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1、汽车驾驶模拟器操纵系统的设计 摘要本文介绍了汽车驾驶模拟器的操纵机构的设计，变速操纵机构的工作原理，传感器的选择及其霍尔开关相关知识。在本课题的开发中，笔者研究的内容主要包含了汽车驾驶模拟器、变速操纵机构和传感器等几个模块。这些模块对整个系统的功能、效果、成本等有着重要有决定作用。关键词：汽车驾驶模拟器 变速操纵机构 传感器 AbstractThis paper presents a vehicle driving simulator of the manipulation of design, speed manipulation of the work of principle, the
2、choice of sensor and the Hall switch knowledge. In the development of this topic, the author of the study include the main vehicle driving simulator, speed sensor and control agencies, and several other modules. These modules of the whole system functions, performance, cost, etc. have an important r
3、ole in a decision.Key words：Vehicle driving simulator Speed control bodies Sensors 28前言汽车，作为一种交通工具，影响和改变着人们的生活；作为一种产业，汽车制造业的发展直接推动着国民经济的发展；作为一项科技成果，汽车的设计和研制凝聚着科技工作者和产业工人的智慧与劳动。汽车的发展推动着人类社会的发展。随着国民经济的高速增长，人民生活水平的不断提高，汽车行业近年来发展迅猛，截止2007年，我国的民用汽车保有量超过3160万辆。汽车性能的提高，各种新技术在汽车上的应用，道路条件的改善，使汽车的行驶速度大大提高，这些情
4、况使公路交通呈现出车辆高速化、车流密集化和驾驶员非密集化的特点。汽车已经越来越多地进入人们的生活，汽车驾驶也成为人们提高工作效率和生活质量的一项基本技能。汽车的进一步普及，必将带动驾驶技术的普及。这就要求人们利用先进的手段对驾驶员进行培训，对驾驶员进行模拟驾驶训练，提高驾驶技能以减少在现实中存在的安全隐患。同时，通过模拟驾驶训练，可以使初学者了解汽车各操纵机构的使用方法及其协调配合，为实际驾驶训练打下一个坚实的基础。因此，基于分布式虚拟现实技术的汽车驾驶模拟器研究具有理论和实际意义，其研究开发具有诱人的前景。但是还存在开发技术含量低，汽车视景与操纵动作脱节、迟后，“沉浸感”、“交互性”与“实时
5、性”不强，价格偏高的不足。还没有真正意义上的一种大众化的、容易普及的汽车驾驶模拟器产品。本研究课题为“汽车驾驶模拟器操纵系统的设计”。驾驶员对操纵装置进行操作，产生的挡位信号通过数据采集系统传输给计算机系统中的汽车整车动力学模型进行快速实时运算，从而真实的模拟出汽车的行驶。随着计算机技术的飞速发展, 驾驶模拟器将不断地得到完善, 仿真精度和逼真度不断提高, 按其用途将来的发展方向是：（1）用于新产品的设计、开发研究开发型汽车驾驶模拟器可以对新车型或引进车型进行包括临界、极限工况的全工况仿真试验,以分析、预估和评价汽车的操纵稳定性、安全性、制动性、动力性和燃料经济性；为设计师提供新车型结构参数匹
6、配的最优方案；为引进车型的国产化进行性能比较和分析。(2）用于人机工程的研究可用于对驾驶员行为、驾驶员心理和生理特征及车型的驾驶适应性的统计分析,为车辆的人性化设计提供依据。（3）用于交通安全教育和驾驶员培训要达到训练驾驶员的目的, 应选择高性能的硬件平台,研制高级软件开发工具,创建更为丰富、逼真的视景；选择必须的自由度模拟行车体感；控制操纵系统能模拟更为逼真的手感和力感。目录第一章 FBS-08型汽车驾驶模拟器简介5第二章 汽车驾驶模拟器操纵系统的总布置82.1 离合器操纵系统的功用和要求82.2 制动器操纵系统的功用和要求82.3 加速操纵系统的功用和要求92.4 变速器操纵系统的功用和要
7、求92.5 转向操纵系统的功用和要求10第三章 汽车驾驶模拟器操纵机构的设计123.1 设计要求123.2 主要操纵机构的设计133.3 操纵机构的设计20第四章 汽车驾驶模拟器传感器的选择244.1 传感器简介244.2 传感器的选择25总 结29致 谢30参考文献31第一章 FBS-08型汽车驾驶模拟器简介在我国，随着经济的迅速发展,行车高速化、驾驶员非职业化是必然趋势。但是，由于我国人口众多，交通设施状况也还不尽人意，因而行车困难程度比较高，发生交通事故的概率也很大，尤其是新驾驶员发生事故的比例占50%以上。这说明，在我国驾驶员的培训还没有达到很好的效果，驾驶员的素质有待进一步提高。另一
8、方面，实车培训驾驶员需耗费昂贵的油料，还要加上大量的车辆维修费等，而且新驾驶员因操纵不当而给生态环境带来噪音、废气等污染也比熟练驾驶员高得多。这些问题都是非常现实的，迫切需要解决。为解决以上各种矛盾，针对性地开发出FBS-07型汽车驾驶模拟器。FBS-08型汽车驾驶模拟器（Vehicle Simulator）是一种能正确模拟汽车驾驶动作，获得实车驾驶感觉的仿真设备，故又称为汽车模拟驾驶仿真系统。是一种既能提高驾驶员水平,又降低各种费用的最为有效的训练工具。由于它集成了传感器技术、计算机技术、三维实时动画技术、计算机接口技术、人工智能技术、数据通信技术、网络技术、多媒体技术、等先进技术。以计算机
9、仿真和计算机三维成像等高技术为核心，能够模拟汽车驾驶的运行环境和操作效果,受训人员可以有驾驶汽车的真实感觉。显然，汽车驾驶模拟器具有节能、安全、经济和培训不受时间、气候、场地的限制,训练效率高、培训周期短等优点。将它广泛用于车辆驾驶培训,非常适合中国市场需求。在国外，汽车驾驶模拟器的研究开始较早，汽车驾驶模拟器作为培训工具在发达国家早已普遍运用，日本政府在1970年就以正式法律规定，汽车驾驶学校必须装备汽车驾驶模拟器。美国在上一世纪70年中期就有500多所汽车驾驶学校装备了汽车驾驶模拟训练器，大多数欧洲国家也相继制定了使用汽车驾驶训练模拟器的法规。然而，在国内，在驾驶模拟器方面的研究起步较晚，
10、经历了一个从引进国外产品到自行研制的较漫长的发展过程。一些公司开发了汽车驾驶训练模拟器，但与国际先进水平相比，有较大的差距。还存在着开发技术含量低，汽车视景与操纵动作脱节、滞后，“沉浸感”，“交互性”，与“实时性”不强，价格偏高等不足。FBS-08型汽车驾驶模拟器是基于分布式虚拟现实技术的特点，虚拟现实技术是用高科技手段如高速图形计算机、头盔显示器或其他三维视觉通道、维位置跟踪器和立体声音响等构造出一种人工环境，它具有模仿人的视觉、听觉、触觉等感知功能的能力，具有使人可以亲身体验沉浸在这种虚拟环境中并与之相互作用的能力。虚拟现实技术具有以下四个重要特征：多感知性。所谓多感知性就是指除了一般计算
11、机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知等，理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。存在感。又称临场感。它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。交互性。交互性是指用户对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握住东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随手的移动而移动。自主性。它是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，用户使用驾驶模拟器驾驶虚拟汽车时，用脚踩刹车时就有汽车停住并有一定惯性的感觉，视场中的物体也随汽车
12、的行驶而向后移动。分布式虚拟现实技术（DVR）是基于网络的虚拟环境，在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其他用户进行交互，并共享信息。设计和实现DVR系统时，必须考虑以下网络信息因素：网络带宽，它是虚拟世界大小和复杂度的一个决定因素。当参加者增加时，带宽需要也随着增加。分布机制，它直接影响系统的可扩充性。其中多播机制能为驾驶模拟器系统提供一对多和多对多的消息发布服务。延迟响应，虚拟环境交互和动态特性的因素是延迟。如果要使分布式环境仿真真实世界，则必须实时操作，从而增加真实感。对于DVR系统中的网络延迟可以通过使用专
13、用联结、对路由器和交换技术进行改进、快速交换接口和计算机等来缩减。可靠性，在增加通信带宽和减少通信延迟这两方面进行折中时，这要考虑通信的可靠性问题。可靠性由具体的应用要求来决定。有些协议有较高的可靠性，则传输速度慢，反之亦然。第二章 汽车驾驶模拟器操纵系统的总布置2.1 离合器操纵系统的功用和要求1功用（1）保证汽车平稳起步汽车起步之前，驾驶员先踩下离合器踏板，将离合器分离，使发动机与传动系断开，再将变速器挂上档，然后缓速松开离合器踏板，使离合器逐渐接合。在离合器逐渐接合过程中，发动机所受阻力矩也逐渐增加，故应同时逐渐踩下加速踏板，增加发动机的输出功率，使发动机的转速始终保持在最低稳定转速以上
14、而不熄火。由于离合器的接合紧密程度逐渐增大，驱动轮的转矩便逐渐地增加，到牵引力足以克服起步阻力时，汽车即开始平稳起步并逐步加速。保证变速器换档时工作平顺在汽车行驶过程中，为了适应不断变化的行驶条件，变速器需要经常换用不同档位工作。普通齿轮式变速器的换档一般是通过拨动换档机构来实现的，使原用档位的齿轮副退出啮合，另一档位的齿轮副进入工作。在换档前必须踩下离合器踏板，中断动力传递，然后再进行换档操作，便于使原用档位的啮合齿轮副脱开，同时有可能使新档位啮合齿轮副的啮合部位的速度逐渐趋于相等（同步），这样，进入啮合时的冲击可以大为减轻。2要求（1）能实现渐进接合。（2）分离迅速彻底,接合柔和平顺。（3
15、）工作可靠，操纵轻便。2.2 制动器操纵系统的功用和要求1功用（1）保证汽车减速或停车汽车以一定的车速行驶时具有一定的动能。随着汽车行驶速度的不断提高，要使行驶中的汽车减速或停车，就必须强制地对汽车施加一个与汽车行驶方向相反的制动力，驾驶员根据道路和交通等情况对制动力进行控制，以实现一定程度的强制制动，使汽车减速或停车。（2）保证汽车下坡时维持稳定的车速汽车在下长坡时，在重力的作用下，有不断加速到危险程度的趋势，此时应控制制动力将车速限制在一定的安全值以内，并保持稳定。（3）保证汽车原地可靠停车当汽车停下来后，需要可靠的停车（包括在坡道上停车），使汽车可靠地驻留原地不动。2要求（1）具备使行驶
16、中的汽车减速或停车的行车制动器（脚制动）。（2）具备使已停驶的汽车驻留原地不动的驻车制动器（手制动）。（3）行车制动器制动力的大小应在一定范围内逐渐变化，驻车制动器则无此必要。(4)工作可靠，操纵轻便。2.3 加速操纵系统的功用和要求1功用汽车在一定的使用条件下需要加速前进或超车时，需要增加发动机的输出功率，对于汽油发动机是加大节气门的开度，对于柴油发动机是增加喷油泵的供油量。驾驶员根据需要，踩下加速踏板，增加发动机的输出功率。2要求（1）发动机的输出功率的大小应在一定范围内逐渐变化，（2）工作可靠，操纵轻便。2.4 变速器操纵系统的功用和要求1功用（1）改变传动比，改变汽车的行驶速度和牵引力
17、。汽车的使用情况非常复杂，它要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围变化，而发动机输出的转矩和转速变化范围小，为适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的工况下（功率较高、油耗较低）工作，传动系中须设置变速器，并具备上述功用。（2）使汽车能倒退行驶发动机不能反转，在发动机的旋转方向不变的情况下，汽车能倒退行驶。（3）利用空档，切断动力传递在汽车滑行、停车时，不必关闭发动机，便能切断发动机与传动系统的动力传递，或在汽车启动、怠速、换档时，也能切断发动机与传动系统的动力传递。2要求（1）应具有适当的档位数和变速比，使汽车具有良好的动力性和经济性，并能与发动机的工作匹配。（2）应设置有倒档位和空档位
18、，使汽车能倒退行驶及切断动力传递。（3）工作可靠，操纵轻便。2.5 转向操纵系统的功用和要求1功用（1）改变汽车的行驶方向汽车在道路行驶时，驾驶员根据道路情况和交通状况转动方向盘，转向力矩通过转向系统变向及放大后使转向轮偏转，改变汽车的行驶方向。（2）恢复汽车原来的行驶方向在汽车直线行驶时，转向盘往往会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向，此时驾驶员也可以通过转向系统使转向轮向相向方向偏转，使汽车恢复原来的行驶方向。（3）使转向盘自动回正在汽车直线行驶时，转向轮会受到偶然出现的路面侧向反力而发生意外偏转，使汽车意外地转向，为了使汽车能稳定地保持直线行驶方向，要求转向轮偶然发生偏转后
19、能自动回复到相应于直线行驶的中立位置，这也相当于转向盘自动回正。另一方面，汽车在完成转向后需要恢复直线行驶时，自动回正功能也能使汽车能轻便、稳定地恢复直线行驶方向。2要求（1）有适当的变速比，将转向盘较大的转动角度减小为转向轮较小的转动角度。（2）有专门的机构使转向盘自动回正，转向盘回正时不打手。（3）转向盘的转动总圈数与实车基本相同。（4）工作可靠，操纵轻便。第三章 汽车驾驶模拟器操纵机构的设计3.1 设计要求1汽车按车长或载重量分为大、中、小型汽车，变速器分为手动档和自动档，在确定汽车仿真操纵系统总体设计方案时，必须明确模拟的是哪种车型，哪种变速器。2基于人机工程学的原理对操纵系统进行总布
20、置。基于人机工程学的设计实质上是对操纵系统进行人性化的设计，使人体在控制操纵系统时感觉最轻松、方便、省力，符合人的生理和心理特征。（1）驾驶员座椅必须满足人机工程学的要求，座垫可前后上下调节，靠背角度也可自由调节。（2）各种操纵控制机构全部在人体手脚合理的控制范围之内，且方便省力。 离合器踏板制动踏板加速踏板车灯开关转向灯开关变光开关左手变速杆驻车制动点火开关其它开关右手左脚右脚转向盘 （3）各操纵机构彼此间要有合理的间距，以防止误操作。（4）各操纵机构的结构、大小和安装位置要与实车相同或相似，使驾驶员产生实车感觉，如转向盘、踏板、驻车制动器、组合开关、组合仪表、变速杆等。3.2 主要操纵机构
21、的设计3.2.1 离合器、制动器操纵机构图31 离合器、制动器操纵机构1离合器踏板2支架3轴4转向杆支架5回位弹簧6传感器推杆7脚制动器踏板图3-1所示为一种离合器、制动器操纵机构，其结构特点是从踏板到传感器推杆都由杆件组成。驾驶员踩下离合器踏板1或脚制动器踏板7，踏板绕轴3转动，通过杠杆原理，带动传感器推杆6向前运动，从而推动传感器产生信号。这种操纵结构结构简单，工作可靠，布置容易，因此应用较广泛。加速操纵机构也可以采用这种类似结构。3.2.2 变速器操纵机构图32 变速器操纵机构1变速杆2顶盖3下盖4磁钢5干簧管6电路板7四、五档拨叉轴8四、五档拨块9二、三档拨叉轴10二、三档拨块11一、
22、倒档拨叉轴12一、倒档拨块13倒档锁销14倒档锁弹簧15变速杆回位弹簧16自锁弹簧17自锁钢球18互锁销19互锁钢球图32所示为一种变速器操纵机构，它是在东风EQ1090E型汽车变速器操纵机构基础上改进设计而成。三根拨叉轴7、9、11两端支承于下盖3两端孔中，可以轴向滑动。每根拨叉轴上固定有相应的拨块8、10、12，拨块的顶部制有凹槽，空档时各凹槽在横向平面内对齐。选档时变速杆1绕其中部球形支点横向摆动，则其下端对准与所选挡位对应的拨块凹槽，然后使变速杆纵向摆动，带动拨叉轴向前或向后滑动，拨叉轴两端均装有磁钢4，当磁钢位于干簧管5正上方时，电路导通，该档位信号接通，当磁钢离开干簧管后，电路断开
23、，该档位信号切断。原装变速器操纵装置中设有防止同时挂入两个档位的互锁机构，还设有防止自动脱档的自锁机构（见A-A剖视图），以及防止误挂倒档的倒档锁（由倒档锁销13，倒档锁弹簧14组成）。变速杆回位弹簧15的作用是空档时使变速杆处于垂直位置，为便于安装传感器，原装变速操纵机构的下盖两端被切去一部分。这种操纵机构工作可靠，但结构较大，只能模拟大型汽车的变速器操纵。图33所示为另一种小型变速器操纵机构。图33 小型变速器操纵机构1变速杆2选档轴3转销4电路板5支架6拨叉轴7拨叉轴座8自锁钢球9自锁弹簧10互锁架11导向板12导杆支座13磁钢14磁钢座15回位弹簧16导杆17回位杆18选档轴座19霍尔
24、开关左中右三根拨叉轴6支承于拨叉轴座7中作轴向滑动，拨叉轴的一端制有凹槽。空档时，各凹槽在横向平面内对齐，变速杆1下端的球头伸入这些凹槽中，选档时，变速杆连同选档轴2绕选档轴座横向摆动，变速杆下端球头对准与所选档位相应的拨叉轴凹槽，然后使变速杆绕转销3纵向摆动，带动拨叉轴向前向后移动，实现换档。拨叉轴两端的磁钢座14中装有磁钢13，每个磁钢对应一只霍尔开关19，当磁钢移向霍尔开关达到一定距离时，霍尔开关即产生档位接通信号，并将信号传递给数据采集系统，当磁钢离开霍尔开关达到一定距离时，霍尔开关产生档位切断信号。该装置具有三根拨叉轴，一、二档，三、四档，五、倒档各共一根拨叉轴。自锁机构由自锁钢球8
25、，自锁弹簧9组成， 每根拨叉轴的上表面沿轴向分布有三个凹槽，当拨叉轴轴向移动到空档或某一工作档位时，必有一个凹槽对准自锁钢球，自锁钢球在自锁弹簧的压力作用下嵌入该凹槽内，拨叉轴的轴向位置即被固定，不能自动脱档，实现了档位自锁。换档时，驾驶员必须通过变速杆对拨叉轴施加一定的轴向力，克服自锁弹簧的压力，将自锁钢球从拨叉轴的凹槽中挤出推回孔中，拨叉轴才能再进行轴向移动。互锁机构即互锁架10， 互锁架由一块底板和两块带凹槽的竖板组成，竖板的凹槽形状与拨叉轴端部的凹槽相同。空档时，拨叉轴的凹槽与竖板的凹槽在横向平面内对齐，两竖板位于中间拨叉轴的两侧，将变速杆下端球头的活动区域分为左、中、右块，只有整个球
26、头全部位于某个区域之内时，才能推动任意一根拨叉轴作轴向移动，当球头位于相邻两个区域的结合部时，竖板就会抵挡住球头，不让球头推动任何拨叉轴，因此换档时，一次只能移动一根拨叉轴，其余两根拨叉轴不能移动，实现了拨叉轴的互锁，也就是档位的互锁。变速杆空档回位机构由回位杆17、回位弹簧15、导杆16、导杆支座12组成，空档时回位杆处于水平位置，变速杆处于垂直位置，驾驶员换档时，变速杆带动选档轴绕选档轴座横向摆动，固定在选档轴上的回位杆同时也作横向摆动，并通过导杆压缩回位弹簧。当从某工作档位退出时，在回位弹簧的作用下，回位杆恢复水平位置，回位杆带动变速杆恢复至垂直位置。导向机构由两块导向板11组成， 导向
27、板安装在左右拨叉轴带凹槽一端的两侧，选档或换档时，变速杆端部球头撞击拨叉轴凹槽，容易使拨叉轴作横向旋转，影响变速操纵，导向板的作用就是使拨叉轴只能作轴向移动。3.2.3 转向操纵机构图34 转向操纵机构1角度位移传感器2传感器支架挡圈轴承小齿轮输入轴壳体中间轴限位螺栓1键11输入轴12扭簧固定销1扭簧1大齿轮1盖板图34所示为一种转向操纵机构。输入轴6、中间轴8、输出轴11通过轴承4装配在壳体7上，输入轴上端与连接转向盘的转向杆固定，下端的齿轮与小齿轮5啮合，通过键10使小齿轮与中间轴固定，中间轴上端的齿轮再与大齿轮14啮合，大齿轮通过键与输出轴固定，输出轴的两端分别通过扭簧固定销12固定一只
28、扭簧13，输出轴的下端通过传感器支架2与角度位移传感器1相连。转向时，驾驶员转动转向盘，转向力矩通过转向杆经输入轴、小齿轮、中间轴、大齿轮减速后传给输出轴，输出轴带动角度位移传感器产生转向信号。输出轴在转动的同时，压缩其中一端的扭簧。完成转向后，扭簧的反向力矩经输出轴再逆向传给转向盘，使转向盘自动回正。大齿轮和壳体上分别装有限位螺栓，当转向盘转动到极限角度时，两只限位螺栓接触，阻止转向盘继续转动，确保了转向盘转动的总圈数不超过一定圈数，又保护了扭簧不因过度压缩而损坏。3.2.4 驾驶员座椅的布置在以人为中心的汽车驾驶模拟器座椅舱布置中，座椅的布置对驾驶员的坐姿舒适性，视野舒适度，操作方便性以及
29、舱内部空间具有重要的影响。汽车驾驶模拟器通常采用的H点人体模型，H点人体模型中的H点是人体身躯与大腿的连接点，即跨点（Hip Point）,它是与操作 图35 驾驶员关节舒适角度方便性及坐姿舒适性相关的车内尺寸的基准点。驾驶员以正常姿势入座后，其体重的大部分通过臀部由座椅和座垫来支撑，一部分通过背部和腰部由靠背来承受。另一部分通过左右手作用于方向盘上。在这种特定的约束坐姿下，驾驶员在操作时身躯上部的活动必然是绕通过实际H点的横向水平轴线的转动。人机工程学专家从多方面进行了研究表明为了减轻驾驶员驾驶时的疲劳，驾驶员身体各部分之间的夹角应当保持在某一合理的范围之内， 这些角度称为舒适角（见图35
30、）,为了便于驾驶员操作，驾驶室操纵件与驾驶员身体不能发生干涉，同时H点高度必然会影响人的视野舒适度，所以H点的分布区域的约束条件有如下几方面：(1) 下肢舒适性约束，以驾驶员下肢的关节角度的舒适性作为约束来计算H点分布区域。(2) 上肢舒适性约束，以驾驶员上肢的关节角度的舒适性作为约束来计算H点分布区域。(3) 视野约束，以保证驾驶员视野舒适性为约束条件计算H点分布区域。我们还应遵循几个特性：(1)目标驾驶员群体的统计特性是方向盘参数开始人体各关节尺寸，踏板及倾角H点高度下肢舒适否座椅水平调节量合理范围座椅靠背角上肢舒适否结束合理范围否否是是否合理范围否是视野校核图36 驾驶室设计流程对座椅位
31、置起主要影响的统计特性指标是肢体(尤其是下肢)长度的均值和标准差。肢体越长，需要的车内布置空间越大，座椅越靠后。(2)汽车驾驶模拟器驾驶员座椅结构特性在汽车驾驶模拟器中，驾驶员座椅舱可以相对比实际汽车车型车内的空间大，所以在设计当中，可以驾驶员腿部空间也相对更宽敞些。(3)静态视野特性在实际汽车驾驶中，驾驶员的视野是动态的，头部和眼睛都是在不停转动的而在汽车驾驶模拟器中，驾驶员所面对的是电脑或电视屏幕，视野是长期的，静态的，所以视野校核时应采取静态视野校核。3.3 操纵机构的设计汽车驾驶模拟器变速操纵机构安装于驾驶员座位附近的驾驶舱底板上，驾驶员可直接操纵，如图1所示。 图1 变速器操纵机构1
32、变速杆2选档轴3转销4电路板5支架6拨叉轴7拨叉轴座8自锁钢球9自锁弹簧10互锁架11导向板12导杆支座13磁钢14磁钢座15回位弹簧16导杆17回位杆18选档轴座19霍尔开关左中右三根拨叉轴6支承于拨叉轴座7中作轴向滑动，拨叉轴的一端制有凹槽，空档时，各凹槽在横向平面内对齐，变速杆1下端的球头伸入这些凹槽中。选档时，变速杆连同选档轴2绕选档轴座18横向摆动，变速杆下端球头对准与所选档位相应的拨叉轴凹槽，然后使变速杆绕转销3纵向摆动，推动拨叉轴轴向移动，实现换档。拨叉轴两端的磁钢座14中装有磁钢13，每个磁钢对应一只霍尔开关19，当磁钢移向霍尔开关达到一定距离时，霍尔开关即产生档位接通信号，并
33、将信号传递给数据采集系统，当磁钢离开霍尔开关达到一定距离时，霍尔开关产生档位释放信号。该装置具有三根拨叉轴，一、二档，三、四档，五、倒档各共一根拨叉轴。自锁装置由自锁钢球8、自锁弹簧9组成（见图1）。每根拨叉轴的上表面沿轴向分布有三个凹槽，当拨叉轴轴向移动到空档或某一工作档位时，必有一个凹槽对准自锁钢球，自锁钢球在自锁弹簧的压力作用下嵌入该凹槽内，拨叉轴的轴向位置即被固定，不能自行脱档，实现了档位自锁。换档时，驾驶员必需通过变速杆对拨叉轴施加一定的轴向力，克服自锁弹簧的压力，将自锁钢球从拨叉轴的凹槽中挤出推回孔中，拨叉轴才能再进行轴向移动。 设计时凹槽的深度和自锁弹簧的压力必须合理选择，否则弹
34、簧压力不够，易产生跳档，或弹簧压力过大，使变速杆操纵不轻便。互锁装置也称为互锁架10，由一块底板和两块带凹槽的竖板组成，如图2所示。竖板的凹槽形状与拨叉轴端部的凹槽相同。图 2 互锁装置空档时，拨叉轴的凹槽与竖板的凹槽在横向平面内对齐，两竖板位于中间拨叉轴的两侧，将变速杆下端球头的活动区域分为左、中、右三部分，只有整个球头全部位于某个区域之内时，才能推动任意一根拨叉轴作轴向移动，当球头位于两个区域的结合部时，竖板就会抵住球头，不使球头推任何拨叉轴，因此换档时一次只能移动一根拨叉轴，其余两根拨叉轴不能移动，实现了拨叉轴的互锁，也就是档位的互锁。变速杆空档回位装置由回位杆17、回位弹簧15、导杆1
35、6、导杆支座12组成（见图1）。空档时回位杆处于水平位置，变速杆处于垂直位置，驾驶员换档时，变速杆带动选档轴绕选档轴座横向摆动，固定在选档轴上的回位杆同时也作横向摆动，并通过导杆压缩回位弹簧。当从某工作档位退出时，在回位弹簧的作用下，导杆推动回位杆恢复水平位置，回位杆带动变速杆恢复垂直位置。导向装置如图3所示。导向板11安装在左右拨叉轴带凹槽一端的两侧，选档或换档时，变速杆端部球头撞击拨叉轴凹槽，使拨叉轴作横向旋转，影响换档，导向板的作用就是使拨叉轴只能作轴向移动。图3 导向装置图4 霍尔开关电路输出特性 档位传感装置由电路板4,霍尔开关,磁钢,磁钢座,拨叉轴等组成（见图1）。电路板固定在操纵
36、机构支架5的两端。左、中、右三 根拔叉轴的两端各安装有一个磁钢座，磁钢 固定在磁钢座内。电路板中装有3只相同的霍尔开关，其位置与磁钢一一对应。霍尔开关是由霍尔片和 它的信号处理电路集成的芯片。换 档时，拨叉轴轴向移动带动磁钢向霍尔开关接近，在磁钢磁场的作用下，霍尔开关接受的磁感应强度B超过其导通管阀值BOP时，霍尔开关输出管导通，输出低电平，即工作档位接通信号。永磁磁之后即使B再增加，仍保持导通状态。退回空档时，拨叉轴带动磁钢逐渐远离霍尔开关，B逐渐减小，当降到BRP时，输出管截止，输出高电平，即工作档位释放信号。BOP称为档位工作点，BRP称为档位释放点，BOP-BRP=BH称为回差，回差的
37、存在使开关电路的抗干扰能力增强。其输出特性见图4。因为传感器采用的是钢来产生工作磁场，且霍尔开关电路需要工作电源，因此设计时将霍尔开关位置固定，而将磁钢随拨叉轴移动。在空气隙中，霍尔开关接受的磁感应强度B会随气隙长度的增加而迅速下降。为保证工作可靠，设计时应论证在两种档位状态下的气隙长度。通过汽车驾驶模拟器变速操纵机构的设计，将汽车变速器的变速传动机构省去，其功用由实时计算机系统中的汽车整车动力学模型进行快速实时运算来代替。这样的设计降低了成本、缩小了体积、简化了结构、也有利于操作，如在互锁装置方面利用互锁架代替互锁钢球、互锁销达到了互锁要求。通过大量的实践证明该型汽车驾驶模拟器变速操纵机构不
38、产生信号干涉，稳定性好，信号产生时无机械接触，耐久度强，符合人体操纵以及信号传输要求。第四章 汽车驾驶模拟器传感器的选择4.1 传感器简介传感器是将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。通常将传感器看作是一种把被测非电量转换为电量的装置。传感器位于测控系统的首段,是获取标准可靠信息的关键装置。由于被测量遍及各学科和工程的各方面,所以传感器的种类繁多,分类方法也很多。按被测量的种类也就是按传感器的用途分类可分为:位移传感器、压力传感器、温度传感器等。按工作原理分类可分为电阻应变式、电感式、电容式、压电式等。习惯上常把两者结合起来命名传感器,比如电阻应变式传感器,电感式位移传感器,压电
39、式加速度传感器等。按被测量的转换特征可分为结构型和物性型。结构型传感器是通过传感器结构参数的变化而实现信号转换的。如电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化。有些结构型传感器,通过弹性敏感元件的受力变形,将力扭矩压力等转换成应变或位移 ,再利用传感元件如电阻应变片等将其转换成电量。物性型传感器是利用一些材料本身的性质随被测量变化的特性而实现参数的直接转换。它具有灵敏度高、响应速度快、结构简单、便于集成等特点，是传感器的发展方向之一。按照能量的传递方式可分为能量控制型和能量转换型传感器两种。能量控制型传感器输出能量由外部供给,但受被测输入量的控制如电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感
40、器等。能量转换型传感器的输出量直接由被测量能量转换而得，如压电式传感器，热电式传感器等。能够利用传感器进行转换的被测量很多，如各种物理量、化学量、生物量等。常见的机械量也就是机械参数有以下几类：力学参数，包括拉力、荷重、压力、应力、扭矩等；运动参数，包括位移、速度、加速度等；振动参数，包括各类振动的参数、系统的振型及动态响应物性。工程中其他有关的物理量有温度、湿度、流体的流量等。传感器的输出有机械量、光学量、电量等。传统的机械仪表往往将力、压力、和温度等转换为弹性变形，这种变形经机械结构放大、传递后成为仪表指针的偏转或移动，借助刻度盘指示出被测量的大小。而这类机械式仪表必须在现场观测，而且由于
41、机械结构的惯性大，一般只能用于检测静态量或缓慢变化的被测量，不能满足生产和科学技术发展的需要。因此，在现代测试系统中，越来越多的利用传感器把被测非电量变换为电量，然后进行测量，成为非电量电测法。传感器直接作用于被测量，作为信息探测、感知和捕获的器件是测试系统的首要环节和关键部件。人类用眼、耳等感觉器官接受信息，彼此之间通过语言、文字和图象来交流信息。通常信息是通过一定形式的信号来传递的。如声、光、电等物理信号。信号是信息的载体，信息总是蕴涵在某些信号之中。测试的基本任务是获取被测对象的有关信息，而传感器输出的是某种形式的信号，往往需要对这些信号进行分析处理，从信号中提取所需信息。信号的分析和处
42、理可用专用的信号分析和信号处理设备进行，而目前已经主要由计算机来完成。4.2 传感器的选择汽车驾驶模拟器有方向盘、离合器、制动器、油门、6个挡位、手刹、各个信号灯的信号需要采集，使用的传感器包括开关传感器、位移传感器、角位移传感器三类。方向盘采用角位移传感器；离合器、刹车、油门采用位移传感器；档位、手刹等采用开关传感器。对于制动系统、离合器和油门采用直线位移传感器型号：TWZ-DY 量程：40mm 输出：15V 精度：0.5%FS电源：+12Vdc 测杆形式：弹簧复位 使用温度：-1060测杆伸出长度L3：11.5mm 输出信号：5v测杆伸出长度L3：51.5mm 输出信号：1v转向系统选择角
43、位移传感器型号： DWQ-BZ-V45 量程： DWQ-BZ-V45 45输出： 15V 输出： +12VDC分辨率：0.005 45输出： 1V中点输出：3V -45输出： 5V在汽车驾驶模拟器的控制系统中，档位、驻车制动、点火开关、转向开关等开关量需要采集。这些开关量的采信对传感器的要求比较高，经过分析，我们采用霍尔器件作为采集这些开关量的传感器。图7 AH20霍尔磁传器感器针对汽车驾驶模拟器中开关量采集的要求，和霍尔元件的特性，我们选用DIP封装，型号为AH20的霍尔磁传感器，如图7。霍尔器件还不能够单独作为传感器使用，我们设计了相应的电路。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片
44、、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOPBRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。霍尔开关电路的功能框见图8，图8(a)表示集电极开路(OC)输出，(b)表示双输出。它们的输出特性见图9，图9(a)表示普通霍尔开关，(b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。(a) 单OC输出 (b)双OC输出图8 霍尔开关电路的功能框图 (a)开关型输出特性 (b)锁定型输出特性图9 霍
45、尔开关电路的输出特性一般规定，当外加磁场的南极(S极)接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。 表1-1 霍尔开关电路的特性参数型号 VCC/V Bop/mT BRP/mT BH/mT Icc/mA Io/mA Vo/sat Ioff/A 备注 CS1018 4.818 1420 2014 6 12 5 0.4 10 CS1028 4.524 2830 3028 2 9 25 0.4 10 CS2018 4.020 1020 2010 6 30 300 0.6 10 互补输出 CS302 3.524 06 60 6 9 5 0.4 10 UGN3119 4.524 16.550 12.545 5 9 25 0.4 10 A3144 4.524 735 533 2 9 25 0.4 10 UGN3140 4.524 720 518 2 9 25 0.4 10 A3121 4.524 1335 830 5 9 20 0.4 10 UGN3175 4.524 12