MQ200-5F電磁離合器控制式自動(dòng)變速器的研究

趙春，王廣權(quán)

(張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口075000)

0 引言

變速器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的主要變速裝置，在汽車行駛時(shí)，通過換擋可以產(chǎn)生不同的變速比，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作狀態(tài)下。由于手動(dòng)變速器的制作成本相對較低，制造工藝又比較成熟，在市場中依然占據(jù)了大量的份額。然而手動(dòng)變速器在降低駕駛工作的勞動(dòng)強(qiáng)度、改善駕乘人員的駕乘舒適性和安全性等方面，明顯不如自動(dòng)變速器具有優(yōu)勢，因而自動(dòng)變速器占有的市場份額會(huì)越來越大，逐漸成為汽車生產(chǎn)廠商重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵零部件。目前按照換擋機(jī)構(gòu)不同，自動(dòng)變速器主要有電控電動(dòng)式、電控氣動(dòng)式、電控液動(dòng)式3種，但是此3種形式的自動(dòng)變速器又存在著制造困難、維修難度大、成本高等不同方面的問題。因此，開發(fā)一種制造簡單、維修方便、成本較低的自動(dòng)變速器勢在必行。

1 變速器整體設(shè)計(jì)

以定軸輪系手動(dòng)變速器 (MT)為基礎(chǔ)，在不改變手動(dòng)變速器整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的前提下，取消手動(dòng)變速器中的換擋機(jī)械操縱機(jī)構(gòu)，用電磁離合器替代原來的機(jī)械操作機(jī)構(gòu)，ECU通過控制電磁離合器來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)擋位的換擋，變速仍然由齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中換擋控制電磁離合器為雙向電磁離合器，主要包括左從動(dòng)盤、雙向電磁線圈 (主動(dòng)部件)、右從動(dòng)盤等部件。主要由雙向電磁線圈構(gòu)成的離合器主動(dòng)部件，通過可以沿變速器輸出軸軸向移動(dòng)的花鍵與變速器輸出軸相連，左右從動(dòng)盤分別與所對應(yīng)擋位的從動(dòng)齒輪固聯(lián)。雙向電磁線圈斷電時(shí)，電磁離合器處于分離狀態(tài)，離合器的主動(dòng)部件與左、右從動(dòng)部件是分離的，變速器不傳遞動(dòng)力，此時(shí)處于空擋位置。當(dāng)進(jìn)行掛擋時(shí)，通過給雙向電磁線圈的左邊或右邊線圈通電，控制離合器處于結(jié)合狀態(tài)，動(dòng)力由變速器對應(yīng)的擋位輸出。需要變換擋位時(shí)，首先斷開前一擋位電磁離合器線圈電路，同時(shí)接通下一擋位電磁離合器線圈電路，通過精確控制雙向電磁線圈的通斷電時(shí)刻，就可以實(shí)現(xiàn)前一擋位離合器在逐漸分離時(shí)、下一擋位離合器正處于逐漸接合的過程，這樣就可以完成平穩(wěn)換擋。

2 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁離合器設(shè)計(jì)

電磁離合器控制式自動(dòng)變速器是在手動(dòng)機(jī)械變速器基礎(chǔ)上開發(fā)而成，只是把原來的換擋機(jī)構(gòu)替換為電控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)與優(yōu)化電控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電磁離合器控制式自動(dòng)變速器開發(fā)工作的關(guān)鍵內(nèi)容。此次所研究的電磁離合器控制式自動(dòng)變速器中電磁離合器為摩擦片式離合器，通過控制電磁線圈中電流的通斷來控制電磁離合器的離合。采用摩擦片式電磁離合器，具有結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)合和分離迅速等優(yōu)點(diǎn)。通過改變摩擦面積和摩擦片片數(shù)以及線圈中電流的大小來實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中對轉(zhuǎn)矩大小的需求［1］。此離合器設(shè)計(jì)成對稱的雙向式，線圈采用無滑環(huán)固定不動(dòng)的設(shè)計(jì)，可以減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而且也容易接線，有利于電路的設(shè)計(jì)和布置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

通過采取一些措施可以解決電磁離合器剩磁問題，比如在電磁離合器的線圈上并聯(lián)一只耐壓12 V容量200 F的電容器，利用電工純鐵或低標(biāo)號低碳鋼制造磁軛和銜鐵來減少剩磁影響。電磁離合器具有離、合和換擋的雙重功能。根據(jù)不同的擋位要求，設(shè)計(jì)成左右對稱雙向結(jié)構(gòu)，離合器的左右兩部分都能實(shí)現(xiàn)離合和換擋的功能。當(dāng)左邊工作時(shí)，左邊線圈通電，離合器左半部進(jìn)入工作狀態(tài)，右邊線圈不通電，離合器右半部不工作;當(dāng)右邊工作時(shí)，右邊線圈通電，離合器的右半部分進(jìn)入工作狀態(tài)，左邊線圈不通電，離合器左半部不工作。

3 各擋動(dòng)力傳遞路線

如圖1所示，一擋動(dòng)力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→一擋主動(dòng)齒輪25→一擋從動(dòng)齒輪2→離合器從動(dòng)盤3→離合器主動(dòng)部件4→輸出軸17→動(dòng)力輸出。

二擋動(dòng)力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→二擋主動(dòng)齒輪24→二擋從動(dòng)齒輪6→離合器從動(dòng)盤5→離合器主動(dòng)部件4→變速器輸出軸17→動(dòng)力輸出。

三擋動(dòng)力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→三擋主動(dòng)齒輪23→三擋從動(dòng)齒輪7→離合器從動(dòng)盤8→離合器主動(dòng)部件9→輸出軸17→動(dòng)力輸出。

四擋動(dòng)力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→四擋主動(dòng)齒輪22→四擋從動(dòng)齒輪11→離合器從動(dòng)盤10→離合器主動(dòng)部件9→輸出軸17→動(dòng)力輸出。

五擋動(dòng)力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→五擋主動(dòng)齒輪21→五擋從動(dòng)齒輪12→離合器從動(dòng)盤13→離合器主動(dòng)部分14→輸出軸17→動(dòng)力輸出。

倒擋動(dòng)力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→倒擋主動(dòng)齒輪20→倒擋中間軸及齒輪18→倒擋從動(dòng)齒輪16→離合器從動(dòng)盤15→離合器主動(dòng)部件14→輸出軸17→動(dòng)力輸出。

4 換擋過程

4.1 前進(jìn)擋換擋過程

變速器換擋時(shí)，換擋控制要有嚴(yán)格的時(shí)序和邏輯控制，都是在ECU的控制下完成［2］。如果相鄰兩個(gè)擋位是同一電磁離合器控制的，那么離合器的一邊在逐漸分離的同時(shí)，另一邊會(huì)逐漸結(jié)合。如果相鄰兩個(gè)擋位不是同一電磁離合器控制的，那么前一擋位電磁離合器的一邊在逐漸分離的同時(shí)，后一擋位電磁離合器的一邊會(huì)逐漸結(jié)合。如三擋升四擋時(shí)，當(dāng)離合器主動(dòng)部件9開始向右移動(dòng)與從動(dòng)盤8逐漸分離時(shí)，也是離合器主動(dòng)部件9與從動(dòng)盤10逐漸接合的過程，前一擋位對應(yīng)的主動(dòng)部件與從動(dòng)盤完全分離時(shí)也是下一擋位對應(yīng)的主動(dòng)部件與從動(dòng)盤完全接合的時(shí)刻，完成由三擋升到四擋。動(dòng)力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合主動(dòng)齒輪1→常嚙合從動(dòng)齒輪26→中間軸19→四擋主動(dòng)齒輪22→四擋從動(dòng)齒輪11→離合器從動(dòng)盤10→離合器主動(dòng)部件9→輸出軸17→輸出動(dòng)力。

4.2 倒擋換擋過程

掛入擋時(shí)，電磁離合器在電控單元控制下，離合器主動(dòng)部件14由空擋位置開始軸向向右移動(dòng)，并逐漸接合，當(dāng)完全結(jié)合時(shí)，完成由空擋到倒擋的換擋過程。動(dòng)力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合主動(dòng)齒輪1→常嚙合從動(dòng)齒輪26→中間軸19→倒擋主動(dòng)齒輪20→倒擋中間軸及齒輪18→倒擋從動(dòng)齒輪16→離合器從動(dòng)盤15→離合器主動(dòng)部件14→輸出軸17→輸出動(dòng)力。

5 控制分析

自動(dòng)變速在ECU的控制下。ECU通過采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、擋位開關(guān)、車速、節(jié)氣門位置等傳感器信號，并對這些信號進(jìn)行進(jìn)一步處理，轉(zhuǎn)換成ECU能夠識(shí)別的電信號，進(jìn)行比較運(yùn)算或邏輯判斷，判斷變速器是否換擋，從而形成各個(gè)執(zhí)行指令，來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的換擋離合器實(shí)現(xiàn)換擋?？梢酝ㄟ^控制線圈中電流的大小來實(shí)現(xiàn)離合器的結(jié)合強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。

6 變速器的性能試驗(yàn)

選擇機(jī)械封閉式檢測臺(tái)，檢測臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入軸扭矩為0～2 000 N·m，轉(zhuǎn)速為0～2 500 r/min的條件下對變速器的各個(gè)擋進(jìn)行了試驗(yàn)，通過檢測自動(dòng)變速器在不同的輸入轉(zhuǎn)速、不同的輸入扭矩下輸出功率與輸入功率得到變速器的傳動(dòng)效率值。檢測數(shù)據(jù)顯示:新設(shè)計(jì)的自動(dòng)變速器，在不同的轉(zhuǎn)速下各個(gè)擋位的扭矩和傳動(dòng)效率符合使用要求。檢測結(jié)果如表1所示。

表1 自動(dòng)變速器性能檢測數(shù)據(jù)表

7 結(jié)束語

電磁離合器控制式自動(dòng)變速器可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣的控制功能，使變速器的性能得到提高，取消了傳統(tǒng)變速器撥叉軸、撥叉和同步器等，使得自動(dòng)變速器機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化，對原有手動(dòng)變速器生產(chǎn)線繼承性好，控制精度更高，反應(yīng)動(dòng)作更準(zhǔn)確，不受氣溫或油溫影響，對環(huán)境適應(yīng)性好［3］。作者所研究的電磁離合器控制式自動(dòng)變速器符合目前我國變速器發(fā)展現(xiàn)狀，為開發(fā)低成本、高性能的自動(dòng)變速器提供了一條可行的技術(shù)路線，是企業(yè)可以重點(diǎn)考慮、優(yōu)先發(fā)展的自動(dòng)變速器產(chǎn)品。

【1】盛兆順，尹琦嶺.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:73－75.

【2】張海勇.方差平穩(wěn)隨機(jī)信號的一種處理方法［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2002，24(12):1879 －1884.

【3】邱緒云，吳光強(qiáng)，范睿.自動(dòng)變速器CAN總線通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)［J］.電氣傳動(dòng)，2007，37(2):47 －49，56.