電控式AMT脫擋機理分析與預防 Analysis and Prevention of the Mechanism of Electronically Controlled AMT Shifting

嚴才秀YAN Cai-xiu 王文慧 WANG Wen-hui 宋寧 SONG Ning 周振威 ZHOU Zhen-wei

摘要：汽車電動化是當今社會的一大趨勢，與傳統(tǒng)燃油汽車一樣，脫檔也是電動汽車變速器常見故障之一，直接影響行車安全。通過對電控式AMT脫擋機理進行分析，并有針對性的提出預防措施，為電動汽車自動變速器的設計開發(fā)提供參考，提升變速器總成的可靠性。

Abstract： The electrification of automobiles is a major trend in today's society. Like traditional fuel vehicles， out-of-gear is also one of the common faults of electric vehicle transmissions， which directly affects driving safety. Through the analysis of the mechanism of electronically controlled AMT shifting， and targeted preventive measures， it provides reference for the design and development of electric vehicle automatic transmission and improves the reliability of the transmission assembly.

關鍵詞：電控式AMT;脫擋;機理分析;預防措施

Key words： electronically controlled AMT;out of gear;mechanism analysis;preventive measures

中圖分類號：U463.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0058-02

0? 引言

機械式自動變速器（AMT）具有傳動效率高、成本低、結構緊湊、易于加工制造等優(yōu)點，在傳統(tǒng)燃油汽車領域已經得到了廣泛的應用，而電動汽車受困于換擋過程中的技術難點，目前市面上的電動汽車大多采用直驅的方式作為動力輸入，即動力電機配減速器來驅動車輛的方式，如圖1所示。隨著電動汽車產業(yè)的不斷發(fā)展，電動汽車加裝機械式自動變速器這一驅動方式正在得到越來越廣泛的應用，AMT脫檔問題也隨之成為了電動汽車推廣的一個關鍵因素。AMT脫擋是指車輛正常行駛過程中，在沒有收到任何換擋指令的情況下，變速器擋位自行從行駛擋位回到空擋的現(xiàn)象[1];車輛的行駛表現(xiàn)是動力中斷，車速自行下降，在坡道上甚至存在車輛后溜的可能，存在巨大的行車安全隱患[2-3]。因此開展AMT防脫擋研究具有十分重要的意義，本文通過對AMT脫擋機理進行深入分析，并有針對性的提出預防與改進措施。

1? 機械式變速器結構

電動汽車的動力電機具有輸入轉速高、扭矩小的特點，通常會在動力電機輸出端增設一個減速器或變速器達到減速增扭的效果，從而滿足電動汽車的動力需求。伴隨著傳統(tǒng)燃油汽車的飛速發(fā)展，目前機械式變速器的內部結構已經非常成熟，主要包含殼體組件、選換擋組件、傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、附件等部分組成，圖2所示為某兩擋機械式變速器結構示意圖。其中殼體組件主要用于安裝變速器傳動系統(tǒng)及附件，需滿足一定的強度和密封性要求;選換擋組件主要是滿足變速器的換擋需求，可以通過手動操縱也可以采用液壓、氣動、電控等自動化方式進行選換擋動作;潤滑系統(tǒng)主要是為傳動齒輪、軸承等提供潤滑和降溫，盡可能提高變速器的使用壽命;附件則主要是為了變速器能夠正常工作提供一系列幫助，如防水透氣閥能幫助平衡變速器內部壓力、傳感器能準確提供變速器轉速信息等。

2? 防脫擋設計

傳統(tǒng)的手動機械式變速器經過多年的發(fā)展，已經形成了一系列常規(guī)的防脫擋設計方案，其中接合齒倒錐防脫與自鎖機構防脫是最為常用的兩種方式。AMT是在手動機械式變速器的基礎上加裝選換擋操縱系統(tǒng)構成[4]，與手動機械式變速器在結構上類似。因此以上兩種防脫擋結構也廣泛應用于AMT上，對AMT脫擋故障的發(fā)生起到了很好的抑制作用。

①接合齒倒錐防脫設計：如圖3所示，將接合齒圈和接合套上的接合齒兩側加工成倒錐面（一般單邊為2°-4°）。在實際工作過程中，接合齒圈帶動接合套轉動，在倒錐面上形成一定的正壓力。該正壓力的軸向分力方向為掛擋方向，當接合套有遠離接合齒圈的脫擋趨勢時，軸向分力阻止接合套向脫檔方向移動，從而達到防脫擋的目的。而且變速器脫擋故障通常發(fā)生在爬坡、急加速等大扭矩工況下，此時倒錐面正壓力會隨著扭矩的增大而增大，能夠起到很好的防脫檔效果。這是目前應用最為廣泛的防脫擋設計。

②自鎖機構設計：如圖4所示，常見的變速器自鎖機構是由自鎖鋼球、自鎖彈簧、自鎖堵頭等組成，并在拔叉軸上沿軸向設有三個凹槽，當拔插軸移動到某一擋位位置時，自鎖鋼球在彈簧的作用下下嵌到對應凹槽內，對拔插轉軸的旋轉或換擋撥叉軸的軸向移動產生一個阻力，起到防止脫擋的作用[5]。

3? ATM脫擋原因分析

ATM的換擋過程涉及到的元件較多且關系復雜，因此影響換擋過程的因素也很多?？紤]AMT與手動機械變速器的差異，再結合AMT自身的結構特點與控制方式進行深入分析，造成AMT脫擋的主要原因有以下幾個方面：

①變速器內部產生磨損或變形。如齒輪或者齒合套磨損、變速器軸承松動、殼體變形、定位元件松動或變形、拔叉軸磨損或變形等，使得變速器在正常工作過程中會產生較大的脫檔軸向力，當變速器內部產生的脫檔軸向力大于倒錐和自鎖機構提供的防脫力總和時，則會引起AMT脫檔。

②防脫擋設計失效。接合齒倒錐設計或自鎖機構設計，在防止脫擋的同時也會造成掛擋力和摘擋力的增加，而電控式AMT的換擋執(zhí)行元件能提供的掛擋力和摘擋力是有限的，且過大的擋位保持力也會導致?lián)Q擋阻力大、換擋執(zhí)行器壽命降低和換擋異響等問題。因此，為了確保AMT自動換擋動作的順利進行，防脫擋力都不能設計的過大，而隨著防脫結構的不斷磨損，防脫擋效果會逐漸減弱，在某些大扭矩工況下就容易造成AMT脫擋。

③信息采集故障。考慮到AMT自動換擋的需要，其換擋機構上增設了擋位位置傳感器，傳感器安裝實物照片如圖5所示，用于實時監(jiān)測變速器的擋位位置信息，以便變速器控制器（TCU）能夠及時了解擋位信息，并在第一時間做出反應。若傳感器信息采集出現(xiàn)故障，變速器換擋控制器接收位置信息失敗或接收到有誤的位置信息，不能及時對即將發(fā)生的脫擋故障進行處理或給出錯誤的操作指令，都會造成變速器的脫擋。

4? 設計優(yōu)化

根據AMT產生脫擋的原因，在AMT開發(fā)階段進行設計優(yōu)化，可以從設計源頭降低脫檔的風險，提高變速器的可靠性。①優(yōu)化變速器的齒輪、接合齒等的表面處理。通過優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)等方式，提高齒輪、接合齒的表面硬度、強度及熱處理深度，減緩變速器的磨損速度，降低AMT在正常生命周期內發(fā)生脫擋的風險。②優(yōu)化常規(guī)防脫擋設計參數(shù)。在滿足AMT換擋和摘擋性能要求的情況下，盡可能的加大接合齒倒錐角度和軸向長度、自鎖彈簧剛度、撥叉軸防脫槽的深度等參數(shù)，提升AMT的防脫擋性能。③換擋機構進行自鎖設計。AMT是通過換擋機構進行換擋動作的，除了通過解決變速器本身的問題以外，也可以從換擋機構入手來解決脫擋的問題。在換擋機構上加裝自鎖裝置或者采用能夠反向自鎖的傳動方式，均能夠起到很好的防脫效果。④在AMT換擋控制上進行防脫擋監(jiān)測。在傳感器的選擇上可以采用非接觸式傳感器，相比于接觸式傳感器，其壽命更有保障，能夠為變速器換擋控制器提供可靠的位置信息;其次在換擋控制上可以通過對傳感器反饋回來的擋位位置信息進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)擋位位置即將發(fā)生脫擋時，及時控制換擋電機介入，也能夠有效避免脫擋故障的發(fā)生。

5? 總結

本文從設計角度介紹了現(xiàn)有的防脫檔設計的結構及機理;分析總結了可能產生脫檔的原因;并提出預防改進的有效措施。脫擋是AMT較為常見故障之一，在實際工況中引起AMT脫擋的因素很多，如遇到車輛的脫擋問題，需要根據脫擋發(fā)生的工況進行具體分析排查，再有針對性的解決問題。

參考文獻：

[1]吳偉.手動變速器防脫擋設計分析[J].汽車設計，2020（12）：83-84.

[2]劉曉雷，張紅梅，向權力.手動機械式變速器防脫檔設計研究[J].汽車與配件，2012（38）：44-45.

[3]呂超.一種輕卡變速器脫檔原因分析及改進[J].機械工程與自動化，2015（03）：214-215.

[4]王陽，席軍強，陳慧巖.ATM換擋沖擊產生機理與對策研究[J].汽車工程，2009，31（03）：253-257.

[5]葛海龍，邱權，莫家奇，等.電驅自動變速器換擋系統(tǒng)自鎖裝置的設計研究[J].上海汽車，2019（06）：27-31.