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第 1 章 绪 论
现代汽车的动力源多数以内燃机为主,其输出转矩和转速的变化范围相对较小,难以适应汽车在不同工况条件行驶的要求;变速器的功能是通过以不同传动比的形式实现降速增扭的目的,使车辆在不同工况下获得不同的驱动力和车速,同时还能使发动机在最优工况下行驶以满足动力性和燃油经济性的要求。变速器设有空挡以实现怠速、车辆滑行以及停车时发动机中断向驱动轮输出动力的能力;利用变速器的倒挡还能实现车辆的倒向行驶。变速器的性能对汽车的动力性与操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率都有重要的影响[1]。
1.1 变速器概述
变速器的诸多功能使其在汽车的发展历程中扮演着不可或缺的重要角色,即使新能源汽车配备变速器后对能源的利用效率也有很大的提升。从 1892 年法国标致汽车制造出第一辆配备有变速器的汽车至今,变速器的发展已走过 100 多年的历史。在变速器的100 多年的发展历程中出现了各种样式及型号的变速器,这些变速器都对提升汽车的性能有巨大的帮助。纵观变速器的发展历史,其类型主要有以下几种:机械式手动变速器(Manual Transmission,简称 MT)、无级式自动变速器(Continuously Variable Transmission,简称 CVT)、液力机械式自动变速器(Automatic Transmission,简称 AT)、双离合器式自动变速器( Double Clutch Transmission,简称 DCT)和电控机械式自动变速器( AutomatedMechanical Transmission,简称 AMT)等[2-3]。机械式手动变速器(MT)是各种类型变速器中最早出现的一种变速器,其技术较为成熟、机构简单、传动效率高,加工制造方便、造价低廉,零件种类少、可靠性高,无需专门的控制机构;采用齿轮传动能传递较大的扭矩,尤其是双中间轴机械式手动变速器在有效控制体积与重量的前提下显著提升了承载能力,这对提升车辆动力性有巨大的帮助,目前国内变速器生产企业法士特公司生产的双中间轴机械式手动变速器最大承载扭矩可达到 2400n·m[4]。
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1.2 AMT 变速器国内外发展状况
AMT 技术最早诞生于上世纪 70 年代中期的欧洲,在科学技术不断的发展以及人们对驾驶舒适性的要求不断提高的时代背景下,使得欧洲一些汽车生产厂家有条件及动力去研究自动变速技术。但彼时的研究水平仍旧停留在半自动化阶段即 SAMT 阶段;上世纪 80 年中晚期,随着控制技术与电子技术的发展,AMT 技术逐渐过渡到全自动化阶段,AMT 技术得到质的飞跃;进入到新世纪后,随着模糊控制以及一系列智能化技术的发展,AMT 技术开始迈入到智能化的新阶段,其应对复杂工况及条件的能力得到进一步提升。纵观 AMT 变速器几十年的发展历史,其大致可以划分为以下 3 个阶段[18]:
(1) 半自动化阶段。该阶段始于上世纪 70 年代,在此阶段的 AMT 系统中离合器踏板得到保留,执行换挡动作的时刻取决于驾驶员何时踩踏离合器踏板。控制系统获取驾驶员换挡信号后对变速操纵机构发出指令,由变速操纵机构拨动结合套与目标挡位齿轮啮合进而完成换挡动作。此阶段代表性产品主要有瑞典斯堪尼亚的 CAG 系统、美国伊顿的 SAMT 系统,它们都是半自动化 AMT 变速器的代表作。
(2) 全自动化阶段。从上世纪 80 年代中后期开始,AMT 技术发展到全自动化阶段。在该阶段的 AMT 系统中离合器踏板不再保留,离合器的结合与分离由人工控制变为自动控制,此阶段研究的重点是换挡控制与换挡策略以及离合器的智能控制。全自动化AMT 变速器在车辆行驶过程中,驾驶员只需要操纵加速踏板就能实现车辆起步和车速控制,其自动化水平较半自动化阶段已有较大的提高,很大程度上减轻了驾驶员的工作强度。日本五十铃公司在上世纪八十年代投放 NAVI-5 型电控机械式自动变速器标志AMT 的发展进入全自动化阶段,此后尼桑、福特、菲亚特等公司都相继推出此类型变速器。
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第 2 章 AMT 变速器工作原理及关键技术
2.1 AMT 变速器的工作原理
AMT 变速器是在 MT 变速器的基础上演变发展而来的一型具有自动换挡功能的变速器。AMT 变速器除了具有 MT 变速器的优点外,还具有根据车辆行驶状态参数及驾驶员意图进行自动换挡的功能。其工作原理是在车辆起步以及行驶过程中,电控单元根据传感器采集到的车辆各行驶状态参数如发动机转速、油门开度、车速等参数与电控单元预先存储的换挡控制规律进行比较,通过反馈理论控制个执行机构的动作,进而实现行驶过程中的换挡自动化。AMT 变速器的基本工作原理如图 2.1 所示
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2.2 AMT 变速器关键技术
从 AMT 的工作原理来看,其在工作时的控制过程及手段看似简单,但由于车辆在行驶过程中 AMT 变速器控制单元需要输入和输出的参数众多,其复杂性和多样性以及车辆在复杂工况下各种状态参数变化的瞬时性使得在 AMT 控制技术方面存在着一定的难度。当前 AMT 变速器设计研发方面的关键技术主要有以下几个方面[30]。电控单元主要包括发动机控制单元、离合器控制单元、变速器控制单元,它是整个AMT 控制系统的关键部件。由于车辆需要在各种不同道路条件及工况下行驶,为保证其在复杂条件下行驶时的工作品质,这就对电控单元工作性能的稳定性提出了更高的要求。因而在开发设计电控单元时,需要考虑的各种参数及要求就很多,如行驶速度、节气门开度、控制结果的准确性、外界温度以及抵御干扰和振动的能力。同时,AMT 变速器在换挡时是多参数输入和输出的过程并且按照闭环反馈理论进行控制的,因此对控制单元的数据处理能力及运算速度提出了更高的要求,以满足车辆在复杂工况条件下响应能力。
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第 3 章 某重型履带式车辆 AMT 变速器系统概述...........14
3.1 AMT 系统总体概述.........14
3.2 AMT 变速操纵机构介绍...........14
3.3 操纵机构的工作原理.......15
3.4 本章小结.......17
第 4 章 AMT 变速器变速操纵机构的设计.....18
4.1 操纵机构的总体设计.......18
4.2 操纵机构液压系统方案设计.....18
4.3 变速箱动力学建模...........19
4.4 执行机构参数概述...........20
4.5 挂挡力的确定.........21
4.6 换挡缸结构分析.....24
4.7 换挡缸参数设计.....25
4.8 换挡缸运动状态分析.......26
4.9 选位缸结构参数及运动过程分析.......31
4.10 选位缸参数设计.............32
4.11 选位缸运动状态分析.....32
4.12 本章小结.....37
第 5 章 AMT 变速操纵机构液压系统建模仿真...... 38
5.1 Simulation X 仿真系统介绍......38
5.2 液压系统仿真模型的建立.........38
5.3 液压系统仿真分析...........38
5.4 低温条件下液压系统仿真.........42
5.5 台架及寒区试验.....44
5.6 本章小结.......45
第 5 章 AMT 变速操纵机构液压系统建模仿真
5.1 Simulation X 仿真系统介绍
Simulation X 软件是德国 ITI 公司开发的一款分析评价技术系统内部各部件相互作用的权威软件,是多学科领域建模、仿真和分析的通用 CAE 工具。面向用户的模块和版本、多功能性和众多软件接口使得 Simulation X 可以满足用户在不同应用领域的各种需求。它在其核心应用领域—所有工业行业中的传动及控制技术,如流体传动、机电传动和电磁驱动等有超过 20 年的建模和仿真经验。这些技术有效地应用到传动技术、汽车行业、工程机械、能源技术、精密仪器、航空航天、船舶工业等行业中去。Simulation X 基于物理模型的图形化、基元化建模方式使得用户从繁琐的数学建模中解放出来从而专注于物理系统本身,而不需要编写任何程序代码。Simulation X 包涵了多种标准元件库:1D 力学、3D 多体系统、动力传动系统、液力学(包括管道模型和液压元件设计库)、气动力学、热力学、热液电子学、电驱动、磁学和控制等。SimulationX 提供了一个标准化、规范化和图形化的二次开发平台 TypeDesigner,使得工程技术人员不仅可以直接对 Simulation X 所有模型进行修改,还可以基于 Modelica 语言创建新模型,并能够把用户自己的 C 代码模型以图形化模块的方式集成进 Simulation X 软件包,从而满足工程中大量非标元件的需求。Simulation X 是一个开放式的仿真平台,提供了大量的数据接口。可以与 CAX 等类型软件顺利兼容;提供了 Co 模拟库包含了能与几乎所有的仿真工具兼容的万用块;Com接口允许 Simulation X 与其他的 Windows 应用程序进行通信[49]。#p#分页标题#e#
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结 论
AMT 自动变速器以自身结构简单、性能可靠、成本低廉、维护保养方面的特点使其受到到广大用户的喜爱。本文依托某履带式重型车辆变速箱改装项目,对 AMT 变速器的变速操纵机构进行了研究,并在某履带式重型车辆所搭载机械式手动变速器的基础上通过一定的改装,设计出相关 AMT 变速操纵机构,使该型车辆具备自动换挡功能以提升车辆自动化水平。本文以 AMT 变速器的换挡过程为研究目标,研究所涉及的方面及主要结果如下:介绍变速器的在车辆动力传动中的作用,对当前市场常见的几种变速进行介绍,分析其在动力传动、燃油经济性等方面的优缺点。阐述 AMT 变速器国内外的发展历史及研究现状。介绍了 AMT 变速器的工作原理,阐述 AMT 变速器的在开发设计时的关键技术、难点及应对方案。对 AMT 变速器变速操纵机构分类、工作特性及优缺点进行阐述;结合本文研究的某履带式重型车辆 AMT 系统,对其动力传动过程、换挡操作过程进行了介绍,对变速操纵机构的结构布置、工作原理进行阐述并以 1 挡换入 2 挡为例对换挡过程进行了简要说明。依据对 AMT 工作原理的分析及布置要求。设计出一种 AMT 变速器变速操纵机构;对某履带式重型车辆所搭载的机械式手动变速箱进行动力学建模,通过数学建模得出换挡时同步器操纵力;对换挡动作的各种运动状态进行动力学建模分析,从理论计算的层面得出摘挡、选位及挂挡动作的时间,为变速操纵机构的液压系统设计提供理论支持。通过对换挡动作的各种运动状态的动力学建模分析,利用 Simulation X 软件搭建了变速操纵机构液压系统仿真模型。通过运行仿真模型得出结论:以 1 挡换入 2 挡为例,在执行换挡动作时,当油源压力设定在 3.5Mpa 时,变速操纵机构液压缸的摘挡、选位、挂挡位移输出时间与理论计算结果基本相符合,验证了模型建立的正确性并利用某型试验台开展了的相关台架试验;同时为验证低温条件下的工作性能,针对低温条件的换挡过程进行仿真。仿真结果表明,在低温条件下,AMT 变速器变速操纵机构仍能保持稳定的工作性能,达到了改装的要求,证明了所构建模型的合理性。为验证其可靠性,课题组利用试验样车开展了寒区可靠性试验,实地验证了在低温条件下的 AMT 变速操纵机构的工作性能及贮存的可靠性,验证了整套执行机构的工作可靠性。
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参考文献(略)