机械毕业设计（论文）-轿车用机械式自动变速器操控机构设计【全套图纸】

毕毕 业业 论论 文（设文（设 计）计） 题 目：轿车用机械式自动变速器操控机构设计 （英文）Design of Automatic Mechanical Transmission Mechanism of Sedan 院 别： 机电学院 专 业：机械设计制造及其自动化（汽 车工程） 姓 名： 学 号 ： 指导教师： 日 期： 2010 年 6 月 轿车用机械式自动变速器操控机构设计轿车用机械式自动变速器操控机构设计 摘要摘要 自动变速控制是现代汽车的一项重要技术，也是智能车辆的基本功能。电控机械 式自动变速器 AMT 以其传动效率高、成本低和易于制造等优点，非常适合我国汽车工 业的发展现实，具有很好的产业化前景和广阔的应用范围。本文是对轿车用机械自动 变速器 AMT 的执行机构进行了设计，其中 AMT 的执行机构包括控制离合器的分离结 合机构和选档换挡机构。由于电控电动类型的 AMT 变速器有结构简单紧凑，生产成本 低，污染少等优点，所以本文所设计的 AMT 执行机构采用电机驱动。本文分别对电动 离合器和电动选换档执行机构的各种方案进行讨论并作最佳选择。最佳的方案确定后 选择执行电机，根据所要实现的功能和各个约束的尺寸设计出执行机构的结构，并对 执行机构的各个关键的部位进行了强度的校核。最后计算整个换档的过程所用的时间， 对比是否符合要求，并作出结论。 关键词关键词：AMT，电机，离合器，选换档，执行机构 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 Design of Automatic Mechanical Transmission Mechanism of Sedan Abstract Automatic transmission control is an important technology in modern cars, but also the basic functions of intelligent vehicles. Because electronically controlled mechanical automatic transmission AMT has the advantages of high transmission efficiency, low cost and easy-to- manufacturing, it is very suitable for the development of Chinas automobile industry, and has good prospects for industrialization and wide range of applications. This paper is a design of a mechanical automatic transmission AMTs implementation agencies,，which include combination separation of institutions and selected file shifting organizations of clutch control. As the types of AMT of Electric Power Transmission has simple and compact structure, low production cost, less pollution, etc, so the design of AMT implementation agencies use motor drive organizations. This paper discuss various options of the electric clutch and electric election shift implementation agencies and make the best choice. When the best option is to be determined, we should select the implementation of motor, and then design the structure of implementation agencies on the base of the function to be achieved and the various constraints of size, and check the key parts of the various agencies of implementation agencies. Finally caculating the time that the process of the shift spend, and see it fits the requirements or not, and make a conclusion. Keywords: AMT, motor, clutch, gear selection, implementation agencies 目录目录 第 1 章 绪论.1 1.1 课题研究背景.1 1.2 自动变速器的分类.2 1.3 AMT 变速器发展历程及现状3 1.3.1 AMT 技术在国外的发展历史4 1.3.2 AMT 的发展现状4 1.3.3 AMT 的发展趋势5 1.4 本文的主要工作.6 1.5 本章小结.7 第 2 章 AMT 的关键控制技术.9 2.1 AMT 的原理、结构与分类9 2.1.1 AMT 的原理9 2.1.2 AMT 的结构10 2.1.3 AMT 的分类10 2.2 AMT 系统功能和关键技术11 2.2.1 AMT 的系统功能11 2.2.2 AMT 的关键技术14 2.3 本章小结.17 第 3 章 电动离合器操控机构的设计.18 3.1 电动离合器执行机构的方案选择.18 3.2 电机的选型.19 3.3 电动离合器操控机构各零件的设计.19 3.3.1 螺杆的设计.19 3.3.2 螺杆的结构设计.25 3.3.3 螺杆轴承的计算.26 3.3.4 螺母的结构设计.27 3.3.5 助力弹簧的设计.28 3.3.6 拉杆的设计.31 3.3.7 转臂的设计.32 3.4 计算离合器分离时间.34 3.5 本章小结.34 第 4 章 选档换档机构的设计.35 4.1 选档换档方案的选择.35 4.2 选档机构的设计.35 4.2.1 选档电机的选用.36 4.2.2 选档齿轮的设计.36 4.2.3 选档齿条的设计.39 4.3 换档机构的设计.40 4.3.1 换档电机的选用.41 4.3.2 换档轴的设计.42 4.3.3 换档块的设计.45 4.3.4 联轴器的设计.47 4.4 选换档所用时间的计算.49 4.5 AMT 变速器整个换档的时间计算49 4.6 本章小结.50 第 5 章 全文总结51 5.1 主要工作内容.51 5.2 研究展望.51 参考文献.53 致谢.55 附录.56 轿车用机械式自动变速器操控机构设计 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题研究背景课题研究背景 随着时代的发展，汽车电子技术也越来越先进。汽车电子技术是汽车技术与电子 技术相结合的产物。随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术 的应用越来越广泛。汽车电子化的程度也越来越高，汽车正由单纯的机械产品向高级 的机电一体化产品方向发展，成为所谓的“电子汽车”。电子技术在汽车上的应用，主 要是围绕汽车各个重要部件，解决其自动化控制问题、研究电控系统的输入部分(传感 器系统与采样环节)、输出部分(执行机构与驱动实现)以及控制单元(控制策略与实现方 法)。电子技术在现代汽车上的主要应用有电子控制喷油装置，电子点火装置，电控自 动变速器，防抱死制动系统，电子转向系统、自动巡航系统等。 变速器的电子控制技术是汽车电子控制技术的核心内容之一。通过研究自动变速 技术，可以减少汽车的能源消耗、减少污染、减轻驾驶员劳动强度、提高行驶安全性 和乘员舒适性等，自动变速技术已经成为当代车辆技术发展的主要方向。 自动变速器的主要特点表现在以下几个方面 （1）驾驶性能优良 汽车驾驶性能的好坏，除与汽车本身的结构有关外，还取决于正确的控制和操纵。 自动变速器可以按照预先设定的最佳换档规律自动变换档位，让汽车在不同的运行条 件下都能同时兼顾发动机的最低油耗和变速器的最高效率，因而特别适合于非职业驾 驶。 （2）自适应能力强，提高乘坐舒适性和零部件使用寿命 自动变速装置的档位变换不但快，而且平稳，提高了汽车的乘坐舒适性。通过电 控执行机构控制换档，一方面能大大减少行驶过程中的换档次数，另一方面可以消除 或降低动力传动系统中的冲击和动载。试验结果表明，在坏路段行驶时，自动变速的 车辆传动轴上，最大动载转矩的峰值只有手动变速器的 20%-40%。原地起步时最大动 载转矩的峰值只有手动变速的 50%-70%。从而延长发动机和传动系统零部件的寿命。 （3）操纵简便，行车安全性高 在车辆行驶过程中，驾驶员必须根据道路、交通条件的变化，对车辆的行驶方向 和速度进行调节。据不完全统计，在交通负荷大的市区中就手动操纵汽车而言，汽车 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 2 每行驶 100 公里驾驶员须换档 400-600 次，踏离合器 600-700 次，而每次换档有 4-6 个 手脚协同动作。可见从汽车起步换档到制动，使驾驶员的注意力被分散，而且易产生 疲劳，造成交通事故增加。装用自动变速器的车辆，取消了离合器踏板，只要控制油 门踏板，就能自动变速。从而改善了驾驶员的劳动强度，使行车事故率降低，平均车 速提高。 （4）废气排放低 手动换档变速器由于经常换档，需要切断动力，使发动机的转速变化较大，油门 开度变化急剧，非稳定工况强烈，从而导致排放中的污染物多。而自动变速器的应用， 可使发动机经常处于经济转速区域内运转，也就是在较小污染排放的转速范围内工作， 从而降低了排气污染。 （5）动力性和燃油经济性高 自动变速器能自动适应行驶阻力的变化，选择最佳的换档时刻，从而提高了汽车 的动力性和经济性。据美国伊顿公司试验资料，可以节省燃油大约 5%。 1.2 自动变速器的分类自动变速器的分类 自动变速是汽车电子控制技术发展的重要方向之一。按照变速控制的方式和变速 箱的型式，目前自动变速的类型主要有：液力变矩器+行星齿轮组的动力换档变速器的 液压自动变速(AT)、无级变速(CVT、ECVT、IVT)、机械式自动变速箱（AMT、DCT)。 其中 AT、AMT、ECVT 类型都采用了电子控制技术，而且液压自动变速也将逐渐被电 控液动自动变速和电控电动自动变速所取代。 （1）液力自动变速器 AT AT 的基本形式是液力变矩器与动力换挡的旋转轴式机械变速器串联或并联。这种 形式的自动变速器的主要优点有:良好的乘坐舒适性、方便的操纵性、优越的动力性、 良好的安全性。但效率低、难制造、成本高是 AT 的缺点，为了降低成本，AT 的小型 化和减少零部件个数，要求形成大规模生产。AT 实际上是一种介于有级变速和无级变 速之间的自动变速器。 （2）无级自动变速器 CVT、ECVT、IVT 无级变速传动的英文全称 Continuously Variable Transmission，简称 CVT。CVT 最 初采用了 V 型橡胶传送带，材料较差传递力矩小，没有什么实用价值。后来改用金属 带和链条，开发出实用型的 CVT 系统，具有零件少，体积小，重量轻，传动效率较高， 轿车用机械式自动变速器操控机构设计 3 但传动带很容易损坏，不能承受较大的载荷。1984 年，荷兰人范多尼斯(VanDoornes) 发明金属带 CVT 后，富士、菲亚特、福特都先后引进 CVT，用在自己的汽车上。最善 于应用新技术的富士车厂研制了具有电脑装置的电子无级变速传动 ECVT，并在 1987 年 2 月装在 Justy 汽车上推出市场。2003 年 3 月，一种称为无限变速式机械无级变速 器（英文全称 Infinitely Variable Transmission，简称 IVT）的新型无级变速器获得业界 认可，它不使用变矩器，核心部分由输入传动盘、输出传动盘和 Variator 传动盘组成， 它们之间的接触点以润滑油做介质，通过改变 Variator 装置的角度变化而实现传动比 的连续而无限的变化。IVT 具有效率高，不易打滑，油耗低，不需要工艺复杂造价昂 贵的金属传动带。其关键技术是易发热，润滑油价昂贵，日产轿车已有应用。 （3）电控机械式自动变速器 AMT AMT，是在传统固定轴式手动变速箱和干式离合器的基础上应用自动变速理论和 先进的电子控制技术，通过电子控制单元控制电、液执行机构实现车辆动力系统的自 动操纵。汽车机械自动变速器（AMT）由于原有的机械传动结构基本不变，因此具有 传统齿轮变速器传动效率高、成本低、易于制造等优点，同时也具有操纵方便的自动 变速功能，它主要在中低档乘用车与重型商用车上有市场。由于 AMT 是非动力换档， 在起步和换档品质上与占主导地位的 AT 相比有一定差距，因此近年来人们广泛研究 动力换档的机械式自动变速器，主要有辅助扭矩型（USG）和双离合器式自动变速器 （DCT） ，其中 DCT 融合了 AT 和传统的 AMT 的优点，具有很好的换挡品质和车辆动 力性、经济性，是目前全世界特别是欧洲大力研究和发展的新一代自动变速器。 电控机械式自动变速器 AMT 大大提高了汽车使用的方便性，降低了驾驶员的劳动 强度，进一步满足了人们对汽车的使用要求。AMT 既具有液力自动变速器自动变速的 优点，又保留了原手动变速器齿轮传动的效率高、成本低、结构简单、易制造的长处。 常适合我国国情的机电液一体化高新技术产品。电控机械式自动变速器（AMT）是在 手动机械式变速器和干式离合器的基础上利用先进的电子技术和液压技术实现自动化 而产生的。他不仅保留了原齿轮变速器效率高、成本低的长处，而且还具有液力自动 变速器因自动换档所带来的全部优点。它是在现生产的机械变速器上进行改造，保留 了绝大部分原总成部件，只改变其中手动操作系统的换档杆部分，生产继承性好，改 造的投入费用少，非常容易被生产厂家接受。而其中自动变速器操控机构则是 AMT 自 动换档的核心执行元件，所以研究出控制灵敏的，结构简单的，工作可靠的，占用空 间少的 AMT 操控机构对于机械式自动变速器操控机构的发展有重大的意义。 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 4 1.3 AMT 变速器发展历程及现状变速器发展历程及现状 1.3.1 AMT 技术在国外的发展历史技术在国外的发展历史 在手动变速汽车上实现自动化，由于其制造成本和使用成本的经济性、对车辆类 型广泛的适应性、继承性等公认的显著特点，随着计算机在工业上的应用，70 年代后 期国外就开始对 AMT 技术进行研究，80 年代中期，美、日、欧先后研制出了自己的 AMT 产品，并应用于商用车辆上，随着计算机技术和电子技术的日新月异，AMT 技 术得到进一步的发展，并在 90 年代末应用到高级轿车和 Fl 赛车上。 AMT 系统发展主要经历的三个阶段： 首先是半自动阶段。60 年代起，出现了对传统的离合器和手动机械变速器的半自 动操纵。瑞典斯堪尼亚(scania)的 CAG 系统(1986 年)和德国奔驰公司(Daimler Benz)的 电推动(EPS)系统(1990 年)系统只是使换挡动作实现了自动化，并不能实现控制过程中 最困难的起步过程自动化。Eaton 的 SAMT 系统(1983 年)在自动换挡时可以进行适当的 对离合器和发动机的控制，白俄罗斯工学院开发的 SAMT 系统实现了二参数的换挡规 律自动判断挡位并能够自动完成换挡功能，但是在起步时仍然是手动操纵离合器。 二是全自动阶段。1983 年，日本五十铃公司(ISUZU)在世界上率先研制成功电子 控制机械式有级自动变速器NAVI5，并装于 ASKA 轿车上，在车速为 60km/h 时， 和液力自动变速器(AT)相比较可以节油 10%30%左右。伊顿公司在 1983 年也宣布成 功地将重型货车的手动变速器实现了自动化。德国的 ZF 公司还对一种 16 挡变速器实 现了自动换挡，并于 1988 年将其装备在 Geneva 货车上。同时，日本的 Nissan，Hino，美国的 Ford，意大利的 FIAT，法国的 Renault 也先后开展了全自动 AMT 的研究和开发。 三是智能阶段。随着各种自动变速器在使用中各种问题的出现和人们对车辆性能 要求的不断提高，人们引入了各种最新的检测控制技术来改善自动变速器性能，使挡 位决策及换挡控制对于路面环境、驾驶员特点、驾驶员意图更具有适应性。目前， AMT 在离合器控制和挡位决策方面采用模糊逻辑和神经网络方法，模仿熟练司机驾车 中的相应操纵以改善起步、换挡、离合器接合的适应性。此外，通过 GPS 获取更多路 面特征信息以提高 AMT 对路面的适应性，AMT 电控系统与发动机电控系统一体化以 增加信息共享，协调控制能力，以及实现整 轿车用机械式自动变速器操控机构设计 5 1.3.2 AMT 的发展现状的发展现状 鉴于机械式自动变速器的优点，在当今对车辆燃油经济性和排放要求越来越高的 国际形势下，AMT 系统已成为世界各国汽车零部件供应商和整车生产厂家竞相开发的 热点，并相继在各种车型上推出各自的产品。美国 Eaton 公司最近推出了电机控制执 行的 Fuller 变速箱；TTC(Transmission Technologies Corporation)公司和 DANA 公司成 功为商用车开发了 AMT7 变速箱；德国 ZF 公司开发的 AsTronic 自动变速器；德国 奔驰公司开发的 Sprintshift 变速箱以及意大利 Magneti Marelli 公司用于法拉利赛车和菲 亚特轿 图 1.1 欧洲市场变速器应用现状及未来预测 车的 Selespeed System 系统等等，图 1.1 是 BorgWarner 公司对欧洲市场的现状调查和 未来市场预测。从中可以看出 AMT 具有广阔的发展前景。我国汽车企业也正在开展自 动变速器的研制工作，一汽、二汽、北汽福田、奇瑞等汽车企业都正在研制，吉林大 学、北京理工大学、上海交通大学等高等院校也在从事这方面的研究，其中吉林大学 葛安林教授领导研究的两参数最佳换档规律、动态三参数换档规律、离合器最佳接合 规律、最佳同步换档控制、动态闭环换档控制、离合器模糊起步控制、智能换档理论 的研究等处于世界先进水平。 1.3.3 AMT 的发展趋势的发展趋势 目前自动变速器的应用越来越广泛，但并不意味着自动变速技术已经发展得非常 完善，在有些方面还有待改进。如对路况、车况的适应性以及自学习能力等，各国正 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 6 采取多种技术途径，试图解决这些技术难题，例如模糊控制、神经网络控制等，这是 自动变速技术的重要研究方向。近几年来，国外一直在研究将智能控制理论中的模糊 控制和人工神经网络控制技术应用到汽车工业中，并且在该领域的某些方面已有成功 应用的实例。针对各种自动变速器使用中出现的问题和人们对车辆性能要求的提高， 人们也在探索采用新的检测和控制技术来改善 AMT 的性能，致力于开发具有智能的自 动变速器。主要发展趋势有： （1）综合实施对发动机扭矩、转速和离合器接合速度的控制，完成车辆的起步和 换档。 由于装有 AMT 的车辆起步和换档时发动机转速和变速器输入轴转速之间存在很大 的转速差，只有实施联合协调发动机、离合器和变速器的综合控制才能达到冲击度与 滑磨功之间的最佳平衡。 （2）采用模糊-神经网络控制技术进行车辆档位决策。 采用模糊控制技术来增强对驾驶员意图和路况、车况的适应性，神经网络用于学 习优秀驾驶员的换档数据，获得更“似人”的换档规律。 （3）对各执行机构进行优化设计和控制 发动机油门和离合器执行机构一般由机、电、液系统构成，具有难于建模的复杂 非线性，基于简化线性模型的控制方法不能满足精度和鲁棒性要求，采用模糊和神经 网络控制技术成为提高控制品质的重点研究方向。 1.4 本文的主要工作本文的主要工作 AMT 系统是在传统手动的固定轴式变速器和干式离合器的基础上,应用自动变速理 论,由电控单元控制执行机构实现车辆起步、换档自动操纵。随着电机技术的不断改进, 电动式 AMT 成为自动变速器的一个开发热点。由于现代轿车的发展趋向于经济化、高 速化、简单紧凑化，所以对于轿车用的机械式自动变速器（AMT）来说，电控电动式 的自动换档机构更适合。而电控电动式的自动换档机构的机械部分则是要设计得更加 巧妙，实用，可靠，简单紧凑。由于是电机作为动力源驱动离合器，选换档机构工作， 电机的功率和转矩都不大，所以该自动变速机构必须设计出减速增扭和反映灵敏等特 性，并且机构必须工作可靠，寿命较长。全电动式的 AMT 的机械换档部分主要是由各 种连杆、各种减速齿轮、齿条、蜗轮蜗杆、凸轮等简单的机械传动副组成。因此这就 使得该换档机构较电控液压、电控气压的操纵机构简单紧凑，并且系统工作所消耗的 轿车用机械式自动变速器操控机构设计 7 功率不大。所以 AMT 的换档操纵机构的设计和优化则大大改善了 AMT 变速器制造的 经济性和结构的简单紧凑性。本文的研究内容是针对于 AMT 自动换档执行机构，主要 包括以下两个方面: （1）在综合研究了国内外(尤其是国外)各种驱动形式的 AMT 的发展情况的基础 上设计出电控电动 AMT 离合器执行机构，对其离合器执行机构进行设计计算，其中包 括电动机的选择，螺杆螺母、杆件、箱体等零部件的设计，并对其强度进行校核。 （2）对选档换档执行机构进行设计，其中包括电动机的选择，齿轮、齿条、轴、 箱体等零部件的设计，并对其强度进行校核。 （3）计算整个换档所用的时间，包括离合器的分离和结合，换档从一个档块退回 空档，选档后在挂上到另一个档的整个过程所用的时间计算，并与实际使用中所需的 时间对比。 其中，本文的流程图如图 1.2 所示： 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 8 图 1.2 本文工作流程图 1.5 本章小结本章小结 本章通过介绍三种自动变速器（AT、CVT、AMT）的各种技术情况，通过对比后 得出 AMT 自动变速器具有传动的效率高、成本低、结构简单、易制造等的优点。另外 还介绍了 AMT 变速器在国外的发展历史和发展状况及其发展趋势，这说明 AMT 自动 变速器未来在国外或在国内的发展潜力很大。由于 AMT 技术适合于我国国情，所以 AMT 的研究对我国未来的汽车电子化发展有重大的意义。本章末还提出了本文的主要 工作是对轿车用 AMT 执行机构进行设计，并列出了本文的设计流程图。 轿车用机械式自动变速器操控机构设计 9 第第 2 章章 AMT 的关键控制技术的关键控制技术 2.1 AMT 的原理、结构与分类的原理、结构与分类 2.1.1 AMT 的原理的原理 AMT 电控自动变速器是在手动变速器基础之上增加相应的机电装置实现自动换档 功能的机械式变速器（AMTAutomatic Manual Transmission） 。自动操纵机构由换 档杆装置、节气门控制装置、离合器操纵装置、选换档操纵装置、电控单元(TCU)、显 示单元、线束和插接件等部分组成。电控单元依据采集的加速踏板位置、发动机转速、 车速、离合器行程、选换档行程等数据进行计算分析，指令电子节气门、离合器及选 换档操纵机构完成换档动作。换档过程中 TCU 模拟优秀驾驶员的操作从而确保汽车起 步平稳、换档平顺、制动不熄火，使驾驶过程简捷、轻松、自如。其基本思想是：根 据驾驶员的意图（加速踏板、制动踏板、选择器开关等）和车辆的状态（发动机转速、 输入轴转速、车速、档位） ，依据适当的控制规律（换档规律、离合器接合规律等） ， 借助相应的执行机构（电子油门离合器执行机构、选换档执行机构） ，对车辆的动力传 动系（发动机、离合器和变速器）进行联合控制。如图 2.1 所示。 图 2.1 AMT 控制原理图 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 10 2.1.2 AMT 的结构的结构 AMT 是一种机、电、液一体化的产品， 该系统主要由以下四部分组成： （1）被控对象包括发动机、离合器和变速器。 （2）执行机构包括步进电机、电磁阀、液压缸(离合器动作缸和选、换档油缸)等。 （3）传感器包括速度传感器(发动机转速传感器、输入轴转速传感器、车速传感 器)、油门踏板位置传感器、油门开度传感器、档位传感器、离合器位置传感器等。 （4）电控单元(TCU)包括 CPU、ROM、RAM、I/O 接口等硬件及软件。 发动机、离合器、变速箱是 AMT 的主要控制对象，其中发动机的特性是制定合理 的燃料经济性、动力性换档规律的依据，也是实现最佳起步、换档控制的保证；离合 器的扭矩传递特性是离合器最佳接合规律的基础。另外离合器的一些其它特性如磨损 特性又将影响离合器的控制过程；变速器与 AMT 相关的特性主要是各个档位的传动比 和同步器的同步摩擦扭矩，它们对换档品质会产生影响。 2.1.3 AMT 的分类的分类 目前，按照执行机构动力源的不同，AMT 可分为电控气动，电控液动和电控电动 三种类型。 （1）电控气动 AMT 电控气动 AMT 选换档系统的执行机构采用气压驱动。它的应用范围不广，对于一 般车辆，由于没有气动装置，所以很少采用，只有在装有气压系统的大型客车或重型 车辆中使用。 （2）电控液动 AMT 电控液动 AMT 的选换档系统则是用液压方式驱动其执行机构，它具有能容量大、 操作简便、易于实现安全保护、有一定的吸振与吸收冲击的能力以及便于空间布置等 优点。但是在利用高速开关阀控制离合器的系统中，它的执行机构的工作受温度变化 的影响较大。当温度变化时，离合器的执行机构中液压油的粘度发生变化，因而使离 合器回油管路中的压力损失发生变化。温度降低，回油量减小，离合器的结合速度减 慢，导致在汽车刚开始起步时换档品质差。而且温度降低到一定的程度之后，液压油 的流动性能大大降低。另外，电控液动选换档系统结构复杂，难于制造，液压元件对 轿车用机械式自动变速器操控机构设计 11 加工的精度要求非常高，特别是对高速电磁阀的加工有很高的要求，因而成本高。 （3）电控电动 AMT 近些年来，随着电子产品性能的不断完善，在变速器执行控制系统中采用电力拖 动己经成为可能，即:自动变速控制系统中要直接控制的对象(油门、离合器以及选换档 装置)的相关动作由电动机进行带动。综合以上三种类型 AMT 的特点，电控气动 AMT 由于其使用的局限性，在一般车辆上难以应用。目前应用较多的是电控液动 AMT。电 控电动 AMT 作为目前发展的 AMT 形式，与电控液动 AMT 相比，在以下几个方面具 有进一步的优势： 取消了液压系统，从而使整个控制系统的结构更加简单，重量更轻，成本低。 由于直接采用易于控制、精度更高的电动机取代液压执行元件，使得系统的动 作的误差减少了，控制方法上也更简单。 在原有的电控液动 AMT 控制的基础上，只需对其软件和硬件以及控制方法上 作少许的改动就能实现对电控电动 AMT 系统的控制。电控电动 AMT 的特点是:可控性 好、可靠性强、并且对环境的适应性好。 近些年来，执行电动机不断地向以下几个方面发展： a、可控性、精度、速度不断地提高； b、适应数字化的发展方向； c、电动机趋向于组合化； d、电动机小型化、实用化、多功能化。 2.2 AMT 系统功能和关键技术系统功能和关键技术 2.2.1 AMT 的系统功能的系统功能 AMT 控制系统的主要功能是车辆起步过程与换档过程的自动控制。驾驶员通过操 纵加速踏板、制动踏板和操纵手柄向电控单元传递控制信号，同时电控单元不断检测 车辆的行驶状态参数，如车速、发动机转速、离合器行程、加速踏板位移、油门开度 和档位位置等。TCU 根据预先存储的最佳换档规律、离合器控制规律、发动机转速控 制规律等，对发动机供油、离合器的分离与接合、以及变速器换档三者的动作与时序 实现优化控制，从而获得优良的燃料经济性与动力性能以及平稳起步与迅速换档的能 力。由于车辆起步、刹车、换档频繁，为满足车辆正常行驶，AMT 控制系统必须安全 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 12 可靠。AMT 控制系统的功能设计主要考虑了四个方面:基本功能、安全功能、诊断功能 和辅助功能。 （1）基本功能 离合器控制 离合器接合过程的控制是 AMT 的关键技术之一。离合器接合速度根据离合器主从 动盘未接触、滑动摩擦传递扭矩和已同步三个阶段按快一慢一快的控制策略进行控制。 离合器控制是通过离合器执行机构来实现离合器的分离与接合的。在离合器接合过程 中，不仅要控制离合器的行程，还要控制离合器的接合速度。在刹车、起步及换档工 况开始阶段需要以一定速度分离离合器达到及时切断动力传递的目的，在上述工况结 束阶段要平稳地接合离合器，均匀增加离合器传递动力的摩擦力矩，使传动系和车辆 不至于产生过大冲击度和摩擦功。离合器的控制包括完全分离、半接合(滑摩)、完全接 合三个状态。 选、换档控制 选、换档控制是通过控制两个电机完成变速器传动比的转换。选档和换档控制有 严格的时序要求，即只有选档到位后才可进行换档操作。换档控制时间与换档力和主 被动齿轮转速差大小有关，换档力越大换档时间越小，转速差越大换档时间越长。换 档引起动力中断的时间与换档冲击往往是矛盾的，要快速平稳地实现换档，变速器的 选换档控制需要与发动机控制和离合器控制进行协调配合。AMT 系统应能够根据发动 机负荷和车速等情况自动变换传动比，使汽车获得良好的动力性和燃料经济性。 发动机控制 正常行驶时通过油门执行机构控制油门开度跟踪驾驶员踩下的加速踏板位移，实 现油门跟踪控制。换档过程中通过油门控制发动机的输出转速和扭矩，上换档时降低 发动机转速而下换档时调高发动机转速使其与离合器从动盘转速一致，防止离合器控 制和油门控制的不协调和时序错误使动力中断过程中发动机转速过高造成的燃料浪费 和噪音，同时保证很小的离合器主从动片转速差，减少离合器接合磨损和造成换档冲 击。起步过程中通过油门控制发动机的输出扭矩和转速，保证车辆按驾驶员的要求平 稳起步。 （2）安全功能 起动禁止如果变速器啮合车辆不在空档位置，这时需要通过控制起动电机禁止 发动机起动，避免车辆前冲，造成人员或车辆的损伤，同时防止起动电机超负荷工作， 轿车用机械式自动变速器操控机构设计 13 影响其寿命。 倒档安全 手柄在倒档位置时，要求 TCU 控制变速器挂倒档，TCU 要判断车速是否为零，如 不为零则暂时停止执行挂倒档的操作，以免造成变速箱齿轮打齿对变速箱产生磨损， 以及如果挂不上档，对行车效率和安全也会产生影响。另外，为了防止驾驶员误操作， 即使车速为零，如果一轴转速太高，也不执行挂倒档的操作。 转速差过高禁止同步 在变速器主从动齿轮同步过程中，如果主从动齿轮转速差过高，为保证同步器使 用寿命，防止过大的换档冲击，要禁止执行同步操作，待转速差降到允许的设定值范 围内方可同步。 转速差过大限制离合器接合行程 在换档过程的动力恢复阶段，协调控制发动机转速和离合器行程，为了防止发动 机转速变化率过大造成的换档冲击，在离合器主从动盘转速差过大时限制离合器的接 合行程，但滑摩功和冲击度是相对的，所以这种控制方案要以适当牺牲离合器滑摩功 为代价。 熄火延时 当驾驶员关钥匙熄火后，要通过延时电路继续向 AMT 供电，防止在未摘空档的情 况下，由突然断电引起的离合器快速接合而造成的冲击，以及对人或车造成的伤害:另 外也给驾驶员一定时间，在熄火后发现未摘空档时以便及时摘档。 防止熄火 在刹车和减速工况，通过发动机转速和转速变化率来判定发动机是否可能熄火， 当发动机熄火的判定条件满足时，就快速分离离合器，及时切断离合器的动力传递， 防止发动机熄火。 坡道起步 防止车辆在坡道上起步时出现倒溜而造成的安全隐患，安装坡上起步装置或通过 发动机离合器的联合控制，实现坡道安全平稳起步。 应急功能 在 TCU 故障时，车辆可以安全模式行驶，使驾驶员将车辆开往修理厂维修。 （3）诊断功能 离合器磨损 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 14 由于起步、换档过程中要靠离合器的滑摩来平稳传递动力，而干式离合器不可避 免地要造成磨损，离合器磨损后如不及时诊断并补偿会直接影响起步、换档品质，所 以要有离合器磨损自诊断和磨损补偿功能。 传感器故障 传感器出现故障，会造成控制系统的混乱，对于离合器行程，油门开度及加速踏 板位移等位移传感器故障主要通过给定工况及最大、最小值比较来判断是否有故障， 而对发动机转速、输入轴转速及车速三个脉冲量主要通过三者的冗余关系来判断其中 之一是否出现故障 执行机构故障 执行机构故障主要发生在电机上，执行过程所产生的失步将导致离合器分离不彻 底或接合不完全、选换档不到位而挂不上档，需要对失步的产生进行补偿。故障发生 时，TCU 应生成国际标准故障代码 BCD 码供检修，同时提醒驾驶员注意。 （4）辅助功能 爬行起步 城市道路工况、倒车或特殊工况，车辆慢起步，确保安全和舒适。 巡航功能 驾驶员无需踩踏板，AMT 系统通过对油门开度、档位变换，使车辆按最佳燃油经 济性或最佳动力性按设定的车速行驶。 驱动防滑 车辆在附着系数低的冰雪或湿滑路面起步或加速时，AMT 系统可通过对离合器、 油门和档位变化来控制输出轴转矩来控制牵引力，以达到防滑控制的目的，提高车辆 的操纵性、稳定性和安全性。 显示功能 包括故障显示和档位显示，故障显示可把故障情况反映给驾驶员，以便及时采取 措施排除故障，档位显示防止驾驶员档位误操作。系统具有串口，可将车辆运行状态 通过串口上传上位机 LABVIEW 系统，进行车辆状态显示及数据分析。 2.2.2 AMT 的关键技术的关键技术 在电电式 AMT 系统中，执行电动机为步进电机或直流电动机，电机控制性能的 好坏直接决定系统的性能。AMT 控制系统中，除要求电动机应具有快速准确跟踪指令 轿车用机械式自动变速器操控机构设计 15 信号的能力，还应考虑电动机与被控对象间的机械连接、AMT 系统非线性、时变性等 对电机控制性能的影响。电机控制策略是 AMT 系统的关键技术之一。此外，电控单元 中对电机控制的软硬件设计，直接影响电机控制性能，也是系统开发的主要研究内容。 （1）离合器的起步控制 离合器起步控制技术离合器起步控制是 AMT 的难点。AMT 车辆由于取消了离合 器踏板，司机意图只能通过加速踏板表达，起步工况因车辆载荷、路面状况及驾驶员 意图等因素变化多样。起步过程中离合器与发动机需要协调配合，离合器模型本身存 在着非线性、时变、滞后等问题，使动力传动系统的控制，尤其是干式离合器和发动 机的配合控制非常复杂，不同的环境条件、不同的车辆状况及不同的驾驶习惯和操纵 意图，要求采用不同的控制策略。在起步和换档过程中，离合器要自动分离和接合， 接合过快会造成严重冲击，影响舒适性和传动系寿命，甚至造成发动机熄火;接合过慢， 由于离合器滑摩时间过长，温度急剧上升，会加速摩擦副的磨损，也影响车辆的动力 性。所有这些都使离合器控制问题复杂化。 为保证离合器的控制性能，国内外进行了长期的研究，结果表明接合规律由人 车环境共同确定。1983 年 Esenovsky-Lashkov 对发动机转速与油门开度、离合器传 递扭矩与其行程的关系进行了理论分析，建议以发动机转速或油门开度作为离合器接 合过程的控制参数，Pellegrino 对此进行了试验研究。J.M.施利克和 1954 年上市的 NAVI5 采用并发展了这种思想，控制策略被细分成爬行控制(Creep)和正常(Normal) 控制两种模式。但是试验表明仅仅根据发动机的信息确定的接合规律不能满足乘员对 舒适性的要求。Karihara、sugimura、Braun、westendorf、Fischer 等增加信息采集量， 以油门开度、发动机转速、离合器从动片转速、离合器行程作为控制参数，利用发动 机与离合器从动片的转速差和油门开度信号控制离合器的接合过程，同时以离合器行 程或传递扭矩构成闭环控制，这是目前非常有影响的控制方案。1993 年 Tanaka 首次引 入司机经验，利用发动机转速、加速踏板角度、离合器输出轴转速以及发动机转速变 化率，采用模糊规则获得离合器接合过程的位移变化量，实车试验表明无论在平坦路 面还是坡道起步，均获得了较为满意的效果。申水文将控制器分为两层，上层在线推 理离合器操作逻辑，下层适时执行操作逻辑，发展了专家模糊控制、综合模糊控制和 基于规则的 PID 模糊控制。1998 年雷雨龙提出维持发动机恒速起步控制原则，可以减 小滑摩和排放污染，但没有将整车行驶平稳性作为控制目标。2000 年陈俐将自动离合 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 16 器分成两个解耦的子系统，并采用自适应最优控制方法取得了较好的控制效果。 但是由于离合器控制是一个复杂的人车环境的综合控制问题，车辆本身的动 力学特性十分复杂，离合器控制受负载条件、道路条件、气候条件、车辆磨损状况及 驾驶员意图等诸多因素的影响。同时离合器膜片弹簧的非线性载荷变形特性，摩擦 片的磨损对离合器摩擦系数和传递扭矩的影响，摩擦片摩擦系数受温度变化的影响及 与主、从动盘转速差的复杂关系，发动机动态特性的非线性，轮胎和悬挂系统特性的 非线性，此外控制目标不但需要满足起步过程车辆的平顺性要求，还要满足减少离合 器磨损，延长离合器使用寿命的要求，而两个控制目标又是相互矛盾的，给离合器接 合性能的动态评价造成困难，这些都对最佳接合规律的实现带来相当大的难度。在离 合器控制中通过对所采集传感器信息来辨识驾驶员意图、车辆运行状态和外界环境， 确定能适应各种工况、性能优良的最佳离合器接合规律，是实现离合器智能化控制的 关键。 （2）档位决策与控制 档位决策与控制就是根据驾驶员意图、车辆运行状态和外界环境，按照设定的目 标(如经济性、动力性)最佳的原则，确定当前车辆的最佳档位，并通过选换档执行机构 的控制使变速器工作在最佳档位。 为提高车辆动力性和燃油经济性，必须合理选择换档时机并始终在最佳档位行驶， 同时换档操作应保证换档过程的平稳性和快捷性。换档策略是指变速器的自动换档时 刻随控制参数而变化的关系。换档控制策略的优劣是衡量车辆在采用自动变速技术后 能否充分发挥其动力性、经济性及可驾驶性的关键。 最佳档位的决策方法早期主要采用基于理论求解的方法，即选择一定的换档控制 参数，如两参数(车速、油门)或动态三参数(车速、油门、加速度)，按照某种指标最优 的目标，通过车辆动力学方程求解获得换档控制规律，已形成了完整的理论和求解步 骤。目前所采用的不论是基于稳定行驶工况的两参数控制理论，还是基于动态过程的 三参数控制理论，都只能反映汽车的行驶状态，而没有考虑行驶环境和驾驶员操纵意 愿对传动系统自动变速控制的影响。在车辆运行环境和车辆工况与最佳换档规律设定 一致时，才能保证车辆处于最优档位，当车辆的实际运行条件与换档规律的设定条件 有较大差别时，则无法保证在最优档位工作。如在复杂路面遇到坡道、弯道、制动等 情况时，会出现频繁换档的现象，有时甚至会产生与驾驶员实际愿望相反的操作，即 意外换档和换档循环，不具有自动适应车辆状况、道路环境和驾驶员意图的能力。为 轿车用机械式自动变速器操控机构设计 17 使换档控制能适应道路环境变化和不同的驾驶意图，很多学者进行了这方面的研究。 如 Hiroshi Yamaguchi 采用车速、节气门开度、发动机转速和档位为控制参数，归纳出 控制规则，模仿熟练驾驶员的操作以改善自动换档性能。申水文引入坡道和弯道等环 境信息和模糊推理技术，在线修正二参数换档规律，以实现在坡道、弯道等特殊环境 条件下按驾驶员意图正确换档。 由于 AMT 换档过程是在切断动力的条件下进行的，因此要求换档时间尽可能短， 以减少动力损失。而切断动力和恢复动力的过程均会造成冲击，冲击的强度又随这两 个过程时间的缩短而增加，因此既要缩短换档时间，又要减少换档冲击，这对换档控 制提出了更高要求。最佳档位决策除与车辆工况参数有关外，还受到路面环境、驾驶 意图等的影响，存在着时变、变结构及非线性等特点。制定适应性强、换档性能优越 的智能换档策略，是 AMT 技术研究和发展的重要方向，也是当前 AMT 的一大技术难 题。 （3）发动机控制技术 由于 AMT 自身的结构特点，在换档时必须切断动力。换档前后传动系统传动比发 生了突变，在动力切断后再次接合时，必然会产生冲击。AMT 车辆在起步时，离合器 从动盘的转速开始时为零，主、从动盘的转速差最大，离合器接合时必然产生车辆的 冲击和离合器的磨损，必须通过对离合器接合速度及发动机转速的协调控制，使车辆 冲击和离合器磨损均能达到满意的效果，所以发动机控制是提高电控机械自动变速换 档品质，改善车辆起步及行驶平稳性和延长离合器使用寿命的关键。在 AMT 系统中， 发动机和离合器及变速器之间存在着相互关联、相互影响，必须对各子系统进行协调 配合控制，这也是 AMT 系统的核心技术。 2.3 本章小结本章小结 本章主要是介绍了 AMT 变速器的工作原理和 AMT 的三种分类：电控气动 AMT、电控液动 AMT、电控电动 AMT，其中电控电动 AMT 有着控制系统的结构简 单，重量轻，成本低，控制方法上简单等的有点，所以电控电动 AMT 的发展潜力较大。 另外本章还介绍了 AMT 的系统功能和 AMT 的关键控制技术。其中 AMT 控制系统的 功能设计主要考虑了四个方面:基本功能、安全功能、诊断功能和辅助功能。以 AMT 的基本功能为主，离合器控制，选、换档控制，发动机控制为 AMT 的关键控制技术。 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 18 第第 3 章章 电动离合器操控机构的设计电动离合器操控机构的设计 3.1 电动离合器执行机构的方案选择电动离合器执行机构的方案选择 电动离合器是将原有的由人控制的离合器改由电子控制，模仿经验丰富的驾驶员 来对离合器进行分离与接合。它是在传统的离合器上并联上一套由电机驱动的执行机 构。总的来说，离合器执行机构需要完成两个任务。一方面，将作为动力源的电机所 带来的旋转运动通过一定的传动方式转化为直线运动;另一方面，由于离合器分离时需 要较大的驱动力，普通的电机无法直接驱动，因此，执行机构还需要增大驱动力，即 采取一定的传动比以增大执行机构的驱动力。下面列出了目前常见的三种驱动方式。 （1）齿轮传动。齿轮传动可以采用单级或多级传动以实现较大范围的传动比，从 而达到离合器分离所需要的驱动力要求。但是汽车在起步和行驶过程中，有时离合器 的位置需要保持固定，对于齿轮传动来说，离合器位置的保持需要靠电动机供电来维 持，增加了电能损耗，而且实现起来比较困难，并且齿轮传动的结构尺寸比较大，不 利于加装。 （2）蜗轮蜗杆传动。蜗轮蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、传动平稳，噪声小 和自锁性等优点。但是在传动时，蜗轮与蜗杆啮合齿面间存在比较大的相对滑动速度， 磨损量很大，传动效率较低。另外蜗轮蜗杆常使用的是有色金属，对有色金属的消耗 量较大。 （3）螺旋传动。电动机带螺杆旋转，然后由螺杆带动螺母旋转并沿螺杆轴向运动， 这样螺母将旋转运动变成直线运动以拉紧和松开拉索，这样便使离合器得以分离和结 合。采用螺旋传动主要有以下几个优点。l)具有一定的传动比，因此可以增加电机传递 的转矩。2)当离合器需要保持在一定位置时，螺旋传动可以实现反向自锁，从而很容 易使离合器固定在一定的位置。 根据上面的讨论，本系统采用螺旋传动驱动形式。查阅桑塔纳轿车的有关离合器 方面的参数：离合器所需的最大分离力为 800N，其中分离轴承的分离行程为 9mm，而 分离轴承与离合器分离指之间的自由行程为 3mm。根据其参数设计出一种轿车用的 AMT 电动离合器的操作机构，对该机构的要求是：在满足提供足够的分离力的情况下 电机功率应该尽量小，机构能在 0.12s 之内分离离合器。离合器的操作机构简图如下图 轿车用机械式自动变速器操控机构设计 19 3.1 1 电动机 2 螺杆 3 螺母 4 助力弹簧 5 拉杆 6 分离杠杆 7 分离轴承 8 离合器 图 3.1 离合器操控机构原理图 工作原理：电动机工作，带动螺杆转动，螺杆的旋转运功转换成套在螺杆上的螺 母的向右的直线运动。螺母拉动拉杆向右移动，拉杆拉动分离杠杆绕其支点逆时针转 过一个角度后推动分离轴承做向左的轴向移动，从而使离合器分离。电机的反转则使 离合器结合。 3.2 电机的选型电机的选型 分离离合器所需的最大推力为 800N，其中分离的有效行程是，要求分离mmS9 1 的有效行程所需时间为 0.08s，则计算出分离离合器的最大功率。 WWP90 08 . 0 009 . 0 800 t S F 1 1 MAX 离 根据分离离合器所需的功率以及功率余量选取电机。 选取 5DM120A 型号的直流电机，参数表 3.1： 表表 3.1 离合器直流电机的参数离合器直流电机的参数 额定电压额定电流额定功率额定转速额定转矩 12V13A120W2000rpm0.8Nm 3.3 电动离合器操控机构各零件的设计电动离合器操控机构各零件的设计 广东技术师范学院本科毕业论文（设计） 20 3.3.1 螺杆的设计螺杆的设计 （1）螺杆驱动力的计算 由于要求离合器螺杆能双向传力，且能使螺旋副自锁，效率不能太低，加工容易， 所以选用梯形螺纹。离合器操作机构采用的螺旋副传动方式为螺杠转动螺母移动， 其受力方式如图3.2所示，即螺母承受轴向力F，对应的螺杠驱动力矩为Mt。 图3.2 螺旋副受力图 在轴向载荷F的作用下，丝杆中径的处的圆周力Ft为： 2 d （3-1） 2 tan 2 22 d F d FF dt 其中为螺纹升角： （3-2） 2 arctan d L 为当量摩擦角，若用代入上式（3-2），则有： d tan22 2 Ld （3-3） 2tan tan 2 FLFL M d t L为螺纹导程，为丝杆的传动效率，则有丝杆轴向负荷与输入转矩的关系： （3-4） L M F t 2 螺母的移动速度与螺杆转速的关系为：。nLv 设计分离杠杆的比值为1:2，其中2为拉杆端，所以分离离合器拉杆端所需的最大拉 力为。N400N 2 800 2 F 离 拉 F 为了能满足分离离合器在0.12S内实现，则要求螺母的移动速度为： 轿车用机械式自动变速器操控机构设计 21 （3-5） t iS v i为分离杠杆的杠杆比 i=2； S为离合器的总行程 ； 21 SSS 为离合器的有效分离行程 ； 1 SmmS9 1 为离合器分离轴承的自由行程 ； 1 SmmS3 2 将各个数值代入式（3-5）得 min 12200 12 . 0 392 m s mm s mm v （2）计算丝杆的中径 2 d （3-6） p F d 2 F为轴向载荷 F=400N； 梯形和矩形螺纹 取=0.8； 螺母为整体式的 取；3 . 1 为材料的许用压强 根据螺母的滑动速度选用螺杆的材料为45刚，螺母的材料 p 为灰铸铁。则其滑动螺旋副材料的许用压强取； Mpap5 将各个数值代入式（3-6） ，得：mmmmd3 . 6 53 .