電控離合器及其自動變檔系統*

杜德躍，孔佳利

電控離合器及其自動變檔系統*

杜德躍，孔佳利

（山東華宇工學院，山東 德州 253000）

自動變速器能夠自動進行換擋操作，不需要駕駛員踩離合換擋，大大減輕了駕駛員的勞動強度，尤其在雙離合自動變速器推出之后進一步推動了變速器自動化的進程。文章在分析了現有自動變速器和手動變速器的優缺點之后，根據機械傳動原理給出了變速器電控化、精確化的方案。該設備是一種新型的由電腦進行控制的自動變速器，能夠在極短的時間內完成換擋操作，同時保證傳動的效率。在實際制作過程中證明了本套方案的可行性、可靠性及耐久性，具有不可比擬的優勢。

變速器；機械傳動裝置；電控變速系統

1 設計背景

隨著自動變速器技術的越來越成熟，目前絕大部分車型均為自動檔車型，市面上的自動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行傳遞動力，有著連接平穩，操作容易等優點，但AT變速器對速度反應較慢、傳動效率低、費油等缺點嚴重阻礙了AT變速器的發展。

（2）CT變速器，CT變速器采用傳動帶和可變槽寬的棘輪進行動力傳遞，當棘輪槽寬變化時相應改變驅動輪與從動輪上傳動帶的接觸半徑進行變速。因此是唯一能實現無極變速的變速器。有著重量輕、體積小、零件少等優點，但是也有天生帶來的傳動帶容易損壞、不能承受大扭矩等缺陷。

（3）AMT變速器，AMT變速器是在手動檔的基礎上進行改造，通過微機控制實現的自動換檔的變速器。AMT變速器有較好的基礎，成本低，但是各廠商的微機控制方案不同，也就造成了裝車后實際體驗差距較大。

綜合各變速器的優缺點以及查閱大量資料后我們設計了一種基于MT變速器的電控離合及其自動變檔系統。本套系統換檔時間短，結合平穩同時能夠傳遞較大的扭矩。

2 設計方案

2.1 總體方案

電控離合器及其自動變檔系統由齒輪組、液壓控制裝置、信號檢測模塊等組成。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，中間軸上的齒輪和輸出軸上的齒輪處于常嚙合狀態，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而成。輸出軸上相鄰兩齒輪之間各安裝有一個可軸向移動的滑塊，滑塊由摩擦襯片和芯板組成。發動機動力從輸入軸進入，經過中間軸上的齒輪帶動輸出軸上的齒輪轉動，當滑塊與輸出軸上的齒輪的摩擦片緊密接觸時，二者之間通過摩擦形成動力傳遞路線，發動機的動力經過輸入軸齒輪、中間軸齒輪、輸出軸齒輪、萬向傳動裝置傳遞給驅動輪，使汽車獲得前進的動力。

滑塊的運動由液壓裝置進行控制，液壓裝置由ECU進行精確控制。液壓裝置單獨設置液壓泵提供動力，液壓泵由發動機帶動旋轉，在液壓缸上設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行連接，換檔時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一個反饋信號，當發動機轉速較低，車速為零，ECU判斷駕駛員是要起步或倒車時，ECU根據發動機的動力與自動控制滑塊與輸出軸齒輪摩擦片之間壓力的大小，提高汽車起步時的平順性，使汽車平穩起步。ECU根據車速、發動機轉速、油門踏板信號等判斷駕駛員駕駛意圖，控制液壓裝置運動進而帶動滑塊運動，控制滑塊與輸出軸上不同齒輪的摩擦片接觸摩擦，以此傳遞發動機的動力以及完成變速器各檔位的切換。

ECU內部存儲有換擋邏輯的信息，發動機啟動后各傳感器將檢測到的信號反饋給ECU，ECU對接收到的各項信號進行分析并確定各部件的實時工作狀態以及駕駛員的駕駛意圖。

當駕駛員踩下剎車踏板時，ECU控制液壓裝置使得滑塊與齒輪的摩擦片分離，切斷動力傳遞路線。此時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踏板，ECU控制滑塊與摩擦片逐漸進行接觸，動力經變速器以及傳動系統傳給驅動輪。之后ECU根據油門踏板、車速等信號自動判斷駕駛員駕駛意圖并進行換檔操作，減少了由于頻繁換檔給駕駛員帶來的駕駛疲勞。當ECU檢測到某部件異常時會通過蜂鳴器進行報警提示，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，則會通過蜂鳴器進行報警并控制危險報警燈閃爍，以此告知駕駛員及時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，使系統進行自檢，系統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行比較，最終確定選用轉矩容量大、性能穩定、結構簡單緊湊、通風散熱性好適合高速旋轉的膜片彈簧式離合器，主要用于緩和傳動系統瞬時過載對變速器以及傳動系統的沖擊，提高各部件使用壽命。

2.2 齒輪組設計

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→常化→粗切→調質→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]等工藝進行后期處理，以此來提高齒面的硬度、接觸強度以及耐磨性，齒芯還能保持調質后的韌性，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，在摩擦襯片表面設計有冷卻油槽，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行周向固定，摩擦片可以在齒輪軸上由撥叉進行控制沿花鍵做軸向移動，撥叉由液壓管路控制其移動方向及速度。

齒輪組通過殼體進行封裝，殼體內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 液壓裝置動力部分設計

在整個電控離合及其自動變檔系統中由液壓泵作為整個系統的動力元件，液壓缸作為換檔執行元件。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，泵軸上設計有C型鍵的鍵槽，帶輪套在泵軸上之后通過鍵進行緊固連接，防止帶輪與泵軸之間產生相對的轉動。液壓泵的動力由發動機進行提供，通過皮帶連接發動機與液壓泵，當發動機運轉時同時帶動液壓泵轉動，以此來產生油壓，進而控制液壓裝置運動，控制變速器換檔。液壓泵固定在發動機架上，液壓泵的進油口連接一油箱，油箱安裝在發動機下方，以保證油箱與空氣有足夠大的接觸面積，通過空氣對油箱內的液壓油進行散熱，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電磁閥，用以控制進入液壓缸的流量。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動，液壓桿與撥叉相連，通過撥叉控制滑塊的運動。

圖2 齒輪泵

2.4 液壓控制管路設計

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一個溢流閥，當系統壓力達到閥值之后液壓油通過溢流閥直接流回油箱，保護液壓管路不會因為過高的油壓而造成的損壞。每個液壓缸兩側設置有一個電磁閥，ECU通過控制電磁閥的電壓進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滑塊的設計，每個滑塊對應一個液壓缸，通過撥叉連接滑塊與液壓缸。液壓缸的運動受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行接觸，傳遞動力。通過接收到的由液壓缸上的壓力檢測裝置檢測的信號調整滑塊與齒輪摩擦片的壓力，使得汽車能夠平穩起步。在急加速時系統會自動增大電磁閥的開度，增加滑塊與齒輪摩擦片的壓力，使得發動機的動力盡可能多的傳遞到驅動車輪，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。由于液壓系統在發動機啟動之后一直處于工作狀態，所以液壓油的選擇對于整個液壓系統的工作穩定性至關重要。在液壓管路設計中，我們根據以下三點去選擇所需的液壓油：

（1）系統的工作環境：如溫度、濕度、空氣的清潔度等。

（2）系統的工況：如泵的類型、系統的工作溫度和工作壓力等。

（3）經濟性：應考慮液壓油的價格、更換周期、維護使用是否方便、對設備壽命的影響等[3]。

所以要根據使用地區以及環境條件選擇適合的液壓油，以合適為目的。同時防止進入水分和空氣，以免影響使用。

3 結論

電控離合及其自動變檔系統采用齒輪傳動的方式傳遞發動機的動力，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力傳遞路線，將發動機的動力傳遞給驅動車輪。在整套系統中液壓泵是供能元件，在發動機啟動后負責建立起整個管路的油壓，并維持在一個穩定的數值。液壓缸的運動由ECU控制電磁閥來實現，并且輸出軸上每相鄰兩個齒輪之間有一個滑塊，變速器內部檔位分布順序為輸出軸上從左到右依次是1檔、4檔、2檔、5檔、3檔和倒檔。在換檔時使預傳動滑塊先進行運動，待預傳動滑塊與齒輪摩擦片接觸時，傳動滑塊與摩擦片進行分離，兩者之間通過液壓缸上的壓力傳感器來檢測信號，以確定兩者的工作狀態。此類設計方案的優點是每個滑塊的運動都是單獨進行控制，在運動過程中不會產生運動干涉，同時還能自定義換擋邏輯，例如預傳動滑塊與齒輪摩擦片之間的壓力達到某一數值時，傳動滑塊與齒輪摩擦片進行分離，通過大量的計算以及實際實驗來確定最終的數值，盡可能地縮短換檔所需要的時間，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廠商可以根據需要去設定換檔邏輯（例如運動型車型注重換檔時的動力性，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廠商更多的空間，去針對不同需求的客戶做出客戶更滿意的產品，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，提高產品競爭力，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].科技創新與應用.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,2019.

[3] 鮑曉兵.液壓油的選用和維護[J].液壓氣動與密封.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院本科汽車服務工程專業學生。

2020年山東省大學生省級創新創業訓練計劃項目《電控離合器及其自動變檔系統》項目編號：S20201385 7033。