MQ200-5F電磁離合器控制式自動變速器的研究

趙春，王廣權(quán)

(張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口075000)

0 引言

變速器是汽車傳動系統(tǒng)中的主要變速裝置，在汽車行駛時，通過換擋可以產(chǎn)生不同的變速比，使發(fā)動機(jī)工作在最佳工作狀態(tài)下。由于手動變速器的制作成本相對較低，制造工藝又比較成熟，在市場中依然占據(jù)了大量的份額。然而手動變速器在降低駕駛工作的勞動強(qiáng)度、改善駕乘人員的駕乘舒適性和安全性等方面，明顯不如自動變速器具有優(yōu)勢，因而自動變速器占有的市場份額會越來越大，逐漸成為汽車生產(chǎn)廠商重點關(guān)注的關(guān)鍵零部件。目前按照換擋機(jī)構(gòu)不同，自動變速器主要有電控電動式、電控氣動式、電控液動式3種，但是此3種形式的自動變速器又存在著制造困難、維修難度大、成本高等不同方面的問題。因此，開發(fā)一種制造簡單、維修方便、成本較低的自動變速器勢在必行。

1 變速器整體設(shè)計

以定軸輪系手動變速器 (MT)為基礎(chǔ)，在不改變手動變速器整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的前提下，取消手動變速器中的換擋機(jī)械操縱機(jī)構(gòu)，用電磁離合器替代原來的機(jī)械操作機(jī)構(gòu)，ECU通過控制電磁離合器來實現(xiàn)相應(yīng)擋位的換擋，變速仍然由齒輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中換擋控制電磁離合器為雙向電磁離合器，主要包括左從動盤、雙向電磁線圈 (主動部件)、右從動盤等部件。主要由雙向電磁線圈構(gòu)成的離合器主動部件，通過可以沿變速器輸出軸軸向移動的花鍵與變速器輸出軸相連，左右從動盤分別與所對應(yīng)擋位的從動齒輪固聯(lián)。雙向電磁線圈斷電時，電磁離合器處于分離狀態(tài)，離合器的主動部件與左、右從動部件是分離的，變速器不傳遞動力，此時處于空擋位置。當(dāng)進(jìn)行掛擋時，通過給雙向電磁線圈的左邊或右邊線圈通電，控制離合器處于結(jié)合狀態(tài)，動力由變速器對應(yīng)的擋位輸出。需要變換擋位時，首先斷開前一擋位電磁離合器線圈電路，同時接通下一擋位電磁離合器線圈電路，通過精確控制雙向電磁線圈的通斷電時刻，就可以實現(xiàn)前一擋位離合器在逐漸分離時、下一擋位離合器正處于逐漸接合的過程，這樣就可以完成平穩(wěn)換擋。

2 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁離合器設(shè)計

電磁離合器控制式自動變速器是在手動機(jī)械變速器基礎(chǔ)上開發(fā)而成，只是把原來的換擋機(jī)構(gòu)替換為電控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此設(shè)計與優(yōu)化電控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電磁離合器控制式自動變速器開發(fā)工作的關(guān)鍵內(nèi)容。此次所研究的電磁離合器控制式自動變速器中電磁離合器為摩擦片式離合器，通過控制電磁線圈中電流的通斷來控制電磁離合器的離合。采用摩擦片式電磁離合器，具有結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)合和分離迅速等優(yōu)點。通過改變摩擦面積和摩擦片片數(shù)以及線圈中電流的大小來實現(xiàn)實際應(yīng)用中對轉(zhuǎn)矩大小的需求［1］。此離合器設(shè)計成對稱的雙向式，線圈采用無滑環(huán)固定不動的設(shè)計，可以減小轉(zhuǎn)動慣量，而且也容易接線，有利于電路的設(shè)計和布置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

通過采取一些措施可以解決電磁離合器剩磁問題，比如在電磁離合器的線圈上并聯(lián)一只耐壓12 V容量200 F的電容器，利用電工純鐵或低標(biāo)號低碳鋼制造磁軛和銜鐵來減少剩磁影響。電磁離合器具有離、合和換擋的雙重功能。根據(jù)不同的擋位要求，設(shè)計成左右對稱雙向結(jié)構(gòu)，離合器的左右兩部分都能實現(xiàn)離合和換擋的功能。當(dāng)左邊工作時，左邊線圈通電，離合器左半部進(jìn)入工作狀態(tài)，右邊線圈不通電，離合器右半部不工作;當(dāng)右邊工作時，右邊線圈通電，離合器的右半部分進(jìn)入工作狀態(tài)，左邊線圈不通電，離合器左半部不工作。

3 各擋動力傳遞路線

如圖1所示，一擋動力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→一擋主動齒輪25→一擋從動齒輪2→離合器從動盤3→離合器主動部件4→輸出軸17→動力輸出。

二擋動力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→二擋主動齒輪24→二擋從動齒輪6→離合器從動盤5→離合器主動部件4→變速器輸出軸17→動力輸出。

三擋動力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→三擋主動齒輪23→三擋從動齒輪7→離合器從動盤8→離合器主動部件9→輸出軸17→動力輸出。

四擋動力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→四擋主動齒輪22→四擋從動齒輪11→離合器從動盤10→離合器主動部件9→輸出軸17→動力輸出。

五擋動力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→五擋主動齒輪21→五擋從動齒輪12→離合器從動盤13→離合器主動部分14→輸出軸17→動力輸出。

倒擋動力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合齒輪→中間軸常嚙合齒輪26→中間軸19→倒擋主動齒輪20→倒擋中間軸及齒輪18→倒擋從動齒輪16→離合器從動盤15→離合器主動部件14→輸出軸17→動力輸出。

4 換擋過程

4.1 前進(jìn)擋換擋過程

變速器換擋時，換擋控制要有嚴(yán)格的時序和邏輯控制，都是在ECU的控制下完成［2］。如果相鄰兩個擋位是同一電磁離合器控制的，那么離合器的一邊在逐漸分離的同時，另一邊會逐漸結(jié)合。如果相鄰兩個擋位不是同一電磁離合器控制的，那么前一擋位電磁離合器的一邊在逐漸分離的同時，后一擋位電磁離合器的一邊會逐漸結(jié)合。如三擋升四擋時，當(dāng)離合器主動部件9開始向右移動與從動盤8逐漸分離時，也是離合器主動部件9與從動盤10逐漸接合的過程，前一擋位對應(yīng)的主動部件與從動盤完全分離時也是下一擋位對應(yīng)的主動部件與從動盤完全接合的時刻，完成由三擋升到四擋。動力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合主動齒輪1→常嚙合從動齒輪26→中間軸19→四擋主動齒輪22→四擋從動齒輪11→離合器從動盤10→離合器主動部件9→輸出軸17→輸出動力。

4.2 倒擋換擋過程

掛入擋時，電磁離合器在電控單元控制下，離合器主動部件14由空擋位置開始軸向向右移動，并逐漸接合，當(dāng)完全結(jié)合時，完成由空擋到倒擋的換擋過程。動力傳遞路線為:變速器輸入軸及常嚙合主動齒輪1→常嚙合從動齒輪26→中間軸19→倒擋主動齒輪20→倒擋中間軸及齒輪18→倒擋從動齒輪16→離合器從動盤15→離合器主動部件14→輸出軸17→輸出動力。

5 控制分析

自動變速在ECU的控制下。ECU通過采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、擋位開關(guān)、車速、節(jié)氣門位置等傳感器信號，并對這些信號進(jìn)行進(jìn)一步處理，轉(zhuǎn)換成ECU能夠識別的電信號，進(jìn)行比較運(yùn)算或邏輯判斷，判斷變速器是否換擋，從而形成各個執(zhí)行指令，來驅(qū)動相應(yīng)的換擋離合器實現(xiàn)換擋。可以通過控制線圈中電流的大小來實現(xiàn)離合器的結(jié)合強(qiáng)度，從而實現(xiàn)自動換擋。

6 變速器的性能試驗

選擇機(jī)械封閉式檢測臺，檢測臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入軸扭矩為0～2 000 N·m，轉(zhuǎn)速為0～2 500 r/min的條件下對變速器的各個擋進(jìn)行了試驗，通過檢測自動變速器在不同的輸入轉(zhuǎn)速、不同的輸入扭矩下輸出功率與輸入功率得到變速器的傳動效率值。檢測數(shù)據(jù)顯示:新設(shè)計的自動變速器，在不同的轉(zhuǎn)速下各個擋位的扭矩和傳動效率符合使用要求。檢測結(jié)果如表1所示。

表1 自動變速器性能檢測數(shù)據(jù)表

7 結(jié)束語

電磁離合器控制式自動變速器可以實現(xiàn)復(fù)雜多樣的控制功能，使變速器的性能得到提高，取消了傳統(tǒng)變速器撥叉軸、撥叉和同步器等，使得自動變速器機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化，對原有手動變速器生產(chǎn)線繼承性好，控制精度更高，反應(yīng)動作更準(zhǔn)確，不受氣溫或油溫影響，對環(huán)境適應(yīng)性好［3］。作者所研究的電磁離合器控制式自動變速器符合目前我國變速器發(fā)展現(xiàn)狀，為開發(fā)低成本、高性能的自動變速器提供了一條可行的技術(shù)路線，是企業(yè)可以重點考慮、優(yōu)先發(fā)展的自動變速器產(chǎn)品。

【1】盛兆順，尹琦嶺.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:73－75.

【2】張海勇.方差平穩(wěn)隨機(jī)信號的一種處理方法［J］.電子與信息學(xué)報，2002，24(12):1879 －1884.

【3】邱緒云，吳光強(qiáng)，范睿.自動變速器CAN總線通信技術(shù)的實現(xiàn)［J］.電氣傳動，2007，37(2):47 －49，56.