商用汽车AMT气推液式选换挡机构设计与分析

第8期2011年8月机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE7文章编号10013997201108000703商用汽车AMT气推液式选换挡机构设计与分析术姜博何仁江苏大学江苏省汽车工程重点实验室，镇江212013ANALYSISANDDESIGNONPNEUMATICHYDRAULICSHIFTACTUATOROFAMTFORCOMMERCIALVEHICLEJIANGBO，HERENJIANGSUPROVINCIALKEYLABORATORYOFAUTOMOTIVEENGINEERING，JIANGSUUNIVERSITY，ZHENJIANG212013，CHINA；【摘要】根据AMT选换挡执行机构设计要求，提出了一种用于商用车的气推液式机械电控机械；自动变速器AMT选换挡机构设计方案，选换挡缸均采用普通单活塞缸，通过对高速开关阀占空比的增L量PID控制实现选挡与退挡位置的精确定位。并根据气压传动和液压传动理论建立其数学模型，进而；利用MATLABSIMULINK仿真工具建立机构仿真模型。并在不同气源压力下进行仿真试验，对挂挡、退挡、；选挡进行了动态仿真分析，为设计方案论证及其参数设计提供仿真依据。L关键词AMT；商用汽车；选换挡执行机构；仿真；【ABSTRACT】ADESIGNPROPOSALFORPNEUMATICAULICSELECTSHIFTACTUATOROFAMTWITHGENERALSINGLELPISTONSHIFTINGCYLINDERSPUTFORWARDBASEDONTHEDESIGNREQUIREMENTOFAMTSINGACTUATORANDEX；ACTSELECTSHIFT，WITHDRAWPOSITIONISACHIEVEDTHROUGHCONTROLLINGTHEDUTYCYCLEOF劬SPEEDORDOFFVALVEBYDIGITALINCREMENTALPIDCONTROLANDACCORDINGTOPNEUMATICANDHYDRAULICTHEORY，NDYNAMICMATHEMATICALLMODELOFTHEACTUATORISESWJBLISHEDTHENBYAPPLYINGMATLABSIMULINKSOFTWARE，口DYNAMICMATHEMATICALMOD；EFES口6SEMODELSF6ESIMMLOTEDMNDERPRESSUOFDIFFEREAIRSOURCE,WHICHDYAMICSIMMLA一TIONFORENGAGING0GEAR，WITHDRAWINGGEARANDSELECTINGGEARISANALYZEDWITHTHEHELPOFTHISMODELSIMULALTION，SIMULATIONREFERENCEFORDESIGNPROPOSALANDITSDESIGNEDPARAMETERISPROVIDEDI；KEYWORASAUTOMATEDMANUALTRANSMISSION；COMMERCIALVEHICLE；SELECTSHIFTACTUATOR；SIMULA一LTION中图分类号TH16，U46321202文献标识码A1引言目前，国内商用汽车上普遍装用固定轴式齿轮变速器，需要驾驶者判断换挡时刻并手动换挡并配合离合器操作。频繁换挡使驾驶者换挡疲劳，影响行车安全；换挡时刻选择不合适则会降低车辆的动力性以及燃料经济性；换挡操作过程也会带来换挡冲击影响驾车舒适。因此，原手动变速器上加装执行机构使其自动化的机械电控自动变速器AMT在商用车上有着广阔的发展空间I1。在欧洲，AMT产品很受欢迎，市场需求逐年增加，市场上以BENZ公司和ZF公司的产品最多，多用于重型多挡变速箱，执行机构为气动；在日本卡车市场，主要以某些公司AMT产品为主；在美国市场，主要以EATON公司的产品为主。国外市场，AMT在商用汽车上的装车率逐年提高。各大汽车厂家均有自己独立自主知识产权的AMT产品。市场上某些均有成熟且市场认知度较高的产品。作为AMT硬件组成的选换挡执行机构，其设计是AMT研究及其商业化的重点内容之一。AMT换挡执行机构可分为气压执行机构、液压执行机构与电动执行机构。商用车AMT换挡执行机构主要是气压执行机构和液压执行机构。ZFASTRONIC和ASTRONICMID就是两款全气动的AMT执行机构，分别装配于重型商用车和中轻型货车；ZF旗下的ASTRONICLITE则是一款液压执行机构，装配于中轻型货车。目前大部分商用汽车都带有气源，因此在带气源的商用汽车上采用气压执行机构能够极大程度的降低成本，但由于气体体积的可压缩性，其控制精度不高，只有采用特殊多位置缸，特别对于选档位置较多的变速器，多位置缸复杂；而液压执行机构虽成本较高，但其控制精度高，执行可靠性好日，选挡可采用普通缸，通过高速开关阀不断开闭实现选挡位置精确到达。基于气压执行和液压执行机构的优缺点，开发设计了一套气推液式换挡执行机构，结合两者优点，并对其运行过程进行了仿真研究。2AMT换挡机构设计要求21可靠性可靠龅含很多内容，主要指各个选换挡位置的准确停靠。为满足这个要求，首先选换挡执行机构尺寸设计必须符合选换挡行程，执行机构设计尺寸误差不能超过机械变速器选换挡行程误差允许值。同时尺寸设计还应当考虑选换挡力的要求，必须保证执行机构动作时力的大小合理。挂挡时，换挡缸力不应过大或过小。挂挡力过大则造成同步器冲击，缩短同步器寿命，还会带来噪声；而挂挡力过小，同步时间长，造成动力中断的时间也长，影响车辆动力性发挥。通常执行机构设计以最大换挡速度时各挡最大动态换挡推力为依据设计。而选挡与退挡所需力一般比较小，要求保证执行过程对缸体本身的冲击适度隋况下尽量决速完成选退挡动作。22快速性换挡速度直接影响着换挡品质，而换挡速度的快慢与换挡力也有关系。换挡过快会直接给同步器带来冲击，换挡过慢则动来稿日期20101003基金项目江苏省中小科技型企业创新基金项目BC20081538姜博等商用汽车AMT气推液式选换挡机构设计与分析第8期力中断时间长。一般商用汽车一次换挡总时间14S比较合适，挂挡时间不大于400MSLZL。23低成本性低成本是任何机构设计都需要考虑的内容，对于AMT换挡执行机构设计也不例外。AMT执行机构设计，其方案设计直接决定了整套执行机构的成本。这也是大部分带气源的商用汽车上广泛采用气动执行机构的原因。3AMT选换挡执行机构方案设计针对带气源商用汽车变速器主箱特点，设计AMT选换挡执行机构。结合气动与液压传动的优势，采用气推液的方式，在控制成本的同时保证机构控制精度。图中气缸1与液压缸2组合构成气液增压缸，其中活塞N面积大于活塞面积B，因此可以通过低气压获得一定体积的高液压。根据带气源商用汽车原变速器结构特点，选换挡液压缸采用传统的一】，形式布置，如图2所示。12图1AMT选换挡执行机构方案设计图换档方向选档方向图2一L，选换挡布置图选换挡执行机构工作状态该执行机构有三种工作状态建压、保压、运行。建压电磁阀6先上电，使压力气源进入气缸1右腔，储油箱3中油液被吸入液压缸2，当活塞N运动到磁性开关L5位置时，电磁阀6断电，气源接通气缸1左腔，液压缸2中产生高压油，利用两次换挡间隙时间建立充足的高压油；保压即电磁阀6保存关闭，并无选换挡的状态；执行即任一电磁阀开启，高压油进入相应执行液压缸腔室，获得相应驱动效果。4选换挡执行机构动态数学模型41气动部分数学模型411进气腔进气质量流量方程不同状态相应的进气质量流量方程如下A剐”AE_528每鲁0528412进气腔热力学方程根据变容积绝热充气系统能量方程可得进气气缸能量方程KRT,QML一2DD、一42气液缸运动学方程根据牛顿第二定律，气液组合缸活塞连体的力平衡方程可2表示为M|PLAEAF,3DF式中一比热比大气比热比为1I4；R一气体常数空气气体常数为287NRNKGK；TS气源热力学温度；A进气腔有效截流面积；P厂一稳定气源压力；尸厂进气腔气压；G过截流孔气体流量；V。进气腔容积，。一A，V_初始容积；4，进气腔活塞面积连体活塞位移；一液压缸2中建立的油压；AF一活塞B面积；一活塞气缸间摩擦阻力；一连体活塞质量。43液动部分数学模型431高速开关阀开启最大流量方程高速开关阀全开启时其流量方程为最大，该最大流量与阀的尺寸参数和上下游油压有关盯D、PSPD4由于忽略液压油的压缩性，液压缸和液压管道中的泄漏，因此由流量平衡可得QADX，5，6TITA432液压执行缸运动学方程根据牛顿第二定律，得出液压执行缸力平衡方程APM只7出式中C一开关阀流量系数；C粘性阻尼系数；一阀芯直径；A一驱动液压缸活塞面积；T_一阀芯移动距离；一驱动液压缸活塞位移；PD与驱动液压缸油压；一活塞液压缸_剖童一C一圳44占空比控制一I89图3高速开关阀脉宽流量示意图通过对电磁阀进行脉宽调制PWM控制电磁阀通断时间，因此能够控制通过电磁阀的油液流量，进而起到液压执行缸活塞位置的控制。在周期内脉宽为，阀体流量的脉宽相应，如图3所示。阀体开启延时和关闭延时时间分别为和，。增量PID控制算法表达式如下UK“七一1II10XUKKEK_E一1KKKOEK一2EK一1一EK一211暑ONO8AUG2011机械设计与制造95选换挡执行机构的仿真分析根据上面建立的模型，借助MATLABSIMULINK仿真平台，建立该选换挡执行机构的SIMULINK仿真模型，设置初始参数进行仿真试验。改变气源气压，得到相应活塞位移、速度、腔内压力动态曲线。根据选挡、挂挡、退挡外部负载特陛设置负载值，可实现选挡、挂挡、退挡的仿真。51基本尺寸参数确定以一某型号6挡变速器为研究对象，最大换挡力为FRO300N，换挡行程为15RAM，选挡行程相邻拨块间隔12RAM。取设计气压力为05MPA。PI。A，12，13式中气缸实际输出力；经过增压后液压缸实际输出力。确定增压比后令即可初步计算执行液压缸的内径D以及活塞杆直径D。模型仿真所用基本尺寸，如表1所示。表1选换挡执机构基本尺寸52气推液式选换挡机构SIMULINK模型仿真与分析根据式1一9建立数学模型，设置仿真参数，进行仿真试验。将挂挡时间分为三段，摩擦环间隙消除时间、同步时间和完成剩余行程时间。由于摩擦环接触需要消除的间隙很小，因此忽略该段时间的影响。而同步时间即消除同步器摩擦环转速差的时间，占挂挡时间的大部分，可根据同步器参数、转速差和执行油缸输出的静态力算出。仿真反映的是挂挡过程中完成剩余行程的过程。如图4所示，为挂挡完成剩余行程仿真曲线。反映挂挡过程中行程、挂挡速度、进气腔气压、建压缸油压以及执行缸进油腔油压随时间的变化。完成行程所需时间则相对较短，在不计阀体开启滞后且不计入同步时间时，成功挂挡时间小于005S。气压的改变对系统中各部分的压力影响较大，但整个挂挡过程气压P以及增压后的液压压力P变化值不大。享0L20图4挂挡过程仿真图如图5所示，为退挡时调节高速开关阀占空