机械自动变速器SAMT系统及重要部件设计与分析

第一章 绪论

机械式自动变速器 AMT 是成本最低的自动变速器。它用相应的执行机构来代替传统的离合器踏板和换档杆，因而保留了手动变速器的高效率和加速性能。但和其它自动变速器对比，它的换档质量不高。其原因是 AMT 在换挡时，需要先摘挡、再选档，然后挂档，在摘下原档位到挂上新档位需要一定的时间，在这段时间内，发动机到汽车的动力传输完全被切断。这个过程所导致的动力中断和行驶平顺性差等是 AMT 亟需改善的问题。针对上述问题，目前国内外有很多公司或科研机构，对 AMT 进行结构上的改进，设计、制造出多种新型机械式自动变速器，试图解决 AMT 在换挡时动力中断的问题。

1.1 新型机械式自动变速器的国内外研究现状
荷兰的Drivetrain Innovation（简称DTI）公司通过改造传统AMT的部分结构，加入新的动力换档装置，研制出PowershiftAMT（简称PS-AMT），并且该公司已经开发出一辆搭配轻型柴油发动机、6 档PS-AMT的三菱样品试验车[1]。如 图 1-1 所示是PS-AMT的爆炸视图。从图中可以看出PS-AMT包含如下组件：壳体经过改造的AMT、CSC装置、制动装置、行星齿轮装置、离合器和飞轮以及电液驱动装置[2]。
PS-AMT的动力换档装置（Powershift Equipment）包括动力分动装置、制动装置和离合器。动力分动装置由行星齿轮系组成。行星齿轮系的太阳轮和离合器盖相连，行星架和变速器输出轴相连，齿圈和制动装置相连。当变速器进行换档时，制动装置开始工作。换档过程中，离合器的主从动盘相互分离，发动机的力矩经过行星齿轮系传递到变速器输出轴，从而实现换档时动力不中断的功能。换档结束后，制动装置停止工作，发动机的力矩由离合器负责传递，行星齿轮系不再传递力矩[3]。下面以 1 档升 2 档为例，结合 图 1-2，讲述PS-AMT的升档步骤。图中的红线表示离合器B传递的力矩，蓝线表示发动机力矩，绿线表示制动装置C的力矩[4]：
1. 汽车以 1 档行驶，离合器 C 闭合，制动装置 B 不工作；
2. 开始换档，离合器开始分离，制动装置开始工作。发动机的力矩传递开始由离合器慢慢转移到行星齿轮系。离合器传递的力矩慢慢下降，制动装置的制动力矩慢慢增加，行星齿轮系传递的力矩慢慢上升；发动机力矩保持不变或稳定增长；
3. 离合器完全分离，变速器升至 2 档；此时离合器传递力矩为零，制动装置的制动力达到最大，行星齿轮系传递的力矩也达到峰值；
4. 离合器慢慢结合，制动装置的制动力随之下降，离合器传递的力矩慢慢回升，行星齿轮系传递的力矩慢慢下降；
5. 离合器完全结合，制动装置停止工作，行星齿轮系不再传递力矩，换档结束[5]。
因此，PS-AMT能显著改善传统AMT换档时动力中断的缺点。DTI公司的三菱样品车在使用新的PS-AMT动力换档装置后，换档时的动力中断现象得到了明显的改善[6]。2004 年，日本日立公司的Hiroshi Kuroiwa等人研发了中断补偿AMT[7]。图 1-3 是中断补偿AMT的系统结构示意图，它在现有MT的高速齿轮端增加了一个辅助离合器。中断补偿AMT采用了 3 套执行机构：一套用来控制原有离合器，另一套用来控制选、换档齿轮，还有一套用于控制辅助离合器。执行机构可以由液力或电机驱动，为了布置方便及控制精确，这里采用电机驱动方式。为了协助变速器决定换档时机，系统装有 6 个传感器：输入轴速度传感器，输出轴速度传感器，变速器油温传感器，当前档位传感器，所选档位传感器，原有离合器行程传感器。传感器将信息输送到AMT的控制模块，AMT控制模块综合发动机控制模块ECU的信息，通过内置的电机驱动执行机构来控制变速器，执行换档指令[8]。
中断补偿AMT辅助系统的关键构成部分包括辅助离合器、驱动辅助离合器的电动执行机构。1～4 档齿轮通过齿轮离合器与输出轴啮合，5 档齿轮是通过辅助离合器与输入轴啮合。辅助离合器代替了普通 5 档MT的同步器，并增加一个电机，电机里有一个装置能将旋转运动转变成直线运动以驱动辅助离合器。这样可以减小变速器的轴向尺寸，因此这种变速器可以应用于发动机悬置空间非常有限的主流FF车型[9]。中断补偿AMT从 1 档换到 2 档的换档过程分为 3 个阶段，图中的a、b和c分别对应分离阶段、转速同步阶段和齿轮（2 档）啮合阶段。换档过程如下[10]：
1. 换档开始前由 1 档齿轮传递力矩；
2. 齿轮分离阶段。1 档齿轮与输出轴逐渐分离，与此同时，辅助离合器使 5 档齿轮逐渐与输入轴啮合（只啮合到一定程度，并未完全啮合），在此瞬态过程中经辅助离合器传递的力矩不断增加，而经 1 档齿轮传递的力矩逐渐降低，直到降为零；
3. 转速同步阶段。1 档齿轮已完全分离，变速器借助辅助离合器接合的程度改变发动机转速，以便使 2 档齿轮啮合，在此瞬态过程中力矩只通过辅助离合器、5 档齿轮传递；
4. 齿轮啮合阶段。发动机转速达到能使 2 档齿轮啮合的程度，齿轮执行机构驱动 2档齿轮与输出轴啮合，与此同时，辅助离合器使 5 档齿轮逐渐分离，在此瞬态过程中经2 档齿轮传递的力矩不断增加，而经辅助离合器传递的力矩逐渐降低，直到降为零；
5. 换档结束后，2 档齿轮传递力矩；6. 换档过程中，中断补偿 AMT 实现了无动力中断换档，所以这种 AMT 的升降档都很平稳。

1.2 零间隙换档机械式自动变速器及其现状 ...............13-14
1.3 本论文的研究意义 ...............14-15
1.4 本论文的研究内容 ...............15-17
第二章 基于最小冲击度的零间隙换档机械式自动变速器SAMT 工作原理 ..........17-45
2.1 SAMT 的自动变速原理 ...............17-38
2.2 SAMT 的同步器啮合角与换挡品质的关系研究 ...............38-43
2.3 基于最小冲击度的同步器啮合角 ...............43-44
2.4 本章小结 ...............44-45
第三章 SAMT 系统及关键部件设计与分析 ...............45-59
3.1 SAMT 系统设计 ...............46-48
3.2 同步器设计与分析 ...............48-53
3.3 变速器设计与分析 ...............53-55
3.4 离合器设计与分析 ...............55
3.5 SAMT 装配 ...............55-58
3.6 本章小结 ...............58-59
第四章 SAMT 换挡过程的换挡品质仿真分析 ...............59-79
4.1 多刚体动力学方程的建立和求解 ...............59-62
4.2 仿真参数设定 ...............62-69
4.3 SAMT 升档过程的工作品质仿真分析 ...............69-74
4.4 SAMT 降档过程的工作品质仿真分析 ...............74-78
4.5 本章小结 ...............78-79

全文总结

1. 目前国内针对零间隙换档机械式自动变速器 SAMT 的文献以介绍性的文章居多，并未深入探究 SAMT 的工作原理。本文在第二章中，详细论述了在 SAMT 的换挡过程中，发动机、离合器和变速器的工作原理，包括发动机转速的调节、离合器压紧力的调节、换档点的选择以及换挡机构的动作等等，对国内的这一块研究领域做了有效的补充；
2. 结合变速器换挡品质的三个评价指标，研究了 SAMT 同步器的啮合角与冲击度、换挡时间和滑磨功的关系，得出如下结论，当啮合角θ 在[2.5o ,15o ]范围内取值时：冲击度随着啮合角的增大而减小；换挡时间随着啮合角的增大而延长；滑磨功随着啮合角的增大而增加。
3. 根据同步器啮合角与 SAMT 换挡品质的关系，选取最小冲击度下的啮合角为θ = 15o ；根据此啮合角，对 SAMT 进行系统设计与三维建模，建立了包括离合器、变速器齿轮、同步器、输入输出轴在内的 SAMT 机械系统。
4. 将建立的 SAMT 三维模型导入动力学仿真软件 ADAMS 中，形成 SAMT 虚拟样机模型，根据整车仿真模型和实际变速器所采用的材料等，对虚拟样机模型进行参数设置，包括等效转动惯量的设置、碰撞力参数的设置，并添加各种运动副和驱动。利用ADAMS 中的模型验证功能，验证了模型的正确性；
5. 在 SAMT 虚拟样机模型的基础上，设定 SAMT 升降档过程中发动机转速和离合器的变化曲线，以及 SAMT 的换挡时机、变速器的换挡动作等，得出了 SAMT 升降档过程中的车速、加速度和冲击度曲线。

参考文献

[1] 苏玉刚. 汽车 AMT 的系统设计和智能控制技术研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2004
[2] Ngo D V., Hofman T., Steinbuch M., et al. Improvement of fuel economy in Power-ShiftAutomated Manual Transmission through shift strategy optimization-an experimentalstudy[C]. IEEE, 2010: 1-5
[3] O'Neill A., Harrison A.. Robotized powershift AMTs[J]. VEHICLE SYSTEMSINTEGRATION, THE WAY AHEAD. 2000: 217-230.
[4] 宫煜朋, 张天成. 介绍一种有效改善 AMT 动力中断缺陷的动力换档系统[J]. 汽车齿轮, 2010(03): 30-38
[5] 宫煜朋, 张天成. 有效改善 AMT 动力中断的换挡系统[J]. 现代零部件, 2011(10):86-88
[6] 钟再敏, 孔国玲, 余卓平等. 机械式自动变速器动力中断研究进展及解决方案[J].同济大学学报(自然科学版), 2011(12) : 1850-1855
[7] Kuroiwa H., Ozaki N., Okada T, et al. Next-generation fuel-efficient automated manualtransmission[J]. Hitachi Review, 2004, 53(4) : 205-20
9[8] 周末, 钟绍华. 新型中断补偿 AMT 系统[J]. 机械传动, 2006(06) : 89-91
[9] Galvagno E., Velardocchia M., Vigliani A.. Analysis and simulation of a torque assistautomated manual transmission[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2011:1877-1886
[10] Galvagno E., Velardocchia M., Vigliani A.. A model for a flywheel automatic assistedmanual transmission[J]. Mechanism and Machine Theory, 2009, 44(6): 1294-1305