AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動效率試驗(yàn)

藺朝莉，楊 平

(1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院， 重慶 401331;2.重慶工商職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院， 重慶 401520)

AMT電控自動變速器通過加裝電控離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和自動選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)手動變速器的離合器踏板和換擋桿，因而保留了手動變速器的高效率和加速性能[1]。但相較于其他自動變速器，它的換擋效率還有待提高。其原因是 AMT 在選換擋時，兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要配合完成摘擋、選擋和掛擋3個過程，從摘下原擋位到掛上新?lián)跷恍枰粋€邏輯過程。該過程中離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)歷分離和結(jié)合，由于機(jī)械摩擦、彈性變形、裝配誤差及間隙等影響因素的存在,使響應(yīng)速度和傳動效率受到影響，進(jìn)而影響整車的換擋品質(zhì)[2-3]。AMT離合器的傳動效率能夠表征上述影響因素對離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動態(tài)工作性能的影響，AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動效率高，則離合器控制精度高、控制系統(tǒng)實(shí)時性好，可以有效縮短換擋過程中的動力中斷時間。因此，通過試驗(yàn)研究離合器的傳動效率，不僅對執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化、驅(qū)動電機(jī)選型和功率匹配具有重要意義，而且對控制策略制定和控制系統(tǒng)開發(fā)具有重要的參考價值。

本文針對某AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)制定了傳動效率試驗(yàn)方案，搭建了AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動效率測試平臺，并利用該平臺測量了不同工況條件下的傳動效率，為研究離合器控制特性和換擋品質(zhì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)原理

1.1 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

試驗(yàn)對象為電控-電動式離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其動力源為伺服電機(jī)。動力傳動裝置由齒扇齒輪和齒輪齒條兩級傳動組成，如圖1所示。動力由驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生，通過弧形齒扇把動力傳遞給圓柱齒輪，再由圓柱齒輪傳遞給直齒齒條。直齒齒條把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動，齒條與離合器分離撥叉相連，進(jìn)而帶動分離軸承運(yùn)動實(shí)現(xiàn)離合器的斷開。齒扇齒輪的傳動比為0.255，齒輪齒條的傳動比為1。

圖1 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)總成

1.2 試驗(yàn)原理

1) 在動力輸入端設(shè)置角位移傳感器測得傳動機(jī)構(gòu)輸入軸的角位移，并安裝扭矩傳感器，用于測量傳動機(jī)構(gòu)的輸入扭矩。一級傳動機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩也用以上方法測得。

2) 為求得整個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞效率，還需計(jì)算整個傳動機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩。該二級傳動的輸出為直線運(yùn)動，需要用力傳感器測量齒條的推力，用位移傳感器測量齒條的工作行程。力傳感器采用BK-2B型力傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊，抗側(cè)向力強(qiáng)，精度高，拉、壓輸出對稱性好，性能穩(wěn)定可靠和安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)[4]。位移傳感器為JCXF1光柵尺，具有優(yōu)異的重復(fù)定位能力和高等級的測量精度。

3) 選用安川直流伺服驅(qū)動電機(jī)ΣSGMAV06A作為動力裝置。相較于交流電機(jī)，其具有調(diào)速方便，調(diào)速范圍寬，且低速性能好的優(yōu)點(diǎn)。

4) 選用STEKI公司的PB5磁粉制動器為加載裝置。它以激磁電流作為控制條件，具有穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。磁粉制動器的動力輸出方式為轉(zhuǎn)動，而齒條的運(yùn)動路徑為直線，因而需要加裝陪試件將直線運(yùn)動變?yōu)檗D(zhuǎn)動。

5) 傳動機(jī)構(gòu)齒輪齒扇的正反轉(zhuǎn)和齒條的來回運(yùn)動都有一定的行程要求。為防止伺服電機(jī)在某一轉(zhuǎn)動方向超出傳動機(jī)構(gòu)的工作行程導(dǎo)致試驗(yàn)臺損壞，需要設(shè)置一個限位保護(hù)裝置。接近開關(guān)可以在不與目標(biāo)物實(shí)際接觸的情況下檢測目標(biāo)物與傳感器的距離，從而達(dá)到保護(hù)的目的。

臺架整體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 臺架整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)臺方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)臺的搭建

課題結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康模肐nventor三維軟件設(shè)計(jì)了兩套夾具，再通過試驗(yàn)對象與夾具的裝配完成整個試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)與虛擬裝配。將設(shè)計(jì)的夾具按照圖紙進(jìn)行加工，然后將各試驗(yàn)裝置與夾具在工作臺上進(jìn)行安裝，完成試驗(yàn)臺架的搭建。圖3為離合器一、二級傳動效率試驗(yàn)臺的虛擬和實(shí)物裝配圖，圖4為離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體傳動效率試驗(yàn)臺的虛擬和實(shí)物裝配圖。

圖3 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)一、二級傳動效率試驗(yàn)臺模型圖和實(shí)物圖

圖4 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體傳動效率試驗(yàn)臺模型圖及實(shí)物圖

2.2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)基于Labwindows/CVI交互式C語言開發(fā)平臺，其整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。設(shè)計(jì)好的測試系統(tǒng)能對執(zhí)行時間、輸入/輸出轉(zhuǎn)矩、離合器工作行程、負(fù)載等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集和監(jiān)測，進(jìn)而高效準(zhǔn)確地得到相關(guān)參數(shù)的性能曲線。如果試驗(yàn)過程中出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)能自動開啟保護(hù)功能，以保證人員和設(shè)備的安全。

圖5 AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動效率試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 傳動效率試驗(yàn)分析

3.1 平均傳動效率

由于設(shè)計(jì)、制造加工等因素的影響，離合器傳動機(jī)構(gòu)各齒輪副之間不可避免地會出現(xiàn)間隙、摩擦和變形等情況，使離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入能量無法完全轉(zhuǎn)化為分離撥叉的輸出能量。因此，本文從能量守恒的原則出發(fā)，提出離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)平均傳動效率的概念[5]。首先計(jì)算Δt時間內(nèi)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入總功和輸出總功，然后將i時刻Δt時間內(nèi)輸出總功Wio與輸入總功WiI之比作為離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)某一瞬態(tài)的傳動效率ηi：

(1)

(2)

利用式(1)求得的瞬態(tài)傳動效率能夠準(zhǔn)確掌握各個時間點(diǎn)對應(yīng)位置的能量走勢，從而清晰、直觀地判斷動力傳遞過程中能量損失較為嚴(yán)重的時間節(jié)點(diǎn)和位置軌跡。利用式(2)求得的平均傳動效率，可以分析離合器不同加載扭矩和執(zhí)行時間條件下傳動效率的變化規(guī)律，進(jìn)而為離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

3.2 試驗(yàn)方法

AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作時間只有200 ms左右。但由于試驗(yàn)臺軟、硬件的限制以及整個傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的存在，試驗(yàn)執(zhí)行時間無法保證與實(shí)際執(zhí)行時間一致，但可以通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體傳動效率試驗(yàn)與一、二級傳動效率試驗(yàn)的執(zhí)行時間和傳動效率的變化規(guī)律找出其內(nèi)在的相關(guān)聯(lián)系。因此，試驗(yàn)參照國家相關(guān)傳動效率試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作工況和設(shè)計(jì)參數(shù)，通過磁粉加載器設(shè)置了18、15、13、11、9和 7 N·m六種加載工況，每種載荷工況下分別設(shè)定的執(zhí)行時間為10、7、5、3和1 s，每種工況重復(fù)10個循環(huán)，最后計(jì)算每種工況下傳動效率的平均值。每種載荷工況下的不同執(zhí)行時間通過定負(fù)載-變時間和定時間-變負(fù)載兩種試驗(yàn)的排列組合實(shí)現(xiàn)[6-7]。

3.3 定時間變負(fù)載試驗(yàn)

將6種負(fù)載工況對應(yīng)的5個執(zhí)行時間分別進(jìn)行定時間變負(fù)載試驗(yàn)。每種負(fù)載時間條件下，通過多次重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算每種工況傳動效率的平均值，其中，執(zhí)行時間為10 s，加載扭矩分別為17、15、13、11、9和7 N·m的離合器整體傳動效率、離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)一、二級傳動效率試驗(yàn)結(jié)果分別如圖6(a)～(c)所示。圖6中橫坐標(biāo)為離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為傳動效率。一、二級傳動效率和整體傳動效率具有一致的變化趨勢，即負(fù)載越大，傳動效率越高。一級傳動效率隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加變化較小，而二級傳動效率波動較大。

圖6 定時間-變負(fù)載工況下的傳動效率

再根據(jù)式(2)求出上述工況的平均傳動效率，得到傳動效率-負(fù)載扭轉(zhuǎn)之間的關(guān)系曲線，即不同負(fù)載扭矩下的平均傳動效率，如圖7所示。圖7中：橫坐標(biāo)為加載扭矩；縱坐標(biāo)為傳動效率。該關(guān)系曲線的獲取為后續(xù)驅(qū)動電機(jī)的選型和換擋時間的精確計(jì)算提供了依據(jù)。

由圖7(a)～(c)的總體變化規(guī)律和相互對比可知：二級齒輪齒條傳動效率較高，當(dāng)負(fù)載為17 N·m時，可以到達(dá)98%以上；一級齒輪齒扇和整體傳動效率較低，主要范圍為20%～40%。隨著加載扭矩的增加，傳動效率也增加，最大差值為15%左右，且在低扭矩段傳動效率波動較大。

3.4 定負(fù)載變時間試驗(yàn)

參考上述研究方法，得到定負(fù)載變時間工況下的傳動效率-執(zhí)行時間關(guān)系曲線，如圖6所示。其中：橫坐標(biāo)為執(zhí)行時間；縱坐標(biāo)為傳動效率。由圖8的總體變化規(guī)律可知，傳動效率隨執(zhí)行時間的減小而減小，但以換擋時間5 s為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)換擋時間大于5 s 時，傳動效率變化平穩(wěn)，當(dāng)換擋時間小于5 s時，傳動效率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，尤其是二級傳動效率變化較大。這是因?yàn)閭鲃訖C(jī)構(gòu)的齒輪副存在間隙和裝配誤差，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)在初始運(yùn)動瞬間，相當(dāng)一部分的能量用來克服傳動機(jī)構(gòu)的慣性力，從而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)初期平均傳動效率較低。但執(zhí)行時間對離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)平均傳動效率的影響較小，其變化范圍只有5%左右。二級傳動效率幾乎是一級傳動效率和整體傳動效的2.5倍或更多，最高可達(dá)98.4%，二級傳動和整體傳動效率都在40%以內(nèi)。

圖7 定時間變負(fù)載傳動效率-負(fù)載扭矩關(guān)系曲線

圖8 定負(fù)載變時間工況下傳動效率-執(zhí)行時間關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)平均傳動效率試驗(yàn)方案，得到了離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動效率-負(fù)載扭矩和傳動效率-執(zhí)行時間的變化關(guān)系曲線，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)和驅(qū)動電機(jī)的型號選擇、性能參數(shù)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐，也符合企業(yè)對試驗(yàn)臺的要求。

2) 一、二級傳動效率試驗(yàn)和整體傳動效率試驗(yàn)的關(guān)系曲線在趨勢走向上基本一致，說明試驗(yàn)臺的整體設(shè)計(jì)和測試系統(tǒng)是可行性的。試驗(yàn)得到的效率曲線具有較好的重復(fù)性，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，證明試驗(yàn)結(jié)果是可靠有效的。

3)通過比較圖7和圖8可知，2種工況下傳動效率的變化趨勢基本一致。不管是定負(fù)載變時間還是定時間變負(fù)載，一級傳動和整體傳動的傳動效率都較低，主要在20%～40%范圍內(nèi)波動，而二級傳動的傳動效率都較高，均達(dá)到90%以上。因此通過優(yōu)化一級傳動機(jī)構(gòu)可以有效提高離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體的平均傳動效率。

4) 在執(zhí)行時間恒定時，離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載變化對平均傳動效率影響較大，且平均傳動效率隨負(fù)載的增加而增加；而在負(fù)載恒定時，執(zhí)行時間對平均傳動效率影響較小。