AMT自動變速器離合器執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD】

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AMT是在傳統(tǒng)的固定軸式變速器和干式離合器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用微電子駕駛和控制理論，一電子控制器（ECU）為核心，通過電動、液壓或氣動執(zhí)行機構(gòu)對選、換檔機構(gòu)、離合器、油門進行操作，來實現(xiàn)起步和換檔的自動操作。AMT的基本控制原理是：ECU根據(jù)駕駛員的操作（油門踩板、制動踏板、轉(zhuǎn)向盤、選檔器的操作）和車輛的運行狀態(tài)（車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速器輸入轉(zhuǎn)速），綜合判斷、確定駕駛員的意圖以及路面情況，采用相應(yīng)的控制規(guī)律，發(fā)出控制指令，借助于相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，對車輛的動力傳動系統(tǒng)進行操作【1】。 二、AMT的控制結(jié)構(gòu) AMT系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。 硬件系統(tǒng)主要包括被控對象、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、電控單元（TCU）四部分： 1.被控對象：發(fā)動機、離合器和變速器； 2.執(zhí)行機構(gòu)：由選、換檔執(zhí)行機構(gòu)，離合器執(zhí)行機構(gòu)，油門執(zhí)行機構(gòu)組成（剛性AMT不需油門執(zhí)行機構(gòu)）。油門執(zhí)行機構(gòu)一般采用步進電機、磁電式電機驅(qū)動油門或采用成熟的電子油門產(chǎn)品。目前，按照執(zhí)行機構(gòu)動力源的不同，AMT的執(zhí)行機構(gòu)可分為電控氣動，電控液動和電控電動（全電式）三種類型。 （1）電控氣動AMT 氣動系統(tǒng)是根據(jù)電控單元的指令控制單元閥，使執(zhí)行機構(gòu)自動地完成離合器分離、接合和變速器選換檔等動作的。只有在車上有現(xiàn)成的儲氣罐時，氣動能源可以直接由儲氣罐提供，不需要額外的能源裝置。其系統(tǒng)的工作情況與液壓系統(tǒng)基本相同。 （2）電控液動AMT 液壓系統(tǒng)根據(jù)電控單元的指令控制電磁閥，使執(zhí)行機構(gòu)自動地完成離合器分離、接合和變速器選換檔等動作的。電控液動的選換檔系統(tǒng)具有能容量大、操作簡便、控制精度高、響應(yīng)快，易于實現(xiàn)安全保護、具有一定的吸收振動與沖擊的能力以及便于空間布置等優(yōu)點。但是利用高速開關(guān)閥來控制離合器的系統(tǒng)中，其主要的缺點就是溫度的變化使離合器的執(zhí)行機構(gòu)中液壓油的粘度發(fā)生變化，因而使離合器回油管路壓力損失發(fā)生變化。溫度降低，閥出口壓力增大，回油量減小，離合器的接合速度較慢，導(dǎo)致在汽車剛開始起步時加速度較小。而且溫度降低到一定的程度之后，液壓油的流動性能大大降低。另外由于受到溫度的影響，該系統(tǒng)在北方寒冷地帶的使用有一定的限制。其次，液壓元件對加工的精度要求非常高，加工工藝復(fù)雜，對油品質(zhì)、密封性和抗污染等性能要求高。 （3）電控電動式AMT 近些年來，電子產(chǎn)品性能上的不斷完善，使得在變速控制系統(tǒng)中采用電力拖動成為可能。將自動變速控制系統(tǒng)中要直接控制的對象：油門、離合器以及選換檔裝置的動作采取電動機帶動的方式。 3. 傳感器：AMT的傳感器包括速度傳感器（發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器）、油門位置傳感器、檔位傳感器等。 4. 電控部分：包括TCU板（含CPU、ROM、RAM、I/O接口等）、線速等。 圖1 AMT總體控制結(jié)構(gòu)【2】 三、AMT的發(fā)展階段 AMT的發(fā)展大致可分為以下三個階段【3】。 1. 半自動AMT階段，即SAMT階段（1975—1984） Fichtel&Sachs公司的Saxomat便是基于這一思想的較為成熟的AMT產(chǎn)品。該裝置利用電子技術(shù)控制干摩擦離合器，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于一個確定值時控制離合器分離；當(dāng)駕駛員踩下油門時重新接合離合器。同時在換檔手柄上安裝開關(guān)傳感器，確保駕駛員換檔時分離和接合離合器。瑞典Scania的CAG系統(tǒng)，德國Daimler-Benz公司的EPS系統(tǒng)，美國的SMAT系統(tǒng)等均為這種形式【4】。但由于受當(dāng)時電子技術(shù)水平的限制其效果并不理想。車輛起步時易使發(fā)動機熄火和失速，仍然存在接合沖擊，分離滯后等缺陷。 2. 全自動AMT階段（1984—1990）。 從80年代中期開始，人們從技術(shù)角度上考慮如何實現(xiàn)對離合器的自動控制。其標(biāo)志是1984年ISUZU投放于市場的NAVAI-5電控機械式自動變速器。它采用了計算機控制系統(tǒng)微機，主要完成起步與換檔時離合器及檔位的控制。它彌補了AT價格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷，提供廉價的全自動變速器產(chǎn)品。隨后日本的Nissan、美國的FordEaton等公司均開展此方面的研究，其整體結(jié)構(gòu)都與NAVAI-5相似【5】【6】。但是該時期的產(chǎn)品本身仍存在著明顯的缺點：如換檔規(guī)律仍不完善，在坡道彎道等特殊道路條件下出現(xiàn)頻繁和意外的換檔現(xiàn)象；離合器的控制也不完美，造成車輛起步與換檔時的沖擊現(xiàn)象，舒適性很差。 3. 智能化IAMT階段（1990—至今） 換檔規(guī)律和車輛起步時離合器的控制問題都受外界環(huán)境、駕駛員的主觀愿望和車輛客觀運行狀態(tài)的影響。國內(nèi)外都采用智能方法進行此方面的研究，智能化IAMT在復(fù)雜多變的外界條件下使車輛的換檔和起步性能有進一步的提高。設(shè)計重量輕、體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、便于維修和拆裝的執(zhí)行機構(gòu)，實施精度高、響應(yīng)快、魯棒形強的控制策略是今后離合器自動操縱的發(fā)展方向。 四、AMT國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r AMT保留了原手動變速器總成的絕大部分機構(gòu),只是將其手動變速的操縱機構(gòu)用自動操縱機構(gòu)所取代,生產(chǎn)繼承性好,改造成本低,見效快,并且通過軟件的優(yōu)化設(shè)計可以全面提高車輛的使用性能。因此,世界各大汽車公司和一些科研院校都在進行此項技術(shù)的研究和開發(fā)工作。由于我國的汽車工業(yè)基礎(chǔ)較國外薄弱，在AMT的研究與生產(chǎn)領(lǐng)域也存在一定的差距。 1. 國外情況 早在20世紀(jì)60年代,歐洲的一些汽車公司就開始了AMT技術(shù)的研究工作,20世紀(jì)80年代開發(fā)出第一代AMT產(chǎn)品,并首先裝配在重型車輛上進行嘗試。AMT技術(shù)的日益成熟,使車輛在復(fù)雜多變條件下的換擋品質(zhì)和起步性能進一步提高AMT換擋不平穩(wěn)、噪聲比較大和舒適性差的缺陷得到解決,應(yīng)用AMT技術(shù)的汽車越來越受到好評,裝配AMT的車型不斷增多。改裝成本不斷降低,達到了用戶可以接受的程度,市場對AMT的需求開始增加。據(jù)預(yù)測,到2008年,歐洲近50%的MT將被AMT取代,部分AT市場也會被AMT占據(jù)。因此,近年來世界各汽車生產(chǎn)企業(yè)都在努力開發(fā)新一代的AMT產(chǎn)品。這些AMT產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上大同小異,都是在原定軸式機械變速器的基礎(chǔ)上加裝替代人工手動換擋的電子控制操縱機構(gòu),但由于設(shè)計理念的不同,其性能有所差異【6】【8】。表1為國外AMT及ASCS的主要產(chǎn)品。 表1 國外AMT及ASCS主要產(chǎn)品【7】【9】 產(chǎn)品名稱 生產(chǎn)商 類型 特點 應(yīng)用 Auto Shift Eaton(美國) AMT 集成系統(tǒng)管理，現(xiàn)場可編程 中重型商用車輛 AS Tronic ZF（德國） AMT 與EDC之間通過CAN通訊 中重型商用車輛 EAS Mercedes-Bens(德國) AMT 在EPS電控動力換檔系統(tǒng)上集成離合器電子控制 中重型商用車輛 Ferrari’s System Ferrari和Magneti Marelli(意大利) 全自動ASCS 斷檔時間可達0.15d 賽車如Ferrari F355 F1 Selespeed Magneti Marelli (意大利) 全自動ASCS 電控油門，保證換檔平順 性 轎車如Alfa 1562.0 TwinSparkVersion M-Sequential BMW（德國） 自動離合器 價格便宜，體積小，非全自動，不如Selespeed動作迅速平滑 高級轎車 Sensonic Saab（瑞典） 自動離合器 電動，具有自適應(yīng)能力 轎車如Saab 900Sensonic Easy system AP(英國)、Renault(法國) 自動離合器 液動 ACTS AP Borg&Beck (英國) 自動離合器 電動油門、液動離合器，離合器油缸內(nèi)置行程傳感器 ECS(EKS) Fichtel&Sachs （德國） 自動離合器 部分產(chǎn)品以電機驅(qū)動 2. 國內(nèi)現(xiàn)狀 我國從20世紀(jì)80年代初就開始了AMT技術(shù)的研究工作,并取得了一系列成果。在AMT技術(shù)理論上的研究與國際水平相當(dāng),但在產(chǎn)品化方面,與國外的差距較大【3】。表2列出了國內(nèi)開展AMT技術(shù)研究的單位及其產(chǎn)品特點。 國內(nèi)在AMT研究方面已走過了近二十年的歷程，目前開展AMT研究開發(fā)工作的有很多家。通過不少單位的共同努力，取得了一些突破性進展， 表2國內(nèi)AMT及ASCS主要產(chǎn)品【11】【12】 研制單位 類型 特點 實驗使用車型 吉林工業(yè)大學(xué)全 自動ASCS 具有坡道起步輔助裝置，進行了廣泛的理論研究 重型車、轎車 北京理工大學(xué) 自動ASCS 電控液動，具有保持檔功能 重型車 深圳欣源晟實業(yè)有限公司 全自動ASCS 普通電機驅(qū)動，離合器驅(qū)動機構(gòu)有省力裝置，選檔和換檔驅(qū)動機構(gòu)一致 轎車 重慶東方歐翔汽車電子有限公司 全自動ASCS 采用模糊控制，電控液動 轎車、輕型車 哈爾濱埃姆特汽車電子有限公司 全自動ASCS 電控電動，油門機構(gòu)采用連桿復(fù)合機構(gòu)并加裝輔助彈簧，離合器驅(qū)動機構(gòu)具有省力裝置 轎車 理論方面的研究和國際水平大體相當(dāng)，經(jīng)過臺架試驗和整車道路試驗，通過了相關(guān)部門的鑒定，換檔品質(zhì)達到了熟練駕駛員的效果。盡管國內(nèi)在AMT研究方面投入了很多力量，也取得了不少成果，但目前除了奇瑞公司生產(chǎn)的QQ車型裝備了從國外引進AMT外，還沒有真正實現(xiàn)產(chǎn)品化，產(chǎn)業(yè)化進展并不順利，存在一些關(guān)鍵問題需要解決。 五、AMT的特點 AMT具有傳統(tǒng)齒輪變速器傳動效率高、成本低、易于制造等優(yōu)點，同時也具有操縱方便的自動變速功能。由于這些特點，發(fā)展AMT技術(shù)是很有前景的，總結(jié)如下： 1. AMT的優(yōu)點是： 通過電線實現(xiàn)換檔，駕駛員不必再為變速器換檔而踩離合器踏板，也不必再為變速器的選檔、換檔操縱換檔桿。 和機械變速器一樣，具有很高的機械傳動效率。 生產(chǎn)傳統(tǒng)手動機械換檔變速器的生產(chǎn)線，只需稍加改造便可繼續(xù)使用。除控制、操縱部件外，生產(chǎn)額外投資很少。 如果行駛中AMT脫檔，駕駛員能通過“推測功能”繼續(xù)掛到原來選定的檔位。 防護濫用離合器。 2、AMT的缺點是： 不可避免的換檔功率損失； 換檔時由于牽引力中斷，使乘坐舒適性受到影響。 從總體來看，AMT的是一種有很多優(yōu)點，并能夠適應(yīng)汽車發(fā)展和市場要求的變速器。雖然目前AT還是主流，但是AMT的市場將會慢慢的增多。 六、AMT幾個關(guān)鍵技術(shù)及存在的難題 1. 離合器控制 離合器起步控制是AMT的難點，AMT車輛由于取消了離合器踏板，司機只能通過加速踏板表達其意愿。起步工況因車輛載荷、路面狀況及駕駛員意愿等因素變化多樣，起步過程中離合器與發(fā)動機需要協(xié)調(diào)配合，離合器模型本身存在著非線性、時變、滯后等問題，使動力傳動系統(tǒng)的控制，尤其是干式離合器和發(fā)動機的配合控制非常復(fù)雜，不同的環(huán)境條件、不同的車輛狀況及不同的駕駛習(xí)慣和操縱意圖，要求采用不同的控制策略。在起步和換檔過程中，離合器要自動分離和接合，接合過快會造成嚴(yán)重沖擊，影響舒適性和傳動系壽命，甚至造成發(fā)動機熄火；接合過慢，由于離合器滑磨時間過長，溫度急劇上升，會加速摩擦副的磨損，也影響車輛的動力性【13】。所有這些都使離合器控制問題復(fù)雜化。 2. 檔位決策與控制 檔位決策與控制就是根據(jù)車輛運行情況、道路情況和駕駛意圖，按照設(shè)定的目標(biāo)（如經(jīng)濟性、動力性）最佳的原則，確定當(dāng)前車輛的最佳檔位，并通過選換檔執(zhí)行機構(gòu)的控制使變速器最佳換檔。為提高車輛動力性和燃油經(jīng)濟性，必須保證合理選擇換檔時機并始終在最佳檔位行駛，同時換檔操作應(yīng)保證換檔過程的平穩(wěn)性和快捷性。AMT系統(tǒng)由換檔執(zhí)行機構(gòu)按預(yù)先制定的換檔控制策略，在電控單元的控制下實現(xiàn)檔位的自動變換，換檔策略是指變速器的自動換檔時刻隨控制參數(shù)而變化的關(guān)系。換擋控制策略的優(yōu)劣是衡量車輛在采用自動變速技術(shù)后能否充分發(fā)揮其動力性、經(jīng)濟性及可駕駛性的關(guān)鍵【15】。 3. 動力傳動系統(tǒng)一體化控制 由于AMT自身的結(jié)構(gòu)特點，在換檔時必須切斷動力。換檔前后傳動系統(tǒng)傳動比發(fā)生了突變，在動力切斷后再次接合時，必然會產(chǎn)生沖擊。要使這種沖擊較小，就必須對換檔過程中的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩進行自動控制。AMT車輛在起步時，離合器從動盤的轉(zhuǎn)速開始為零，主、從動盤的轉(zhuǎn)速差最大，離合器接合時必然產(chǎn)生車輛的沖擊和離合器的磨損，必須通過對離合器接合速度及發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制，使車輛沖擊和離合器磨損均能達到滿意的效果，所以發(fā)動機控制是提高電控機械自動變速換檔品質(zhì)，改善車輛起步及行駛平穩(wěn)性和延長離合器使用壽命的關(guān)鍵【17】【18】。 在我國同樣地存在一些關(guān)鍵問題需要解決：一是控制問題，AMT的控制難度較AT和CVT大，AMT是動力中斷情況下的換擋，需要頻繁地控制離合器，由于轎車的慣量較小，離合器的控制好壞直接影響起步和換擋控制的平順性，同時，每輛汽車的離合器行程存在差異，因此，離合器起步控制和換檔控制難以正確反映駕駛員操縱意圖，不能適應(yīng)復(fù)雜多變的行駛環(huán)境，成為困擾AMT技術(shù)發(fā)展的難點，造成離合器磨損和坡道、彎道意外換擋等不良現(xiàn)象，影響了乘坐舒適性，很難適應(yīng)人們對轎車性能越來越高的要求。目前國內(nèi)AMT的研發(fā)多數(shù)為僅僅限于對變速器換檔換位執(zhí)行機構(gòu)、離合器執(zhí)行機構(gòu)和發(fā)動機油門的控制，只是模擬熟練駕駛員換檔過程實現(xiàn)自動化的。AMT與發(fā)動機聯(lián)合的綜合控制才開始研究，運用CAN總線發(fā)動機的通信還屬于起步階段。二是可靠性和穩(wěn)定性問題，這是AMT產(chǎn)品能否被生產(chǎn)接受的關(guān)鍵，也是困擾AMT產(chǎn)業(yè)化的核心問題。 七、國內(nèi)開發(fā)AMT的意義 在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行AMT技術(shù)改造,并最終形成自己的AMT系列化產(chǎn)品符合我國國情。 1.汽車是中國工業(yè)產(chǎn)品中的傳統(tǒng)主力產(chǎn)品,但我國的汽車主流市場與歐美發(fā)達國家相比,前者注重實用技術(shù)和實現(xiàn)簡單功能,并以犧牲舒適性來求得低價;后者是以高技術(shù)、高安全、高舒適為追求目標(biāo)。這就造成了進口的汽車單臺價格高,而出口的載貨汽車單臺價格較低(不到日本產(chǎn)品的1/2,歐美產(chǎn)品的1/3)的現(xiàn)象。這表明,我國的汽車產(chǎn)品與國際上知名的品牌相比還不具備優(yōu)勢,在整車可靠性、動力性、安全性、舒適性、環(huán)保性以及采用電子控制系統(tǒng)等方面仍有很大差距。在國產(chǎn)汽車上采用AMT技術(shù)無疑是縮小這一差距的捷徑,也只有這樣才能適應(yīng)世界汽車的發(fā)展趨勢。 2. 我國龐大的市場需求,吸引了越來越多的國際汽車制造商,大眾、本田、豐田等著名公司或是合資,或是引進新品,正在加大對我國汽車市場的滲透,知名品牌的汽車不斷進入我國市場,這無疑加大了對國內(nèi)汽車企業(yè)的威脅。因此,我國汽車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)有緊迫性,應(yīng)以積極的態(tài)度應(yīng)對國際上的競爭對手,爭取盡快研制開發(fā)出適用于汽車的高性能AMT產(chǎn)品。也只有這樣才能保持AMT產(chǎn)品的開發(fā)和經(jīng)營自主權(quán)。 3. 隨著我國經(jīng)濟的快速增長,國內(nèi)市場對汽車產(chǎn)品的駕駛方便性、舒適性、安全性等方面的要求越來越高,市場正呼喚能夠真正升級換代的汽車產(chǎn)品。因此,應(yīng)首先嘗試在既具有自主知識產(chǎn)權(quán)又具有一定生產(chǎn)規(guī)模的車輛上,開發(fā)出能滿足基本使用要求的國產(chǎn)AMT產(chǎn)品,以供用戶選擇配套【13】。 4. 在AMT技術(shù)基礎(chǔ)上,選用排放達標(biāo)的柴油機,并采用動力傳動一體化控制技術(shù),既能滿足駕駛方便性、舒適性的要求,又能滿足排放法規(guī)的要求。面對國際上的競爭壓力和國內(nèi)市場的需求,我國正處在發(fā)展AMT技術(shù)的關(guān)鍵時刻【20】。因此,開發(fā)AMT系列化、實用化產(chǎn)品,使AMT技術(shù)和產(chǎn)品逐步實現(xiàn)商品化和產(chǎn)業(yè)化,對我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。 通過對AMT情況的了解，可以看出在汽車上裝配AMT的優(yōu)勢。由此，對AMT的研究是必要的，是汽車發(fā)展的要求。特別在我國，研究AMT具有更大的意義。 參考文獻 [1]葛安林, 車輛自動變速理論與設(shè)計[M]，北京：機械工業(yè)出版社，1993 [2]劉戰(zhàn)芳,自動離合器的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J], 城市車輛, 2007-3: 54-56 [3]殷紅幸,董玉梁,自動變速技術(shù)的發(fā)展及國內(nèi)現(xiàn)狀[J].世界汽車,2002,7:21-22 [4] Dunkley. 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