商用汽车AMT气推液式选换档机构设计与分析

轻型汽车技术20114总260技术纵横7商用汽车AMT气推液式选换档机构设计与分析姜博何仁江苏大学江苏省汽车工程重点实验室摘要提出了一种气推液式机械电控机械自动变速器AMT选换档机构设计方案，并根据气压传动和液压传动理论建立其数学模型，通过增量PID控制高速开关阀占空比，实现选退档位置的精确定位。利用MATLABSIMULINK仿真工具建立机构仿真模型，在不同气源压力下进行仿真试验，分析了换档、退档、选档过程的仿真结果，为设计方案论证及其参数设计提供理论依据。关键词AMT商用汽车选换档执行机构仿真目前，国内商用汽车上普遍装用固定轴式齿轮变速器，需要驾驶者判断换档时刻并手动换档并配合离合器操作。频繁换档使驾驶者换档疲劳，影响行车安全；换档时刻选择不合适则会降低车辆的动力性以及燃料经济性；换档操作过程也会带来换档冲击影响驾车舒适。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_1】。在欧洲，AMT产品很受欢迎，市场需求逐年增加，市场上主要是BENZ公司和ZF公司的产品，且多用于多档重型变速箱，执行机构为气动驱动方式；在日本卡车市场，主要是三菱、日产柴、日野公司的产品；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。各大汽车厂家均掌握具有自主知识产权的AMT产品。市场上BENZ、EATON、VOLVO、ZF的AMT产品成熟且市场认知度较高。作为AMT硬件组成的选换档执行机构，其设计是AMT研究及其商业化的重点内容之一。AMT换档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换档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地降低成本，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，选档可采用普通缸，通过高速开关阀不断开闭实现选档位置精确到达。基于气压执行和液压执行机构的优缺点，作者开发设计了一套气推液式换档执行机构，结合两者优点，并对其运行过程进行了仿真研究。1AMT换档机构设计要求AMT换档机构的设计是AMT设计的重点与难点之一，它直接影响着变速器中同步器的寿命和换档过程的品质，其工作的可靠性更是AMT整个系统可靠工作的保证。因此AMT换档机构的设计应满足可靠性、快速性以及低成本性【3】。11可靠性可靠性包含很多内容，主要指各个选换档位置的准确停靠。为满足这个要求，首先选换档执行机构尺寸设计必须符合选换档行程，执行机构设计尺寸误差不能超过机械变速器选换档行程误差允许值。同时尺寸设计还应当考虑选换档力的要求，必须保证执行机构动作时力的大小合理。挂档时，换8技术纵横轻型汽车技术20114总260档缸力不应过大或过小。挂档力过大则造成同步器冲击，缩短同步器寿命，还会带来噪声；而挂档力过小，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档速度时各档最大动态换档推力为依据设计。而选档与退档所需力一般比较小，要求保证执行过程对缸体本身的冲击适度情况下尽量快速完成选退档动作。12快速性换档速度直接影响着换档品质，而换档速度的快慢与换档力也有关系。换档过快会直接给同步器带来冲击，换档过慢则动力中断时间长。一般商用汽车一次换档总时间14S比较合适，挂档时间不大于400MS21。13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换档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。2AMT选换档执行机构方案设计图1AMT选换档执行机构方案设计图换档方向昌选档方向图2XMY选换档布置图针对带气源商用汽车变速器主箱特点，设计AMT选换档执行机构图1。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A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，选换档液压缸采用传统的Y形式布置图2，选换档液压缸分别对应两个高速开关阀，通过高速开关阀的快速开闭，2缸中建立的高压油则驱动选档或换档液压缸执行相应动作，控制选换档位置精确停靠。选换档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，使压力气源进人气缸1右腔，储油箱3中油液被带人液压缸2，当活塞A运动到磁性开关15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，利用两次换档间隙时间建立充足的高压油；保压即电磁阀6保存关闭，并无选换档的状态；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。3选换档执行机构动态数学模型为建立选换档执行机构数学模型，对运动过程假设气体为理想气体；气缸充气过程为变容积绝热充气；由于排气腔背压较小，忽略排气腔背压阻力；取气缸液压缸摩擦阻力为定值；不考虑液压油膨胀，忽略液压缸和液压管道中的泄漏。3。1气动部分数学模型1进气腔进气质量流量方程根据气动技术相关理论，机构中气源通过导通阀进入进气腔的过程可视作气源通过收缩喷管进人进气腔。进气气流状态根据临界压力比大小分为亚声速态和声速态。不同状态相应的进气质量流量方程如下41QA。528盅1Q一、S12进气腔热力学方程轻型汽车技术20114总260技术纵横9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51JKRTSQML一2DTV，VDT32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表示为MPA_PA2一F3式中，K为比热比大气比热比为14；R为气体常数空气气体常数为287NMKGK；TS为气源热力学温度；AE为进气腔有效截流面积；PIN为稳定气源压力；PL为进气腔气压；QM为过截流孔气体流量；V为进气腔容积，V。V。A。，V。为初始容积，A为进气腔活塞面积，X，为连体活塞位移；PS为液压缸2中建立的油压；A为活塞B面积；FL为活塞气缸问摩擦阻力；131为连体活塞质量。33液动部分数学模型1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厂一QCDDXV、PS_PR14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QA56XLA2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APDM鲁冉FX7式中，CD为开关阀流量系数；CP为粘性阻尼系数；D为阀芯直径；A为驱动液压缸活塞面积；XV为阀芯移动距离；X为驱动液压缸活塞位移；PD为驱动液压缸油压；FZ为活塞液压缸间摩擦阻力；FFX为外部负载。整理4、5、7，得PDPS一一。8CD仰、吾丽1APD一一F2一FX934占空比控制图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控制电磁阀通断时问，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T0周期内脉宽为TZ，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TS和TF。高速开关阀脉宽调制会产生调节死区【0，TS】和滞后区TZ，TZTF1，因此仿真时电磁阀的压力输出需增加一个滞后环节和一个延迟环节。在ITS，TZFF1段高速开关阀开启，通过流量为最大流量；周期其余时段阀体关闭，流量为零。PID控制是一种经典的控制方法，既能保证系统良好的鲁棒性又容易实现，同时为减小模型的计算量，模型中采用增量式PID控制算法，避免误差累加。增量PID控制算法表达式如下UKUK一1UK10AUKKLEKEK一1JKIKKDLEK一2EK一1EK一21114选换档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，建立该选换档执行机构的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。根据选档、挂档、退档外部负载特性设置负载值，可实现选档、挂档、退档的仿真。41基本尺寸参数确定本文以一某型号6档变速器为研究对象，最大10技术纵横轻型汽车技术20114总260换档力为FM300N，换档行程为15MM，选档行程相邻拨块间隔12MM。取设计气压力为05MPA。FTPL。A11FF2A。2N2式中，F。为气缸实际输出力；F经过增压后液压缸实际输出力。确定增压比后令FZFM，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。表1选换档执机构基本尺寸ID1D2AEDDM100MM50MM10MM3525MM3KG6KGO5O4鼍0302010的改变对系统中各部分的压力影响较大，但整个挂档过程气压P1以及增压后的液压压力PS变化值不大。图9一图12为退档时调节高速开关阀占空比控制换档拨叉准确回到空档的仿真。通过增量PID控制占空比，也即高速开关阀开启时间。影响进入执行油缸正反方向油腔的进油量，进而实现活塞位置控制。图9为退档行程变化曲线，由于控制参数固定PID控制会产生位移超调，在气压取05MPA时，其超调量较小，06MPA时超调量约为2MM，07MPA时超调大于2MM。图10一图12是在气压取05MPA时的退档速度、PD油压和占空比仿真图。总的退档时间不大于015S。选档过程的位移控制原理与退档相同，图13，厂。一T图4挂档行程变化曲线图5挂档速度变化曲线图6挂档PD油压变化曲线图7挂档PS油压变化曲线图8挂档PI油压变化曲线42气推液式选换档机构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。图4一图8为挂档时除去转速同步的仿真曲线。无特别指出，图中黑红蓝三色三条线分别代表气压为05MPA、06MPA、07MPA时的仿真图。同步时间占挂档时间的大部分，可根据同步器参数、转速差和执行油缸输出的静态力算出。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人同步时间时，成功挂档时间小于005S。气压为05MPA气源压力时选档行程变化仿真。位置准确停靠时间随着目标行程的增大而增大，对于最大行程36MM选档，所用时间小于02S。图14为建压过程中将油箱中的油液吸人建压油缸2的充油时间仿真图。时间随充油体积的增多而增加。充油体积由完成至少一次选换档和离合所需油量所决定。仿真中充油行程分三段50MM、80MM、100MM仿真，分别对应充油体积为98E4MM3、157E5MM3、196E6MM3。仿真显示，充油耗时不到LS。两次换档之间的间隙完全能够完成1S中轻型汽车技术20114总260技术纵横11图9退档行程变化曲线圈1O退档速度变化曲线图11退档占空比调节图1。团图12退档正反向油腔油压PD图图13选档行程变化曲线图14充油时间图的充油。5结论针对AMT选换档自动化设计要求，设计了新型选换档执行机构方案，结合气压传动和液压传动各自优点，以控制方式实现精确定位，省去单独研发特殊选换档多位置缸的费用。通过系统仿真分析，说明方案能够实现选退档位置精确控制，定位时间短，证明了该系统的可行性、与设计的正确性，为设计人员提供了参考。参考文献1何忠波，白鸿柏AMT技术的发展现状与展望【L_农业机械学报，20073851811862张辉重型车电控机械式自动变速器执行机构的研究与开发FD1重庆重庆大学，20073陈宏伟气动机械式自动变速器电子控制系统开发【D】吉林吉林大学，20034SMC中国有限公司现代实用气动技术M北京机械工业出版社，200844465LINCHENYY，