機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

鄭福洪

（畢節(jié)市財(cái)貿(mào)學(xué)校，貴州 畢節(jié) 551700）

引言

變速器為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，液力機(jī)械式自動(dòng)變速器可在不切斷動(dòng)力的情況下實(shí)現(xiàn)換擋操作，而且具有起步平穩(wěn)的優(yōu)勢(shì)，但是，液力機(jī)械式自動(dòng)變速器傳動(dòng)效率較低。手動(dòng)固定式齒輪變速器雖然傳動(dòng)效率高、制造成本低，但是換擋困難，對(duì)駕駛員的操作要求較高。機(jī)械式變速器是以微型計(jì)算機(jī)控制為核心的固定軸式變速器，具有傳動(dòng)效率高、制造成本低、操作方便的優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前混合動(dòng)力系統(tǒng)的汽車中[1]。本文將著重對(duì)機(jī)械式變速器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 機(jī)械式變速器的總體設(shè)計(jì)

汽車為當(dāng)前人們?nèi)粘３鲂械闹饕煌üぞ撸移涿磕耆匀灰詭浊лv的速度增長(zhǎng)。在當(dāng)前石油資源消耗嚴(yán)重、環(huán)境污染嚴(yán)重以及混合動(dòng)力汽車?yán)m(xù)航里程長(zhǎng)、動(dòng)力性能優(yōu)越等特點(diǎn)形勢(shì)下，混合動(dòng)力汽車將成為當(dāng)前汽車的主流。在眾多類型的變速器對(duì)比后，將機(jī)械式變速器應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車為最佳選擇[2]。

機(jī)械式變速器是在固定軸式齒輪變速箱的基礎(chǔ)上，基于微型處理器為核心將換擋、選擋、供油等操作集成為一體實(shí)現(xiàn)的變速器。鑒于混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)汽車的特殊性，機(jī)械式變速器的應(yīng)用也相對(duì)復(fù)雜。機(jī)械式變速器在混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 機(jī)械式變速器在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用

2 機(jī)械式變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)械式變速器的關(guān)鍵部件，其直接影響機(jī)械式變速器的性能甚至整車的性能。

可應(yīng)用于機(jī)械式變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力源的控制方式包括有電液控制方式、電氣控制方式以及全電控制方式。其中，電氣控制系統(tǒng)換擋速度慢且成本較低；電液控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、扭矩范圍廣，但是該系統(tǒng)存在成本高、所占空間較大、車內(nèi)布置復(fù)雜等缺點(diǎn)；全電控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、控制精度高、制造成本低，但是該系統(tǒng)的控制程度復(fù)雜，包括有兩電機(jī)、三電機(jī)以及四電機(jī)的控制方式[3]。

綜合分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同動(dòng)力源的優(yōu)劣性對(duì)比結(jié)果，針對(duì)混合動(dòng)力汽車擬采用三電機(jī)全電控制系統(tǒng)為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。本節(jié)將根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及車體實(shí)際布置設(shè)計(jì)兩種三電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比得出最佳驅(qū)動(dòng)方案。

2.1 三電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案一

基于三電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案下的換擋、選擋機(jī)構(gòu)傳動(dòng)三維模型如下頁圖2所示。

如圖2所示的基于三電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案選擋換單執(zhí)行機(jī)構(gòu)為平行軸式絲杠螺母齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的絲杠實(shí)現(xiàn)軸向方向的傳動(dòng)，而齒輪實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該種選擋、換擋機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)可從很大程度上降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，延長(zhǎng)混合動(dòng)力汽車的使用壽命。而且，基于平行軸式絲杠螺母齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以確保離合器在工作中所承受的阻力相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 選擋、換擋機(jī)構(gòu)傳動(dòng)三維模型

2.2 三電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案二

三電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案二中的選擋和換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別采用兩個(gè)電機(jī)完成，其對(duì)應(yīng)的三維模型如下頁圖3所示。

圖3 選擋、換擋采用獨(dú)自電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維模型圖

如圖3所示的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用凸輪機(jī)構(gòu)完成換擋操作，從而導(dǎo)致在實(shí)際操作中出現(xiàn)選擋不準(zhǔn)確的問題。同時(shí)，圖3所示的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致加工困難較大，最終成品的精度較低[4]。

綜合對(duì)比上述兩種方案，最終選擇方案一對(duì)三電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因此，基于方案一完成對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，包括選擋電機(jī)和掛擋電機(jī)。

3 選擋電機(jī)的選型

選擋電機(jī)總的行程為15 mm，結(jié)合混合動(dòng)力汽車的選擋策略設(shè)定選定操作執(zhí)行的時(shí)間為0.15 s，一般電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算，得出選擋電機(jī)的扭矩為0.011 9 N·m。結(jié)合冗余設(shè)計(jì)的原則，設(shè)計(jì)電機(jī)的傳動(dòng)效率為50%，則實(shí)際電機(jī)所需扭矩為0.023 8 N·m，換算得出選擋電機(jī)的功率為10 W。

4 掛擋電機(jī)的選型

掛擋電機(jī)總的行程為20°，結(jié)合混合動(dòng)力汽車的掛擋策略設(shè)定選定操作執(zhí)行的時(shí)間為0.2 s，一般電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。結(jié)合冗余設(shè)計(jì)的原則，設(shè)計(jì)電機(jī)的傳動(dòng)效率為50%，則實(shí)際電機(jī)所需扭矩為0.083 3 N·m，換算得出掛擋電機(jī)的功率為35 W。

5 機(jī)械式變速器試驗(yàn)研究

機(jī)械式變速器的控制為一個(gè)龐大的電氣控制系統(tǒng)，其需根據(jù)混合動(dòng)力汽車的實(shí)際工控并根據(jù)提前設(shè)定的規(guī)律和決策完成汽車的換擋、起步等操作；同時(shí)，機(jī)械式變速器電氣控制系統(tǒng)還具備對(duì)換擋決策和換擋品質(zhì)的控制功能。根據(jù)混合動(dòng)力汽車的工況設(shè)計(jì)如圖4所示的控制策略流程圖。

圖4 機(jī)械式變速器控制策略流程圖

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)機(jī)械式變速器對(duì)混合動(dòng)力汽車的控制效果，驗(yàn)證其是否滿足整車的控制要求，分別對(duì)相應(yīng)的臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)進(jìn)行研究。

5.1 臺(tái)架試驗(yàn)

針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械式變速器的臺(tái)架試驗(yàn)需完成對(duì)臺(tái)架功能的檢查、變速器控制系統(tǒng)的調(diào)試與標(biāo)定以及正式開展機(jī)械式變速器的驗(yàn)證試驗(yàn)[5]。并在此對(duì)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案一和方案二進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 兩方案換擋過程中的最大車速降值對(duì)比 km/h

如表1所示，隨著節(jié)氣門開度的增加，在實(shí)際換擋過程中最大車速降值減小，而且，在節(jié)氣門同樣開度大小下，方案一對(duì)應(yīng)的車速降值小于方案二，與理論分析結(jié)論一致。

5.2 整車試驗(yàn)

將方案一的驅(qū)動(dòng)方案應(yīng)用于整車試驗(yàn)中，得出如下結(jié)論：

1）平行軸式絲杠螺母齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為主驅(qū)動(dòng)方案被應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車中，其對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性得到明顯的改善；

2）方案一的驅(qū)動(dòng)方案下整車的油耗得到明顯改善。

6 結(jié)語

變速器為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能直接決定整車動(dòng)力、油耗等，因此，對(duì)于不同類型汽車應(yīng)選擇合適的變速器實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的驅(qū)動(dòng)。本文注重對(duì)機(jī)械式變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用全電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械式變速器進(jìn)行控制。經(jīng)試驗(yàn)分析可知，基于三電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案下的平行軸式絲杠螺母齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)被應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車中對(duì)汽車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及油耗均得到明顯改善，而且，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在換擋過程中汽車車速降值不明顯。