電控離合器及其自動(dòng)變檔系統(tǒng)*

杜德躍，孔佳利

電控離合器及其自動(dòng)變檔系統(tǒng)*

杜德躍，孔佳利

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

自動(dòng)變速器能夠自動(dòng)進(jìn)行換擋操作，不需要駕駛員踩離合換擋，大大減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其在雙離合自動(dòng)變速器推出之后進(jìn)一步推動(dòng)了變速器自動(dòng)化的進(jìn)程。文章在分析了現(xiàn)有自動(dòng)變速器和手動(dòng)變速器的優(yōu)缺點(diǎn)之后，根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)原理給出了變速器電控化、精確化的方案。該設(shè)備是一種新型的由電腦進(jìn)行控制的自動(dòng)變速器，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成換擋操作，同時(shí)保證傳動(dòng)的效率。在實(shí)際制作過程中證明了本套方案的可行性、可靠性及耐久性，具有不可比擬的優(yōu)勢。

變速器；機(jī)械傳動(dòng)裝置；電控變速系統(tǒng)

1 設(shè)計(jì)背景

隨著自動(dòng)變速器技術(shù)的越來越成熟，目前絕大部分車型均為自動(dòng)檔車型，市面上的自動(dòng)變速器主要可以分為三類：

（1）AT變速器，AT變速器通過行星齒輪組進(jìn)行傳遞動(dòng)力，有著連接平穩(wěn)，操作容易等優(yōu)點(diǎn)，但AT變速器對(duì)速度反應(yīng)較慢、傳動(dòng)效率低、費(fèi)油等缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了AT變速器的發(fā)展。

（2）CT變速器，CT變速器采用傳動(dòng)帶和可變槽寬的棘輪進(jìn)行動(dòng)力傳遞，當(dāng)棘輪槽寬變化時(shí)相應(yīng)改變驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪上傳動(dòng)帶的接觸半徑進(jìn)行變速。因此是唯一能實(shí)現(xiàn)無極變速的變速器。有著重量輕、體積小、零件少等優(yōu)點(diǎn)，但是也有天生帶來的傳動(dòng)帶容易損壞、不能承受大扭矩等缺陷。

（3）AMT變速器，AMT變速器是在手動(dòng)檔的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，通過微機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)換檔的變速器。AMT變速器有較好的基礎(chǔ)，成本低，但是各廠商的微機(jī)控制方案不同，也就造成了裝車后實(shí)際體驗(yàn)差距較大。

綜合各變速器的優(yōu)缺點(diǎn)以及查閱大量資料后我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于MT變速器的電控離合及其自動(dòng)變檔系統(tǒng)。本套系統(tǒng)換檔時(shí)間短，結(jié)合平穩(wěn)同時(shí)能夠傳遞較大的扭矩。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體方案

電控離合器及其自動(dòng)變檔系統(tǒng)由齒輪組、液壓控制裝置、信號(hào)檢測模塊等組成。變速器輸出軸各齒輪上安裝有摩擦片，輸入軸齒輪與中間軸齒輪處于常嚙合狀態(tài)，中間軸上的齒輪和輸出軸上的齒輪處于常嚙合狀態(tài)，輸出軸各齒輪上均安裝有摩擦片，摩擦片由摩擦襯片和芯板粘結(jié)而成。輸出軸上相鄰兩齒輪之間各安裝有一個(gè)可軸向移動(dòng)的滑塊，滑塊由摩擦襯片和芯板組成。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力從輸入軸進(jìn)入，經(jīng)過中間軸上的齒輪帶動(dòng)輸出軸上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)滑塊與輸出軸上的齒輪的摩擦片緊密接觸時(shí)，二者之間通過摩擦形成動(dòng)力傳遞路線，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過輸入軸齒輪、中間軸齒輪、輸出軸齒輪、萬向傳動(dòng)裝置傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，使汽車獲得前進(jìn)的動(dòng)力。

滑塊的運(yùn)動(dòng)由液壓裝置進(jìn)行控制，液壓裝置由ECU進(jìn)行精確控制。液壓裝置單獨(dú)設(shè)置液壓泵提供動(dòng)力，液壓泵由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在液壓缸上設(shè)置有位置檢測裝置與壓力檢測裝置。液壓缸與滑塊之間通過撥叉進(jìn)行連接，換檔時(shí)通過撥叉將液壓缸的力傳遞給滑塊，液壓缸上的位置檢測裝置和壓力檢測裝置提供給ECU一個(gè)反饋信號(hào)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，車速為零，ECU判斷駕駛員是要起步或倒車時(shí)，ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力與自動(dòng)控制滑塊與輸出軸齒輪摩擦片之間壓力的大小，提高汽車起步時(shí)的平順性，使汽車平穩(wěn)起步。ECU根據(jù)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門踏板信號(hào)等判斷駕駛員駕駛意圖，控制液壓裝置運(yùn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，控制滑塊與輸出軸上不同齒輪的摩擦片接觸摩擦，以此傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力以及完成變速器各檔位的切換。

ECU內(nèi)部存儲(chǔ)有換擋邏輯的信息，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后各傳感器將檢測到的信號(hào)反饋給ECU，ECU對(duì)接收到的各項(xiàng)信號(hào)進(jìn)行分析并確定各部件的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)以及駕駛員的駕駛意圖。

當(dāng)駕駛員踩下剎車踏板時(shí)，ECU控制液壓裝置使得滑塊與齒輪的摩擦片分離，切斷動(dòng)力傳遞路線。此時(shí)駕駛員可掛入所需檔位（行車檔、倒檔或低速檔），隨著駕駛員逐漸放松制動(dòng)踏板，ECU控制滑塊與摩擦片逐漸進(jìn)行接觸，動(dòng)力經(jīng)變速器以及傳動(dòng)系統(tǒng)傳給驅(qū)動(dòng)輪。之后ECU根據(jù)油門踏板、車速等信號(hào)自動(dòng)判斷駕駛員駕駛意圖并進(jìn)行換檔操作，減少了由于頻繁換檔給駕駛員帶來的駕駛疲勞。當(dāng)ECU檢測到某部件異常時(shí)會(huì)通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示，并通過儀表盤上故障指示燈的閃爍來告知駕駛員。若ECU判定汽車不符合行駛條件時(shí)，則會(huì)通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警并控制危險(xiǎn)報(bào)警燈閃爍，以此告知駕駛員及時(shí)檢查并排除車輛故障。故障排除后駕駛員需要重新打開電源開關(guān)，使系統(tǒng)進(jìn)行自檢，系統(tǒng)確保各部件符合行駛條件之后方可駕駛。

本套方案在變速器之前仍保留有離合器，通過不同類型之間進(jìn)行比較，最終確定選用轉(zhuǎn)矩容量大、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、通風(fēng)散熱性好適合高速旋轉(zhuǎn)的膜片彈簧式離合器，主要用于緩和傳動(dòng)系統(tǒng)瞬時(shí)過載對(duì)變速器以及傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，提高各部件使用壽命。

2.2 齒輪組設(shè)計(jì)

齒輪組部分由摩擦片、齒輪、齒輪軸等組成。齒輪采用HB＞350，HRC>50的中碳鋼，通過鍛造毛坯→?；智小{(diào)質(zhì)→精切→高、中頻淬火→低溫回火→珩齒或研磨劑跑合、電火花跑合[1]等工藝進(jìn)行后期處理，以此來提高齒面的硬度、接觸強(qiáng)度以及耐磨性，齒芯還能保持調(diào)質(zhì)后的韌性，耐沖擊能力好，承載能力較高。摩擦片由摩擦襯片和芯板粘結(jié)而成，其中摩擦襯片為紙基摩擦材料且表面具有良好滲透性，為了提高摩擦副換熱性能，在摩擦襯片表面設(shè)計(jì)有冷卻油槽，以確保濕式多片離合器滑摩過程中冷卻潤滑效果[2]。摩擦片與齒輪通過齒輪軸上的花鍵進(jìn)行周向固定，摩擦片可以在齒輪軸上由撥叉進(jìn)行控制沿花鍵做軸向移動(dòng)，撥叉由液壓管路控制其移動(dòng)方向及速度。

齒輪組通過殼體進(jìn)行封裝，殼體內(nèi)裝有濕式變速器專用齒輪油，油液主要用于齒輪之間的潤滑以及傳遞滑塊和摩擦片之間的熱量。

變速器的檔位如圖1所示，輸出軸上從左到右依次為1檔、4檔、2檔、5檔、3檔和倒檔。

圖1 變速器的檔位

2.3 液壓裝置動(dòng)力部分設(shè)計(jì)

在整個(gè)電控離合及其自動(dòng)變檔系統(tǒng)中由液壓泵作為整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力元件，液壓缸作為換檔執(zhí)行元件。液壓泵采用齒輪泵，如圖2所示。泵軸一端伸出與一帶輪相連，帶輪套裝在齒輪泵的泵軸上，泵軸上設(shè)計(jì)有C型鍵的鍵槽，帶輪套在泵軸上之后通過鍵進(jìn)行緊固連接，防止帶輪與泵軸之間產(chǎn)生相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓泵的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行提供，通過皮帶連接發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)同時(shí)帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來產(chǎn)生油壓，進(jìn)而控制液壓裝置運(yùn)動(dòng)，控制變速器換檔。液壓泵固定在發(fā)動(dòng)機(jī)架上，液壓泵的進(jìn)油口連接一油箱，油箱安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)下方，以保證油箱與空氣有足夠大的接觸面積，通過空氣對(duì)油箱內(nèi)的液壓油進(jìn)行散熱，防止油溫過高。液壓缸選擇雙出桿式液壓缸，液壓缸的油口處各安裝有一個(gè)電磁閥，用以控制進(jìn)入液壓缸的流量。液壓缸缸體與變速器殼體固定連接，液壓桿在電磁閥的控制下做直線運(yùn)動(dòng)，液壓桿與撥叉相連，通過撥叉控制滑塊的運(yùn)動(dòng)。

圖2 齒輪泵

2.4 液壓控制管路設(shè)計(jì)

齒輪泵一端連接油箱，一端連接液壓裝置管路，用以輸出油壓。在液壓泵的輸出端并聯(lián)一個(gè)溢流閥，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到閥值之后液壓油通過溢流閥直接流回油箱，保護(hù)液壓管路不會(huì)因?yàn)檫^高的油壓而造成的損壞。每個(gè)液壓缸兩側(cè)設(shè)置有一個(gè)電磁閥，ECU通過控制電磁閥的電壓進(jìn)而控制電磁閥的開度大小，變速器的輸出軸上每相鄰兩齒輪之間采用一個(gè)滑塊的設(shè)計(jì)，每個(gè)滑塊對(duì)應(yīng)一個(gè)液壓缸，通過撥叉連接滑塊與液壓缸。液壓缸的運(yùn)動(dòng)受ECU控制，并通過撥叉將液壓缸的力傳遞給滑塊，控制滑塊與齒輪的摩擦片進(jìn)行接觸，傳遞動(dòng)力。通過接收到的由液壓缸上的壓力檢測裝置檢測的信號(hào)調(diào)整滑塊與齒輪摩擦片的壓力，使得汽車能夠平穩(wěn)起步。在急加速時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增大電磁閥的開度，增加滑塊與齒輪摩擦片的壓力，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力盡可能多的傳遞到驅(qū)動(dòng)車輪，減少由于滑塊與齒輪摩擦片之間打滑而造成的能量的損失。由于液壓系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后一直處于工作狀態(tài)，所以液壓油的選擇對(duì)于整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性至關(guān)重要。在液壓管路設(shè)計(jì)中，我們根據(jù)以下三點(diǎn)去選擇所需的液壓油：

（1）系統(tǒng)的工作環(huán)境：如溫度、濕度、空氣的清潔度等。

（2）系統(tǒng)的工況：如泵的類型、系統(tǒng)的工作溫度和工作壓力等。

（3）經(jīng)濟(jì)性：應(yīng)考慮液壓油的價(jià)格、更換周期、維護(hù)使用是否方便、對(duì)設(shè)備壽命的影響等[3]。

所以要根據(jù)使用地區(qū)以及環(huán)境條件選擇適合的液壓油，以合適為目的。同時(shí)防止進(jìn)入水分和空氣，以免影響使用。

3 結(jié)論

電控離合及其自動(dòng)變檔系統(tǒng)采用齒輪傳動(dòng)的方式傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，通過在齒輪上加裝摩擦片，在輸出軸上加裝滑塊的方式形成動(dòng)力傳遞路線，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)車輪。在整套系統(tǒng)中液壓泵是供能元件，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后負(fù)責(zé)建立起整個(gè)管路的油壓，并維持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。液壓缸的運(yùn)動(dòng)由ECU控制電磁閥來實(shí)現(xiàn)，并且輸出軸上每相鄰兩個(gè)齒輪之間有一個(gè)滑塊，變速器內(nèi)部檔位分布順序?yàn)檩敵鲚S上從左到右依次是1檔、4檔、2檔、5檔、3檔和倒檔。在換檔時(shí)使預(yù)傳動(dòng)滑塊先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，待預(yù)傳動(dòng)滑塊與齒輪摩擦片接觸時(shí)，傳動(dòng)滑塊與摩擦片進(jìn)行分離，兩者之間通過液壓缸上的壓力傳感器來檢測信號(hào)，以確定兩者的工作狀態(tài)。此類設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)滑塊的運(yùn)動(dòng)都是單獨(dú)進(jìn)行控制，在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，同時(shí)還能自定義換擋邏輯，例如預(yù)傳動(dòng)滑塊與齒輪摩擦片之間的壓力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，傳動(dòng)滑塊與齒輪摩擦片進(jìn)行分離，通過大量的計(jì)算以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)來確定最終的數(shù)值，盡可能地縮短換檔所需要的時(shí)間，消除由于換檔帶來的頓挫感，提高換擋過程中的平順性。在不同的車型中汽車生產(chǎn)廠商可以根據(jù)需要去設(shè)定換檔邏輯（例如運(yùn)動(dòng)型車型注重?fù)Q檔時(shí)的動(dòng)力性，而普通家用車型更注重平順性），在定義換檔邏輯方面給予汽車生產(chǎn)廠商更多的空間，去針對(duì)不同需求的客戶做出客戶更滿意的產(chǎn)品，也更容易做到變速器與整車的適配，以此來獲得更好的駕駛體驗(yàn)，提高產(chǎn)品競爭力，提高用戶滿意度。

[1] 鄧玉容.齒輪常用材料的選擇及其熱處理工藝分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2017.70-72.

[2] 陳瑤.濕式多片離合器溫度特性及熱失效研究[D].重慶:重慶理工大學(xué),2019.

[3] 鮑曉兵.液壓油的選用和維護(hù)[J].液壓氣動(dòng)與密封.2008.第2期. 4-6.

Electronic Control Clutch and Automatic Gear Shift System*

Du Deyue, Kong Jiali

（Shandong Huayu Institute of Technology, Shandong Dezhou 253000）

The automatic transmission can carry on the shift operation automatically, does not need the driver to step on the clutch shift, has greatly reduced the driver's labor intensity, especially after the double clutch automatic transmission launches further promoted the transmission automation process. After analyzing the advantages and disadvantages of the existing automatic transmission and the manual transmission, the electronic control and precision scheme of the transmission is given according to the principle of mechanical transmission. The equipment is a new type of automatic transmission controlled by computer, which can complete shift operation in a very short time and ensure the efficiency of transmission. The feasibility and reliability of this scheme are proved in the actual production process And durability, has incomparable advantages.

Transmission; Mechanical transmission; Electronic control variable speed system

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.017

U463.22+1.4

A

1671-7988(2021)03-58-03

U463.22+1.4

A

1671-7988(2021)03-58-03

杜德躍（1999-），就讀于山東華宇工學(xué)院本科汽車服務(wù)工程專業(yè)學(xué)生。

2020年山東省大學(xué)生省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《電控離合器及其自動(dòng)變檔系統(tǒng)》項(xiàng)目編號(hào)：S20201385 7033。