略谈后置油门优化设计

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一、结构设计

在后置油门的优化设计中，其外部壳体和内部传感器都必须满足防水、防潮、防震、防灰尘、可靠性高、寿命长等性能要求。1机械结构工作原理：当后置油门手柄旋转时，，和手柄相连接的磁体旋转，使作用于霍尔元件上的磁感应强度发生改变，输出电压相应变化，以此反映出旋转角度的变化。2传感器结构原霍尔式角位移传感器结构如图2，和新霍尔式角位移传感器结构如图4对比原霍尔式角位移传感器使用的霍尔元件是直立式，单信号输出，必须设计一封闭式磁路与之配合，磁体装在转子中，转子和壳体有一旋转间隙，此间隙因受潮或灰尘进入等原因，转子容易发生卡住现象，导致后置油门不能正常工作。新霍尔式角位移传感器使用的是可编程三轴霍尔元件，平面封装，双信号输出，磁力线通过空气传导作用于霍尔元件的表面，当手柄旋转时，和手柄相连接的磁体旋转，作用于霍尔元件表面的磁感应强度产生变化，输出电压相应变化，反映出旋转角度的变化。旋转体与传感器没有直接接触，就不会产生任何磨损和卡住现象，其防水和工作寿命等各项性能指标得到保证。3回位弹簧设计在后置油门的工作寿命设计中，传感器由于是非接触式，工作寿命能满足1×107次以上全行程往返的要求，最主要就是弹簧的设计也要满足该要求。由后置油门结构及使用参数要求，弹簧扭距T＝1426N·mm，变形角φ＝50°＝0．87rad，内半径R1＝9mm，外半径R＝21．5mm。设计计算如下1）弹簧材料按照YB／T5310－2010“弹簧用不锈钢冷轧钢带”标准，选用牌号1Cr17Ni7，抗拉强度选为为σb＝1300MPa的不锈钢材料。2）许用应力当使用寿命大于105时，取［σ］＝（0．5～0．6）σb＝（0．5～0．6）×1300MPa＝650～780MPa，这里，取［σ］＝650MPa。3）弹簧材料的截面尺寸b，h，b＝5mm为已知条件，由公式h＝6k2Tb［σ槡］求截面厚度h，弹簧要求外端固定，因此k2＝1，所以h＝6×1×713槡5×650mm＝1．14mm，查“弹簧材料的厚度和宽度尺寸系列表”，取h＝1．2mm。4）弹簧工作长度l由“非接触型平面涡卷弹簧的设计计算公式表”中公式，并取k1＝1，E＝0×105N／mm2，l＝Ebh2φ12k1T＝2×105×5×1．23×0．8712×1×713mm＝146mm。5）节距tt＝π×（R2－R21）l＝3．14×（21．52－92）146mm＝8．19mm取t＝8．2mm。6）圈数n0n＝R－R1t＝21．5－98．2圈＝1．5圈。

二、传感器电路设计

传感器的电路设计主要要做好电磁兼容设计，第一是传感器对外发射的电磁干扰不能超过一定的限值；第二是传感器要具有抵抗外界电磁干扰的能力。霍尔元件可选用MELEXIS公司的MLX90316器件，它是一个可编程三轴霍尔传感器，0～360o高精度连续测量，线性模拟双信号输出。传感器技术参数如表1所示从以上主要电气技术参数可看出，霍尔式角位移传感器是直流小信号工作器件，对外发射的电磁干扰很小，其电路的设计主要放在抗外部干扰上，即保证传感器能够抵抗来自外部的干扰能正常工作和承受外部电压的冲击而不被损坏。具体电路如图4所示。电路中E1、E2为磁珠，可以吸收传导来的噪音；C1～C5为贴片电容，可以吸收和滤除噪音；D1、D2为双向TVS管（瞬态抑制二极管），当两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达1×10－12s）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保霍尔元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。TVS管的选取：TVS管额定反向关断电压Vwm应大于或等于被保护电路的最大工作电压。考虑到霍尔元件的工作电压为5V，但编程电压为7．5V，以及TVS管的离散性，TVS管可选用SMCJ11CA。为了满足传感器防水，防潮，防震，防灰尘等性能要求，电路板可用韧性好的弹性体环氧树脂封装在塑料密闭腔内，既防水，又具有吸震与缓冲效果。由于HALL元件选用的是一个可编程双信号输出霍尔元件，所以，只要传感器和后置油门总成装配好后，再按照电气性能要求写入相应程序。

三、结语

基于霍尔元件设计的一种后置油门，采用不锈钢涡卷弹簧，旋转部分和传感器相互独立，传感器无转子和旋转部分相连，克服了原后置油门存在的一些不足，具有更好的防水，防潮，防震，防灰尘性能，可靠性高，工作寿命长。为了验证该后置油门的性能，经专业从事汽车电器检测的第三方检测机构———长沙汽车电器检测中心进行检验，以及用户使用，各项性能指标满足使用要求。该后置油门可广泛应用于各种工程机械中。

作者：刘荣先崔守鸷秦永法单位：扬州大学