CN105045981B - 弹簧‑档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法 - Google Patents

弹簧‑档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种弹簧‑档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法,包括以下步骤:步骤S1:不考虑摩擦功,根据给定的扭矩‑角度曲线及能量法直接求弹簧压缩量的变化量Δs,所述扭矩‑角度曲线中扭矩为所述弹簧‑档销结构开关的系统所受的扭矩T,角度为档销转过的角度δ;步骤S2:考虑摩擦功,对所述弹簧压缩量的变化量Δs进行迭代修正得到弹簧压缩量的变化量修正值Δsk;步骤S3:由所述弹簧压缩量的变化量修正值Δsk确定最终的档位槽轮廓曲线。本发明采用能量法以及迭代的方法来进行设计求解,设计出弹簧‑档销结构开关档位槽轮廓线,再进行生产。本发明不同于传统档位槽轮廓实物模型制作‑反复修改的开发模式,具有开发周期短、成本低、对工程师经验依赖少的优点。

Description

弹簧-档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法
技术领域
本发明涉及一种弹簧-档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法。
背景技术
以往在设计开关时,往往是根据理论扭矩-角度曲线,设计初步实现结构,根据工程师经验设计实现理论扭矩-角度曲线的档位槽轮廓曲线,设计完成后需要经过多轮开关实物模型制作-功能验证-设计修改循环方可最终确定设计数据。开关传统开发模式对工程师经验要求较高,需要有类似产品的设计经验,否则无从入手;反复次数较多,风险相对较大,开发周期长,成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种弹簧-档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法,采用能量法以及迭代的方法来进行设计求解,设计出弹簧-档销结构开关档位槽轮廓线,再进行生产,减少了对工程师经验要求,并且也减少了无理论依据反复修改的风险。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种弹簧-档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法,提供一弹簧-档销结构开关,所述弹簧-档销结构开关的外壳内设置有一档位槽,所述档位槽内设置有一轴,所述轴可由一手柄驱动绕轴心旋转,所述轴的径向设置有一圆孔,所述圆孔内设置有一档销,所述档销顶部为一半圆头,所述档销内设置有一弹簧,所述档销通过所述弹簧的弹簧力保持与所述档位槽轮廓曲线接触,其特征在于包括以下步骤:
步骤S1:不考虑摩擦功,根据给定的扭矩-角度曲线及能量法直接求弹簧压缩量的变化量Δs,所述扭矩-角度曲线中扭矩为所述弹簧-档销结构开关的系统所受的扭矩T,角度为档销转过的角度δ;
步骤S2:考虑摩擦功,对所述弹簧压缩量的变化量Δs进行迭代修正得到弹簧压缩量的变化量修正值Δsk
步骤S3:由所述弹簧压缩量的变化量修正值Δsk确定最终的档位槽轮廓曲线。
进一步的,所述步骤S1的具体内容如下:
在垂直于所述弹簧-档销结构开关的轴中心线的平面内,以所述轴中心线与该平面的交点为原点O,以所述原点O与档销半圆头顶点初始位置的连线为X轴作平面直角坐标系;
根据能量守恒定理,所述弹簧-档销结构开关的势能ΔEK与外力做功Ws满足平衡关系:
ΔEK=Ws (1)
Ws=WT=∫Tdδ (3)
其中,k为所述弹簧的弹性系数,s为弹簧压缩量,s0为弹簧初始压缩量,T为系统所受的扭矩,WT为扭矩所做的功;
其中,L为弹簧自然长度,L0为簧底深度即弹簧所在孔的底部与原点O之间的距离,rc0为初始位置档销半圆头圆心C到O的距离,rp为档销半圆头半径,D0为弹簧外径;
结合上述公式可得:
弹簧压缩量的变化量Δs为:
进一步的,所述步骤S2的具体内容如下:
rc=rc0-Δs (6)
其中,rc为档销半圆头圆心C到原点O的距离,此时C点的坐标为:
xc=rc×cosδ (7)
yc=rc×sinδ (8)
将所述C点所在的运动曲线离散化,取n个点,其中xc(i)表示第i个点所在的横坐标,yc(i)表示第i个点所在的纵坐标,1≤i≤n,n为正整数;
第一点处用向前差分得:
最后一点处用向后差分得:
其它点用中心差分得:
其中,τi(i=1,2,…n)为所述档销半圆头与档位槽接触点A的运动曲线的切向角;
φ=τ-90° (12)
其中,φ为接触点A的运动曲线上接触点A处的法向与平面直角坐标系X轴的夹角;此时阻尼力为:
其中c为阻尼系数,ω为转动角速度,Δδ为每次转动角度的变化量;
Δsi表示档销与档位槽第i个接触点弹簧压缩量的变化量;
在档位前半周期即Δsi>Δsi-1时:
在点A、点O和点C所组成的ΔAOC中,由正弦定理:
得:
其中,rA为接触点A到原点O的距离,θ为接触点A与原点O连线和档销半圆头圆心C与原点O连线之间的夹角;
轴与档位槽接触点B的法向力FnB大小为:
FnB=F=k(Δs+s0) (17)
其中F为弹簧力的大小;
接触点A处法向力FnA大小为:
2FnAsin(φ-δ)+FnAcos(φ-δ)-F=0 (18)
系统所受的扭矩T为:
T=FnArAsin(φ-δ-θ)+μ2FnArAcos(φ-δ-θ)+μ1FnBrm (20)
其中,μ2为档销与档位槽之间的摩擦系数,rm为轴的半径,μ1为轴与档位槽之间的摩擦系数;
在档位后半周期即Δsi≤Δsi-1时:
在ΔAOC中,由正弦定理:
得:
其中,rA为接触点A到原点O的距离,θ为接触点A与原点O连线和档销半圆头圆心C与原点O连线之间的夹角;
轴与档位槽接触点B的法向力FnB大小为:
FnB=F=k(Δs+s0) (24)
其中F为弹簧力的大小;
由接触点A处法向力FnA大小为:
μ2FnAsin(δ-φ)+FnAcos(δ-φ)-F=0 (25)
此时系统所受的扭矩为:T=-FnArAsin(δ-φ-θ)+μ2FnArAcos(δ-φ-θ)+μ1Frm (27)
其中,μ2为档销与档位槽之间的摩擦系数,rm为轴的半径,μ1为轴与档位槽之间的摩擦系数;
B点处摩擦功Wf1为:Wf1=∫μ1Frmdδ (28)
接触点A处摩擦功Wf2为:Wf2=∫μ2FnAds (29)
阻尼力做功Wc为:Wc=∫Fcds (30)
考虑摩擦的合外力功Wz为:Wz=WT-Wf1-Wf2-Wc (31)
根据考虑摩擦的合外力功得到势能改变量,进而确定出新的弹簧压缩量snew为:
考虑摩擦的弹簧压缩量变化量Δsnew为:
Δsnew=snew-s0 (33)
弹簧压缩量变化量修正值Δsk为:
Δsk=Δs+ρ(Δsnew-Δs) (34)
其中,ρ为松弛系数;
若|Δsk-Δs|≥0.001mm,则令Δs=Δsk重新代入式(6)—(34),否则输出Δsk
进一步的,所述步骤S3的具体内容如下:
将步骤S2输出的弹簧压缩量的变化量修正值Δsk再次代入公式(6)-(8),得到C点的坐标为:xc=rc×cosδ (35)
yc=rc×sinδ (36)
所述接触点A点的坐标为:xA=xc+rpcosφ (37)
yA=yc+rpsinφ (38)
由所述接触点A的坐标在所述平面直角坐标系中绘制出所述档位槽轮廓曲线。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:本发明根据提供的扭矩-角度曲线,采用能量法以及迭代的方法来进行设计求解,设计出弹簧-档销结构开关档位槽轮廓线,再进行生产,减少了对工程师经验要求,并且也减少了无理论依据反复修改的风险,缩短了开发周期,提高了设计效率。
附图说明
图1是本发明弹簧-档销结构开关结构示意图。
图2是本发明弹簧-档销结构开关的剖视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是本发明流程图。
图5是本发明档位槽轮廓曲线受力示意图。
图6是本发明档位槽轮廓曲线几何参数示意图。
图7是本发明一实施例的扭矩-角度曲线。
图8是本发明一实施例的三档位结构开关轮廓曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1、图2、图3及图5,本发明提供一种弹簧-档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法,提供一弹簧-档销结构开关,所述弹簧-档销结构开关的外壳1内壁设置有一档位槽2,所述档位槽2内设置有一轴3,所述轴3可由一手柄(图中未示意)驱动绕轴心旋转,所述轴3的径向设置有一圆孔4,所述孔4内设置有一档销5,所述档销5内设置有一弹簧6,所述档销5的顶部与所述档位槽2轮廓曲线接触,所述弹簧-档销结构开关可根据需要设置一到多个档位,图8所示实施例为三个档位的结构开关轮廓曲线示意图,从第0波谷到第3波谷共有4个波谷位置,相邻波谷之间为1个档位周期,总共有3个档位;起始时,档销5处于档位槽2的第0波谷位置(档销5套在弹簧6上并置于轴3上的圆孔4内),弹簧6处于压缩量最小的位置,转动轴3,弹簧6的压缩量随着档销5和档位槽2轮廓曲线的接触不同而变化,档位槽2轮廓曲线不同,力值曲线也不同,从而获得所需要的开关手感。
请参照图4,本发明所述的弹簧-档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法包括以下步骤:
步骤S1:不考虑摩擦功,根据给定的扭矩-角度曲线(如图7是本发明一实施例的扭矩-角度曲线示意图)及能量法直接求弹簧压缩量的变化量Δs,所述扭矩-角度曲线中扭矩为所述弹簧-档销结构开关的系统所受的扭矩T,角度为档销转过的角度δ,具体内容如下:
请参照图6,在垂直于所述弹簧-档销结构开关的轴中心线的平面内,以所述轴中心线31与该平面的交点为原点O,以所述原点O与档销半圆头顶点初始位置的连线为X轴作平面直角坐标系;
根据能量守恒定理,所述弹簧-档销结构开关的势能ΔEK与外力做功Ws满足平衡关系:
ΔEK=Ws (1)
Ws=WT=∫Tdδ (3)
其中,k为所述弹簧的弹性系数,s为弹簧压缩量,s0为弹簧初始压缩量,T为系统所受的扭矩,WT为扭矩所做的功;
其中,L为弹簧自然长度,L0为簧底深度即弹簧所在孔的底部与原点O之间的距离,rc0为初始位置档销半圆头圆心C到O的距离,rp为档销半圆头半径,D0为弹簧外径,各参数具体请看图6。
结合上述公式可得:
弹簧压缩量的变化量Δs为:
步骤S2:考虑摩擦功,对所述弹簧压缩量的变化量Δs进行迭代修正得到弹簧压缩量的变化量修正值Δsk,具体内容如下:
rc=rc0-Δs (6)
其中,rc为档销半圆头圆心C到原点O的距离,此时C点的坐标为:
xc=rc×cosδ (7)
yc=rc×sinδ (8)
将所述C点所在的运动曲线离散化,取n个点,其中xc(i)表示第i个点所在的横坐标,yc(i)表示第i个点所在的纵坐标,1≤i≤n,n为正整数;
第一点处用向前差分得:
最后一点处用向后差分得:
其它点用中心差分得:
其中,τi(i=1,2,…n)为所述档销半圆头与档位槽接触点A的运动曲线的切向角;
φ=τ-90° (12)
其中,φ为接触点A的运动曲线上接触点A处的法向与平面直角坐标系X轴的夹角;即图6中AC所在直线与X轴的夹角;
此时阻尼力为:
其中c为阻尼系数,ω为转动角速度,Δδ为每次转动角度的变化量;
Δsi表示档销与档位槽第i个接触点弹簧压缩量的变化量;
在档位前半周期即Δsi>Δsi-1时:
在点A、点O和点C所组成的ΔAOC中,由正弦定理:
得:
其中,rA为接触点A到原点O的距离,θ为接触点A与原点O连线和档销半圆头圆心C与原点O连线之间的夹角,即图6中的∠AOC;
轴与档位槽接触点B的法向力FnB大小为:
FnB=F=k(Δs+s0) (17)
其中F为弹簧力的大小;
接触点A处法向力FnA大小为:
2FnAsin(φ-δ)+FnAcos(φ-δ)-F=0 (18)
系统所受的扭矩T为:
T=FnArAsin(φ-δ-θ)+μ2FnArAcos(φ-δ-θ)+μ1FnBrm (20)
其中,μ2为档销与档位槽之间的摩擦系数,rm为轴的半径,μ1为轴与档位槽之间的摩擦系数;
在档位后半周期即Δsi≤Δsi-1时:
在ΔAOC中,由正弦定理:
得:
其中,rA为接触点A到原点O的距离,θ为接触点A与原点O连线和档销半圆头圆心C与原点O连线之间的夹角;
轴与档位槽接触点B的法向力FnB大小为:
FnB=F=k(Δs+s0) (24)
其中F为弹簧力的大小;
由接触点A处法向力FnA大小为:
μ2FnAsin(δ-φ)+FnAcos(δ-φ)-F=0 (25)
此时系统所受的扭矩为:T=-FnArAsin(δ-φ-θ)+μ2FnArAcos(δ-φ-θ)+μ1Frm (27)
其中,μ2为档销与档位槽之间的摩擦系数,rm为轴的半径,μ1为轴与档位槽之间的摩擦系数;
B点处摩擦功Wf1为:Wf1=∫μ1Frmdδ (28)
接触点A处摩擦功Wf2为:Wf2=∫μ2FnAds (29)
阻尼力做功Wc为:Wc=∫Fcds (30)
考虑摩擦的合外力功Wz为:Wz=WT-Wf1-Wf2-Wc (31)
根据考虑摩擦的合外力功得到势能改变量,进而确定出新的弹簧压缩量snew为:
考虑摩擦的弹簧压缩量变化量Δsnew为:
Δsnew=snew-s0 (33)
弹簧压缩量变化量修正值Δsk为:
Δsk=Δs+ρ(Δsnew-Δs) (34)
其中,ρ为松弛系数,且ρ的取值范围为0到1;
若|Δsk-Δs|≥0.001mm,则令Δs=Δsk重新代入式(6)—(34),否则输出Δsk
在档位前半周期即Δsi>Δsi-1时:
在点A、点O和点C所组成的ΔAOC中,由正弦定理:
得:
其中,rA为接触点A到原点O的距离,θ为接触点A与原点O连线和档销半圆头圆心C与原点O连线之间的夹角,即图6中的∠AOC;
轴与档位槽接触点B的法向力FnB大小为:
FnB=F=k(Δs+s0) (17)
其中F为弹簧力的大小;
接触点A处法向力FnA大小为:
2FnAsin(φ-δ)+FnAcos(φ-δ)-F=0 (18)
系统所受的扭矩T为:
T=FnArAsin(φ-δ-θ)+μ2FnArAcos(φ-δ-θ)+μ1FnBrm (20)
其中,μ2为档销与档位槽之间的摩擦系数,rm为轴的半径,μ1为轴与档位槽之间的摩擦系数;
在档位后半周期即Δsi≤Δsi-1时:
在ΔAOC中,由正弦定理:
得:
其中,rA为接触点A到原点O的距离,θ为接触点A与原点O连线和档销半圆头圆心C与原点O连线之间的夹角;
轴与档位槽接触点B的法向力FnB大小为:
FnB=F=k(Δs+s0) (24)
其中F为弹簧力的大小;
由接触点A处法向力FnA大小为:
μ2FnAsin(δ-φ)+FnAcos(δ-φ)-F=0 (25)
此时系统所受的扭矩为:T=-FnArAsin(δ-φ-θ)+μ2FnArAcos(δ-φ-θ)+μ1Frm (27)
其中,μ2为档销与档位槽之间的摩擦系数,rm为轴的半径,μ1为轴与档位槽之间的摩擦系数;
B点处摩擦功Wf1为:Wf1=∫μ1Frmdδ (28)
接触点A处摩擦功Wf2为:Wf2=∫μ2FnAds (29)
阻尼力做功Wc为:Wc=∫Fcds (30)
考虑摩擦的合外力功Wz为:Wz=WT-Wf1-Wf2-Wc (31)
根据考虑摩擦的合外力功得到势能改变量,进而确定出新的弹簧压缩量snew为:
考虑摩擦的弹簧压缩量变化量Δsnew为:
Δsnew=snew-s0 (33)
弹簧压缩量变化量修正值Δsk为:
Δsk=Δs+ρ(Δsnew-Δs) (34)
其中,ρ为松弛系数,且ρ的取值范围为0到1;
若|Δsk-Δs|≥0.001mm,则令Δs=Δsk重新代入式(6)—(34),否则输出Δsk
步骤S3:由所述弹簧压缩量的变化量修正值Δsk确定最终的档位槽轮廓曲线,具体内容如下:
将步骤S2输出的弹簧压缩量的变化量修正值Δsk再次代入公式(6)-(8),得到C点的坐标为:xc=rc×cosδ (35)
yc=rc×sinδ (36)
所述接触点A点的坐标为:xA=xc+rpcosφ (37)
yA=yc+rpsinφ (38)
由所述接触点A的坐标在所述平面直角坐标系中绘制出所述档位槽轮廓曲线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种弹簧-档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法,提供一弹簧-档销结构开关,所述弹簧-档销结构开关的外壳内设置有一档位槽,所述档位槽内设置有一轴,所述轴可由一手柄驱动绕轴心旋转,所述轴的径向设置有一圆孔,所述圆孔内设置有一档销,所述档销顶部为一半圆头,所述档销内设置有一弹簧,所述档销通过所述弹簧的弹簧力保持与所述档位槽轮廓曲线接触,其特征在于包括以下步骤:
步骤S1:不考虑摩擦功,根据给定的扭矩-角度曲线及能量法直接求弹簧压缩量的变化量Δs,所述扭矩-角度曲线中扭矩为所述弹簧-档销结构开关的系统所受的扭矩T,角度为档销转过的角度δ;
步骤S2:根据考虑摩擦的合外力功得到弹簧压缩量的变化量Δsnew,根据公式Δsk=Δs+ρ(Δsnew-Δs)得到弹簧压缩量的变化量修正值Δsk,其中ρ为松弛系数,若|Δsk-Δs|≥0.001mm,则令Δs=Δsk重新代入进行迭代修正,否则输出Δsk
步骤S3:由所述弹簧压缩量的变化量修正值Δsk确定最终的档位槽轮廓曲线。
2.根据权利要求1所述的弹簧-档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法,其特征在于:所述步骤S1的具体内容如下:
在垂直于所述弹簧-档销结构开关的轴中心线的平面内,以所述轴中心线与该平面的交点为原点O,以所述原点O与档销半圆头顶点初始位置的连线为X轴作平面直角坐标系;
根据能量守恒定理,所述弹簧-档销结构开关的势能ΔEK与外力做功Ws满足平衡关系:
ΔEK=Ws (1)
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;E</mi> <mi>K</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msup> <mi>ks</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msubsup> <mi>ks</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
Ws=WT=∫Tdδ (3)
其中,k为所述弹簧的弹性系数,s为弹簧压缩量,s0为弹簧初始压缩量,T为系统所受的扭矩,WT为扭矩所做的功;
<mrow> <msub> <mi>s</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msqrt> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>r</mi> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>D</mi> <mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中,L为弹簧自然长度,L0为簧底深度即弹簧所在孔的底部与原点O之间的距离,rc0为初始位置档销半圆头圆心C到O的距离,rp为档销半圆头半径,D0为弹簧外径;
结合上述公式可得:
弹簧压缩量的变化量Δs为:
3.根据权利要求2所述的弹簧-档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法,其特征在于:所述步骤S2的具体内容如下:
rc=rc0-Δs (6)
其中,rc为档销半圆头圆心C到原点O的距离,此时C点的坐标为:
xc=rc×cosδ (7)
yc=rc×sinδ (8)
将所述C点所在的运动曲线离散化,取n个点,其中xc(i)表示第i个点所在的横坐标,yc(i)表示第i个点所在的纵坐标,1≤i≤n,n为正整数;
第一点处用向前差分得:
<mrow> <msub> <mi>tan&amp;tau;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
最后一点处用向后差分得:
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其它点用中心差分得:
<mrow> <msub> <mi>tan&amp;tau;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>11</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中,τi(i=1,2,…n)为所述档销半圆头与档位槽接触点A的运动曲线的切向角;
φ=τ-90° (12)
其中,φ为接触点A的运动曲线上接触点A处的法向与平面直角坐标系X轴的夹角;此时阻尼力为:
其中c为阻尼系数,ω为转动角速度,Δδ为每次转动角度的变化量;
Δsi表示档销与档位槽第i个接触点弹簧压缩量的变化量;
在档位前半周期即Δsi>Δsi-1时:
在点A、点O和点C所组成的ΔAOC中,由正弦定理:
<mrow> <mfrac> <msub> <mi>r</mi> <mi>P</mi> </msub> <mrow> <mi>sin</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>r</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>r</mi> <mi>A</mi> </msub> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>14</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
得:
<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>r</mi> <mi>P</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>16</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中,rA为接触点A到原点O的距离,θ为接触点A与原点O连线和档销半圆头圆心C与原点O连线之间的夹角;
轴与档位槽接触点B的法向力FnB大小为:
FnB=F=k(Δs+s0) (17)
其中F为弹簧力的大小;
接触点A处法向力FnA大小为:
2FnAsin(φ-δ)+FnAcos(φ-δ)-F=0 (18)
<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>F</mi> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>19</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
系统所受的扭矩T为:
T=FnArAsin(φ-δ-θ)+μ2FnArAcos(φ-δ-θ)+μ1FnBrm (20)
其中,μ2为档销与档位槽之间的摩擦系数,rm为轴的半径,μ1为轴与档位槽之间的摩擦系数;
在档位后半周期即Δsi≤Δsi-1时:
在ΔAOC中,由正弦定理:
得:
<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>r</mi> <mi>p</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>sin</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>23</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中,rA为接触点A到原点O的距离,θ为接触点A与原点O连线和档销半圆头圆心C与原点O连线之间的夹角;
轴与档位槽接触点B的法向力FnB大小为:
FnB=F=k(Δs+s0) (24)
其中F为弹簧力的大小;
由接触点A处法向力FnA大小为:
μ2FnA sin(δ-φ)+FnAcos(δ-φ)-F=0 (25)
<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>F</mi> <mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>26</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
此时系统所受的扭矩为:T=-FnArAsin(δ-φ-θ)+μ2FnArAcos(δ-φ-θ)+μ1Frm (27)
其中,μ2为档销与档位槽之间的摩擦系数,rm为轴的半径,μ1为轴与档位槽之间的摩擦系数;
B点处摩擦功Wf1为:Wf1=∫μ1Frmdδ (28)
接触点A处摩擦功Wf2为:Wf2=∫μ2FnAds (29)
阻尼力做功Wc为:Wc=∫Fcds (30)
考虑摩擦的合外力功Wz为:Wz=WT-Wf1-Wf2-Wc (31)
根据考虑摩擦的合外力功得到势能改变量,进而确定出新的弹簧压缩量snew为:
<mrow> <msub> <mi>s</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>e</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>W</mi> <mi>z</mi> </msub> </mrow> <mi>k</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>s</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>32</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
考虑摩擦的弹簧压缩量变化量Δsnew为:
Δsnew=snew-s0 (33)
弹簧压缩量变化量修正值Δsk为:
Δsk=Δs+ρ(Δsnew-Δs) (34)
其中,ρ为松弛系数;
若|Δsk-Δs|≥0.001mm,则令Δs=Δsk重新代入式(6)—(34),否则输出Δsk
4.根据权利要求3所述的弹簧-档销结构开关档位槽轮廓曲线数值设计方法,其特征在于:所述步骤S3的具体内容如下:
将步骤S2输出的弹簧压缩量的变化量修正值Δsk再次代入公式(6)-(8),得到C点的坐标为:xc=rc×cosδ (35)
yc=rc×sinδ (36)
所述接触点A点的坐标为:xA=xc+rpcosφ (37)
yA=yc+rpsinφ (38)
由所述接触点A的坐标在所述平面直角坐标系中绘制出所述档位槽轮廓曲线。
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