 阶导数的跃度J和四阶导数的跳度，通常要求控制其最大值Jm或Qm不要超过某一数值。2.2.3 从动件运动规律的选取原则选择凸轮机构从动件运动规律时，速度、载荷条件是必须 满足的基本要求，一般原则可以归纳如下：1）低速轻载和低速中载的机构应选Vm较小的 曲线，因为转速不高，载荷不大，允许其值较大。主要考虑便于加工，选择直线、圆弧等 易于加工的曲线。2）低速重载机构应选Vm较小的曲线，选择时，特性值的参考主次顺序 一般为 Vm、Am、Jm、t m。 3）中速轻载情况，应选用 Am 和 Jm 较小的运动曲线，以保 证从动件运转时的工作精度。 4）大多数自动机械中的凸轮是在中速中载条件下工作的，对 从动件运动规律的值 Vm、Am、Jm、t m 要求是综合性能良好。摆线运动规律、五次项运 动规律等适此类工作条件。5）中速重载情况，宜选用Vm与较小的曲线（AV）m，以改善受 力条件。 6）高速轻载凸轮机构，对特征值的要求大体可按 Vm、Am、Jm、t m 的主次顺 序来考虑。从动件运动规律的选择或设计，涉及到许多因素。除了需要满足机构的具体工 作要求外，还应使凸轮机构具有良好的动力特性，同时又要考虑所设计的凸轮廓线便于加 工，这些因素又往往是互相制约的。因此在选择或设计运动规律时，必须根据使用场合、 工作条件等分清主次，综合考虑。 2.2.4基本尺寸设计凸轮机构基本尺寸的设计问题是在给 定从动件运动规律和许用压力角的条件下寻求一组适用的尺寸，从而使设计的凸轮机构性 能佳，滚子摆动盘形凸轮机构主要设计参数有：压力角a、基圆半径rO、中心距a和摆杆 长度 l 等。在推程中，凸轮要克服工作阻力及运动副中的摩擦力，为提高凸轮机构传力效果，希望机构在推程中压力角尽量小。一般来讲，这些10 参数的选择，除应保证使从动件能够准确地实现预期的运动规律外，还应当使机构具有 良好的受力状况和紧凑的尺寸。如果这些参数选择不当，将会影响凸轮机构正常工作。因 此，在设计凸轮机构时，压力角a、基圆半径r、中心距a,摆杆转动角度?，以及推程角 之间就需要相互协调，寻求最佳匹配尺寸。对于这类问题，最常用的是优化设计法。2.2.4.1 凸轮机构压力角和基圆半径凸轮压力角是从动件运动（速度）方向与传动轴线方向之间的夹 角。压力角是衡量凸轮机构传力特性好坏的一个重要参数。从减小推力、避免自锁，使机 构具有良好的受力状况来看，压力角应越小越好。同时设计凸轮机构时，除了使机构具有 良好的受力状况外，还希望机构结构紧凑。在实现相同运动规律的情况下，基圆半径越大， 凸轮的尺寸也越大。因此，要获得轻便紧凑的凸轮机构，就应当使基圆半径尽可能地小。