引言

汽车换档总成是汽车的重要部分，使用频率高，其性能的优劣直接影响汽车动力输出的特性和汽车驾驶的安全性，是决定汽车操控性的主要指标。改善汽车的换档机构，提高汽车操作的灵活性、可靠性，一直是设计和制造部门的重要任务。

自动换档试验机构是根据汽车换档机构性能和耐久试验的要求而设计，为非标设备，可根据试验项目调整试验动作，可实现换档操控机构的换档力、换档冲击、选换档间隙、换档寿命等试验，自动化程度高，应用范围广。

整体结构

自动换档试验机构的整体结构如图1所示，执行机构如图2所示。执行机构动作如下：

（1）两个伺服电动机①和②分别驱动1个行星减速机③。

（2） 行星减速机再分别带动1个转矩传感器④。

（3）转矩传感器通过联轴器⑤分别带动驱动轴⑥和⑦转动。

（4）驱动板⑧和⑨安装在驱动轴上，可随之一起旋转。

（5）驱动板通过连接杆11带动安装在换档杆安装座12上的换档杆13一起旋转，实现换档动作。

在每个旋转方向上，驱动板⑧或⑨、连接杆11和换档杆13都组成一个曲柄连杆机构。为实现两套曲柄连杆机构的叠加，驱动板间的连接件均为双向旋转块10。

为适应不同车辆，连接杆11在两个方向上的长度均可调整。为防止整套设备出现过定位而卡死现象，换档杆安装座12和换档杆13之间相当于铰接，可相对旋转。

为延长设备使用寿命，并使结构更加紧凑，所有旋转轴均使用无油衬套代替滚珠轴承。

关键参数的确定

根据关于人体操纵力的国家标准：GB/T14775-93《操纵器一般人体功效学规定》，最佳操纵力范围是5～20 N。同时查阅相关资料得出，性能合格的换档杆操纵力一般小于30 N，但考虑到此机构也可完成换档杆的其他性能试验，以及换档过程中的冲击等现象，机构的输出力设计值为60 N。

因需要控制摆动的速度和力值大小，故选用伺服电动机。减速机选用行星减速机，具有传动比大、传动效率高、结构紧凑等优点。为更好控制换档力的大小，减速机后装有转矩传感器。

 操纵力按F=60 N设计，摆臂半径设计值为：r=0.25 m，减速机减速比选用两级最大减速比即：i=64。

依据公式电动机输出转矩：T=F×r÷i，电动机额定转速为n=3 000 r/min。

换档杆处的最大直线速度为：v=n÷60÷i×r=0.195 m/s，满足试验的速度要求。

为避免试验冲击过程中转矩传感器损坏，量程选50 N·m。

根据以上公式计算，外购件选型和主要参数见表所示。

换档程序界面及控制原理

自动换档主界面如图3所示。换档界面功能如下：状态栏主要显示当前X、Y轴位置绝对坐标、相对坐标和当前X、Y轴实时转矩。栏目中坐标是指当前的绝对坐标，栏目中标准坐标是指当前相对坐标。

模式栏里包括手动模式和自动模式。手动模式，可以在界面中通过点动X、Y轴正转或反转控制X、Y向电动机进行手动换档。自动模式，用户可以通过点动换档操作界面中的1～10档、倒档、空档来实现自动换档。

“请输入当前档位”是指机器开机时，系统会无法获知当前的具体档位是多少，需要用户选中当前对应的档位，以便程序计算当前的相对坐标。

换档设置栏目的作用是记录变速器的档位坐标。用户首先点击开始按钮，模式切换为手动，然后通过X、Y轴点动使档把移动到每一档位，每到一个N档位时，在对应N档位点击N档位确认按钮，直到完成所有的档位，最后点击结束按钮。对应同一个试件，只需要确认一次档位信息即可。

换档操作栏目在处于自动模式时点击相应的档位，即可完成换档操作，到达对应档位时，点击的档位按钮前部的选项提示框会有提示。

“故障复位”按钮在系统常出现故障时，点击可复位驱动器故障。“Stop”按钮在换档发生异常时，点击可停止伺服电动机所有动作。“R”按钮在点击“Stop”按钮后，伺服停止所有动作，如果需要继续操作换档，在故障排除后点击“R”按钮，可使系统继续操作。点击“参数设置”按钮，会弹出伺服设定界面，如图4所示。

伺服设定界面功能如下：X轴伺服常速是指在自动模式下，X伺服电动机的运行速度，单位是pulse/s。X轴伺服点动是指处于点动模式时，X伺服电动机的点动速度。Y轴同X轴类似。

AI设置栏目里，X轴工程量上限和下限是指X轴转矩传感器对应的测量最大值和最小值，Y轴类同。保护设置栏目里，X轴正向保护和反向保护是指X轴正转时和反转时转矩的限制值，到达该转矩所有电动机停止运动，从而保护设备不被损坏，Y轴类同。

自动换档上位机软件本身可以作为一个单独的控制实验软件，也可作为其他试验台软件的一个功能，以插件的形式和试验台软件结合在一起。上位机软件通过调用自动换档软件的DLL文件，实现手动换档和自动换档。通过DLL文件调用实现自动换档，可实现软件多人协作开发，可以多种编程语言混用。

结束语

自动换档试验机构已设计、制造并调试完成并运行数月，其各项性能均能达到既定目标。自动换档试验机构既满足了换档机构试验的功能性和可靠性要求，又使整个系统高效而易于扩展。