一种车辆旋转式机电转换换挡机构

技术领域

本发明涉及一种换挡机构，特别涉及一种车辆旋转式机电转换换挡机构。

背景技术

旋转式机械换挡机构因其旋转工作的特点，广泛应用于车辆液力变速传动机构，将变速箱液压油路与旋转式机械换挡机构接通，通过换挡机构内部液压阀体的转动，控制不同油路通断，从而切换变速箱的输出工况，实现变速操作。随着车辆传动技术的发展以及新环境、新形势下对车辆的低温适应性要求，此种液压旋转式机械换挡机构已不能满足使用要求。

机电转换换挡机构区别于液压式机械换挡机构，其本身与变速箱没有直接联系，它采用先进的计算机控制技术，按照信号采集、信号处理和终端执行的工作模式，通过收集电控换挡机构挡位信号、变速箱转速信号、温度信号、压力信号等性能参数并进行集中分析计算，来实现对变速箱的精准控制。

机电转换换挡机构在应用时，如何保证其有清晰换挡手感反馈、明确的挡位指示和稳定的挡位状态输出，避免发生主观的误操作、挡位输出错误等故障，保护变速箱，保证车辆变速操纵系统运行的稳定性和可靠性便是首要任务，因此，机电转换机构则是车辆机电转换换挡机构设计的重点内容。除此之外，为满足车辆使用群体对机电转换换挡机构的接受度，降低其对新装备的上手难易度，换挡操作方式的继承性也是车辆机电转换换挡机构必须要考虑的内容。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种换挡手感鲜明、误操作率低、上手容易的车辆旋转式机电转换换挡机构。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种车辆旋转式机电转换换挡机构，包括外罩，外罩内安装2个同轴布置的深沟球轴承，还包括单轴双自由度操纵机构、换挡力输出机构、挡位锁止限位机构，所述外罩顶部连接顶盖，外罩底部经传感器安装板后连接底座，2个同轴设置的深沟球轴承固定在外罩内，单轴双自由度操纵机构贯穿深沟球轴承中，带动换挡力输出机构和挡位锁止限位机构联合运动，从而产生挡位切换手感；底座外圆周上安装出线座，电连接器通过出线座与外罩连接，用于电源输入和挡位信号输出；所述传感器安装板上设有8个霍尔式接近开关，分别对应6前1倒1空共计8个挡位，霍尔式接近开关连接电路板，电路板收集8个挡位的霍尔式接近开关信号，经出线座通过电连接器进行集中输出。

上述车辆旋转式机电转换换挡机构，所述单轴双自由度操纵机构包括转轴、尼龙轴套、直线滑动轴承及卡盘；所述深沟球轴承内圈安装旋转盘，旋转盘内圈安装直线滑动轴承；所述转轴顶部穿过顶盖与手柄连接；转轴中部穿过直线滑动轴承，转轴底部穿过设置在底座中间的尼龙轴套；所述卡盘与转轴下部间隙配合，卡盘与旋转盘紧固，卡盘上设有感应螺钉；单轴双自由度操纵机构带动卡盘转动，卡盘上的感应螺钉旋转到对应挡位霍尔式接近开关下进行感应，并输出对应挡位信号。

上述车辆旋转式机电转换换挡机构，所述换挡力输出机构包括第一六角螺塞、第二六角螺塞、弹簧座、定位弹簧、限位弹簧；所述顶盖安装在外罩上，顶盖高度方向对称布置4个阶梯通孔，阶梯通孔中安装第一六角螺塞，第一六角螺塞螺纹端与定位弹簧一端固定连接，定位弹簧另一端放置第一钢球，第一钢球顶在旋转盘端面，阶梯通孔底部采用过盈配合安装钢球阀座，钢球阀座内侧与第一钢球接触，对第一钢球导向；顶盖径向对称布置2个第一阶梯孔，第一阶梯孔上安装弹簧座，第二六角螺塞安装在弹簧座上，第二六角螺塞螺纹端与限位弹簧一端固定连接，限位弹簧另一端放置第二钢球，第二钢球顶在转轴对应第二V型钢球槽中；所述旋转盘外圆与2个深沟球轴承配合，旋转盘内部设置第二阶梯孔，并在第二阶梯孔的阶梯端面设置4个螺纹孔，用于安装直线滑动轴承并与卡盘固定，旋转盘端面设置了10个均布的第一V型钢球槽，对应于顶盖的4个阶梯通孔；所述转轴在对应外圆位置设置3个连续的第二V型钢球槽，代表电控换挡机构3个不同挡位功能层，即空挡锁止层、前进挡限位层和倒挡限位层。

上述车辆旋转式机电转换换挡机构，所述挡位锁止限位机构包括限位销、传感器安装板、前进挡限位盘和倒挡限位盘，传感器安装板、前进挡限位盘和倒挡限位盘从上往下依次堆叠并通过螺钉紧固，所述限位销安装在转轴对应位置，使限位销在空挡锁止层、前进挡限位层和倒挡限位层时分别处于传感器安装板、前进挡限位板和倒挡限位板的异型槽中，从而限制其在空挡锁止层、前进挡限位层和倒挡限位层的旋转自由度，分别为无法转动、只能顺时针转动、只能逆时针转动；所述传感器安装板利用中间冗余空间，通过配合限位销在空挡锁止层所处位置设计凹槽，从而集成了空挡锁止功能。

上述车辆旋转式机电转换换挡机构，所述外罩与顶盖的连接面、外罩与传感器安装板的连接面、传感器安装板与底座的连接面均采用橡胶密封垫进行密封，其余间隙部分通过防尘套、O型密封圈或圆形橡胶条进行密封；底座四周均设有橡胶减震垫。

上述车辆旋转式机电转换换挡机构，所述顶盖与手柄之间设有档位指示板，档位指示板固定在顶盖上，档位指示板上根据各挡位机械位置及手柄长端朝向进行刻字和刻线标识。

上述车辆旋转式机电转换换挡机构，所述转轴、旋转盘、卡盘、弹簧座、钢球阀座采用高强度合金结构钢40Cr，且均采用软氮化和镀镍处理；限位销采用合金结构钢38CrSi；手柄内部为不锈钢材质，外部为隔热材料；其余零部件均采用高强度铝合金材料。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的旋转式机电转换换挡机构采用8个非接触式霍尔式接近开关来传输挡位信号，采用传感器安装板作为电气与机械模块的分隔板，使得整体机构分为机械和电器上下两个模块，且两个模块互不干涉，增强了机构的稳定性和可靠性。

2、本发明的旋转式机电转换换挡机构采用2个深沟球轴承和1个直线滑动轴承，使得机构整体绕Z轴的转动自由度和沿Z轴的滑动自由度灵活可靠，且在转轴的上中下三个位置均有轴向导向，整体结构强度高、刚性好；在竖直方向上，转轴上部采用对称的2个第二钢球和限位弹簧用于换挡手感发生和轴向定位，中部用1个直线滑动轴承来做轴向定位，底部用一个尼龙套筒做轴向定位和润滑，保证了转轴转动和竖直方向移动的灵活性和稳定性。

3、本发明设计定位弹簧顶第二钢球的换挡力输出机构，在相应的旋转盘零件上均布设计了10个钢球孔，同一挡位有4个对称分布的钢球参与换挡手感的产生，换挡手感均匀，反馈良好。

4、本发明对各功能区进行了划分，将旋转换挡和上下功能挡位切换手感机构集成设计，产品整体体积较小，布局紧凑，高温、低温、湿热、振动、冲击等性能完全满足军标要求。

5、本发明的主要承载及配合部件（转轴、旋转盘、卡盘、弹簧座、钢球阀座）均采用软氮化和镀镍处理，提高了配合零件的强度、耐磨性及防腐性能；连接面均采用橡胶密封垫进行密封，其余间隙部分通过防尘套、O型密封圈或圆形橡胶条进行密封，外部喷涂防腐油漆，具有良好的可靠性和环境适应性，能满足不同工况的使用要求，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图2的B-B剖视图。

图5为单轴双自由度操纵机构的结构放大图。

图6为卡盘的结构示意图。

图7为顶盖的俯视图。

图8为旋转盘的结构示意图。

图9为挡位锁止限位机构的结构放大图。

图10为各层限位盘的结构示意图。

图11为霍尔式接近开关的电路连接原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-图4所示，一种车辆旋转式机电转换换挡机构，包括外罩1，外罩1内安装2个同轴布置的深沟球轴承，还包括单轴双自由度操纵机构、换挡力输出机构、挡位锁止限位机构，所述外罩1顶部连接顶盖2，外罩1底部经传感器安装板3后连接底座4，2个同轴设置的深沟球轴承固定在外罩1内，单轴双自由度操纵机构贯穿深沟球轴承中，带动换挡力输出机构和挡位锁止限位机构联合运动，从而产生挡位切换手感；底座4外圆周上安装出线座5，电连接器通过出线座5与外罩1连接，用于电源输入和挡位信号输出；所述传感器安装板3上呈环形设有8个霍尔式接近开关6，分别对应6前1倒1空共计8个挡位，同时，传感器安装板3作为电气与机械模块的分隔板，使得整体机构分为机械和电器上下两个模块，且两个模块互不干涉，增强了机构的稳定性和可靠性；霍尔式接近开关6连接电路板7，电路板7收集8个挡位的霍尔式接近开关6信号，经出线座5通过电连接器进行集中输出。

所述外罩1与顶盖2的连接面、外罩1与传感器安装板3的连接面、传感器安装板3与底座4的连接面均采用橡胶密封垫8进行密封，其余间隙部分通过防尘套、O型密封圈或圆形橡胶条进行密封；底座4四周均设有橡胶减震垫9进行减震处理。

所述顶盖2与手柄之间设有档位指示板10，档位指示板10固定在顶盖2上，档位指示板10上根据各挡位机械位置及手柄16长端朝向进行刻字和刻线标识，并将其描红色涂料，增强辨识度。

如图5-图8所示，所述单轴双自由度操纵机构包括转轴11、尼龙轴套12、直线滑动轴承13及卡盘14；所述深沟球轴承内圈安装旋转盘15，旋转盘15内圈安装直线滑动轴承13；所述转轴11顶部穿过顶盖2后通过平键和螺栓与手柄16连接，用以传递旋转力矩和上下移动力；转轴11中部穿过直线滑动轴承13，转轴11底部穿过设置在底座4中间的尼龙轴套12，实现整个轴向的导向作用；所述卡盘14通过其类似六方对边的结构与转轴11下部小间隙配合，使其既能带动卡盘14做同轴旋转，又能相对卡盘14沿其轴向做上下滑动，另外，卡盘14与旋转盘15紧固，进而带动换挡力输出机构联动，以此来保证转轴11既能带动卡盘14、直线滑动轴承13和旋转盘15做灵活的同轴转动，也能相对上述三种零件做灵活的竖向滑动，实现双自由度换挡操作；卡盘14上设有用于安装感应螺钉28的感应螺钉安装孔17；单轴双自由度操纵机构带动卡盘14转动，卡盘14上的感应螺钉28旋转到对应挡位霍尔式接近开关6下进行感应，并输出对应挡位信号。

所述换挡力输出机构包括第一六角螺塞、第二六角螺塞18、弹簧座19、定位弹簧20、限位弹簧21；所述顶盖2安装在外罩1上，顶盖2高度方向对称布置4个阶梯通孔22，阶梯通孔22中安装第一六角螺塞，第一六角螺塞螺纹端与定位弹簧20一端固定连接，定位弹簧20另一端放置第一钢球，第一钢球顶在旋转盘15端面，阶梯通孔22底部采用过盈配合安装钢球阀座23，钢球阀座23内侧与第一钢球接触，对第一钢球导向；顶盖2径向对称布置2个第一阶梯孔24，第一阶梯孔24上安装弹簧座19，第二六角螺塞18安装在弹簧座19上，第二六角螺塞18螺纹端与限位弹簧21一端固定连接，限位弹簧21另一端放置第二钢球，第二钢球顶在转轴11对应第二V型钢球槽中；所述旋转盘15外圆与2个深沟球轴承配合，旋转盘15内部设置第二阶梯孔，并在第二阶梯孔的阶梯端面设置4个螺纹孔，用于安装直线滑动轴承13并与卡盘14固定，旋转盘15端面设置了10个均布的第一V型钢球槽，对应于顶盖2的4个阶梯通孔22；所述转轴11在对应外圆位置设置3个连续的第二V型钢球槽，代表电控换挡机构3个不同挡位功能层，即空挡锁止层、前进挡限位层和倒挡限位层。初始时具备一定预压力，当旋转手柄16或上下移动手柄16时，对应钢球槽会带动对应钢球压紧对应弹簧，从而产生换挡力输出，并反馈到手柄16上。4个定位弹簧20和2个限位弹簧21分别作为旋转换挡和竖直方向功能挡位切换的换挡力发生源，定位弹簧20和限位弹簧21产生一定的预压力，当切换挡位时，转轴11竖直方向移动或旋转盘15转动，会带动对应钢球压紧对应弹簧，切换到下一挡位时，对应钢球又会重新回到对应新挡位的钢球槽中，从而产生换挡手感。

由图5-图8可知，所述单轴双自由度操纵机构在手柄16带动转轴11进行旋转换挡时，转轴11带动卡盘14同轴转动，卡盘14与旋转盘15固定，从而一起与转轴11做同轴转动，这样旋转盘15顶部4个顶住第一钢球的钢球孔30变化，从而压缩定位弹簧20产生旋转换挡手感；

同样的，所述单轴双自由度操纵机构在手柄16带动转轴11进行上下切换功能挡位时，转轴11在直线滑动轴承13、尼龙轴套12的导向作用下上下滑动，此时径向对称分布的2个第二钢球会切换到转轴11上不同的第二V型钢球槽内，这个过程中会压缩限位弹簧21，从而产生上下切换功能挡位的手感。

如图9、图10所示，所述挡位锁止限位机构包括限位销25、传感器安装板3、前进挡限位盘26和倒挡限位盘27，传感器安装板3、前进挡限位盘26和倒挡限位盘27从上往下依次堆叠并通过螺钉紧固，传感器安装板3上开有传感器安装板安装孔31、前进挡限位盘安装孔32和接近传感器安装孔33；所述限位销25安装在转轴11对应位置，使限位销25在空挡锁止层、前进挡限位层和倒挡限位层时分别处于传感器安装板3、前进挡限位板和倒挡限位板的异型槽中，从而限制其在空挡锁止层、前进挡限位层和倒挡限位层的旋转自由度，分别为无法转动、只能顺时针转动、只能逆时针转动，有效降低了误操作的可能性；所述传感器安装板3利用中间冗余空间，通过配合限位销25在空挡锁止层所处位置设计凹槽，从而集成了空挡锁止功能。

如图9、图10可知，所述挡位锁止限位机构配合上下切换功能挡位操作，在对应位置设置空挡锁止层、前进挡限位层和倒挡限位层，以安装在转轴11适当位置上的限位销25作为锁止或限位零件，通过各层不同的开槽角度，限制其旋转自由度，当且仅当在空挡时才可进行上下层切换。

所述转轴11、旋转盘15、卡盘14、弹簧座19、钢球阀座23采用高强度合金结构钢40Cr，且均采用软氮化和镀镍处理；限位销25采用合金结构钢38CrSi；手柄16内部为不锈钢材质，外部为隔热材料；其余零部件均采用高强度铝合金材料；有效提高结构强度、耐磨及防腐性能，满足车辆恶劣的使用环境要求。

本发明的工作过程如下：

（1）当换挡机构处于空档状态时，且换挡手柄16处于最上层（即无法继续向上提拉）时，换挡手柄16无法执行旋转换挡操作；

（2）当车辆需起步前进时，向下按压换挡手柄16至中间层，然后顺时针依次旋转，此时转轴11会带动旋转盘15和卡盘14做同轴转动，旋转盘15带动第二钢珠，压缩限位弹簧21并产生换挡手感，卡盘14上感应螺钉则转动到对应挡位霍尔式接近开关6下，当前霍尔式接近开关6接通，输出高电平信号，完成换挡操作；

（3）当车辆需倒退时，首先将换挡机构切换至空挡，然后继续按压手柄16切换至最下层，再逆时针旋转手柄16切换至倒挡（中间层在空挡时无法逆时针旋转）。