（动力机械及工程专业论文）电驱动自动变速箱emt检测方法的研究.pdf

摘要 随着时代变迁、科技发展，人类社会也发生了很大变化，日益尖锐的人口、 环境、能源等问题引起了社会各界的广泛关注，成为人们讨论的热点。这些突 出问题也直接影响着汽车行业的发展。能源日益枯竭的问题迫使汽车采用可替 代燃料，环境问题要求汽车降低排放。伴随着这些严峻的问题，新能源汽车以 其节能环保的一面展现给人们，也迎来了飞速发展的时期。新能源汽车的传动 系统也呈现多样性，本文以传动系统的关键部件自动变速器为研究的重点。 论文通过对自动变速器的结构、工作原理、换档过程以及检测方法的论证， 提出电驱动自动变速箱( e l e c t r i c d r i v em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，e m t ) 的检测方法。 在明确了e m t 结构、工作原理和换档过程的基础上，重点介绍e m t 检测方法。 对e m t 换档时间、换档冲击度和换档效率做了大量研究，从理论研究上解决 e m t 的检测内容，形成检测方案。并通过搭建试验台架，采集实验数据，验证 检测方案。 。 在这篇论文里，通过与其他自动变速箱比较，e m t 明确其需要检测的内容： 换档时间、换档冲击度和换档效率。台架试验可以对e m t 性能进行全方位的检 测，为开发e m t 系统、提高e m t 性能提供实验依据。 关键词：电驱动自动变速( e m t ) ，检测方法，试验台架 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h et i m ec h a n g e ，t h e h u m a ns o c i e t yh a sc h a n g e d g r e m l y ，t h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h e i n c r e a s i n g l ys h a r pp r o b l e m sf r o mp o p u l a t i o n ， e n v l r o n m e n t ，e n e r g ya n ds oo nh a v ed r a wt h ea t t e n t i o n so fa l ls o c i a lc i r c l e sa n dh a v e b e c 姗et h eh o tt o p i c s t h e s eo u t s t a n d i n gp r o b l e m si m p a c tt h ed e v e l o p m e n to f t h e a u t o1 n d u s t r yd i r e c t l y t h ee n e r g y e x h a u s t i n gf o r c et h ea u t ot ou s ea l t e m a t i v ef u e l s e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sr e q u i r et h ec a rt or e d u c ee m i s s i o n s a l o n gw i t ht h e s es 鲥。瑚 p r o b l e m s ，n e we n e r g yv e h i c l e sw i t hi t s e n e r g yc o n s e r v a t i o n 锄de n v i r o r u n e n t a l p r o t e c t i o ns i d e su s h e r e di nag o l d e nd e v e l o p m e n t p e r i o d n e we n e 理了v e h i c l e t r a n s m i s s i o ns y s t e mp r e s e n t sd i v e r s i t y t h i st h e s i sb a s e d o nt h ea u t ot r a n s m i s s i o n 鹊 r e s e a r c ho b j e c t ，w h i c hi st h ek e y c o m p o n e n to ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e m 1n l st h e s l sb yd e m o n s t r a t i o na u t ot r a n s m i s s i o n c o n s t r u c t i o n , w o r k i n gp r i n c i p l e s h i f t p r o c e s sa n dt e s tm e t h o d s ，p u tf o r w a r dt h e t e s tm e t h o d s o fe l e c t r i c d r i v e m e c h a n l c a lt r a n s m i s s i o n i nt h ef o u n d a t i o no f c l e a ra b o u te m t c o n s t r u c t i o n ，晡，0 r 她n g p r i n c i p l ea n ds h i f tp r o c e s s ，f o c u s e do ne m t d e t e c t i o nm e t h o d s al o to fr e s e a r c h a b o u ts h i f tt i m e ，s h i f tj e r ka n d s h i f te f f i c i e n c yh a sb e e nd o n e ，s o i v c dt h ee m t d e t e c t i o nc o n t e n tf r o mt h e o r e t i c a l r e s e a r c h ，f o r m e dd e 妣t i o ns c h e m e t h e nb v b u l i d m gt e s tb e n c ha n dc o l l e c t i n ge x p e r i m e n t a ld a t a , d e m o n s 仃a t e d t h ed e t e c t i o n s c h e m e i nt h i st h e s i s ，c o m p a r e dw i t ho t h e ra u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，t h e t e s ti t e m so f e m ta lee x p l i c i t ，w h i c hc o n t a i ns h i f tt i m e ，s h i f t j e r ka n ds h i f te 伍c i e n c y b e n c ht e s t c a i lp r o v i d et h eo m n i - d i r e c t i o n a lt e s ti t e m sf o re m t ，i m p r o v e s e x p e r i m e n t a lb 嬲ef o r t h ed e v e l o p i n ga n de n h a n c eo f e m t k e y w o r d s ：e l e c t r i c - d r i v em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，t e s tm e t h o d s ，t e s tb e n c h i i 武汉理工大学硕上学位论文 1 1 自动变速器的发展 第1 章绪论 随着时代的发展，人口激增、能源环境问题日益突出，新的时代新的问题 对汽车的发展也提出了新的要求，在传统变速器显得越发不能令人满意的情况 下，自动变速器的研究开发也显得尤为重要，自动变速器最早是由通用公司在 1 9 3 9 年率先开发研究出来，自动变速器经过数十年的发展，其多样化也显现的 淋漓尽致美国克莱斯勒公司在1 9 7 7 年开发的液力变矩器，对自动变速器的发展 有重要意义，它对改善经济性和控制变速器温度有着良好的效果。 在自动变速器日益多样化的现在，目前运用于车辆的自动变速器主要有电 控式液力自动变速器( a r ) 、机械式自动变速器( a m t ) 、带式无级变速器( c v t ) ， 液力自动变速器是目前轿车采用较广泛的一种自动变速器。液力变速器采用了 带导轮的液力耦合器，也就是液力变矩器，通过液力变矩器可以实现输出力矩 的变化，从而在车辆行驶中可以通过力矩变化，在部分区域能够实现无级变速， 其能够自动变速，并且属于动力性换挡，在换挡过程中动力不中断，因此在自 动变速器的使用上有很大优势，但是液力变矩器结构复杂，尤其是行星齿轮组 结构复杂，对制造工艺要求高，制造成本较高等缺点，也使得它无法完全占据 整个市场的主要原因。 机械式自动变速器( 舢v i t ) 的出现是电子控制技术和机械自动换档技术的 一种结合的产物，它是在普通机械变速器的基础上安装电器元件来控制变速器 的换挡时刻，将传统机械变速器的手动换挡改变为电子元件发出指令换挡，从 而实现自动换挡。a m t 相对于a t 来说结构紧凑，复杂程度远低于a t ，但是 a m t 的换挡过程属于非动力性换档，也就是说，在换档过程中要中断动力传输， 这必然影响车辆的动力性，也会影响变速器的换挡冲击度，而在a m t 的基础上 又进而开发出了双离合器式自动变速器( d c t ) f l 2 】。d c t 是采用双离合器形式， 在变速器的奇数档位轴和偶数档位轴上分别安装一个离合器，通过两个离合器 的交替接合来避免换挡过程中的动力中断，从而提高车辆换档时的动力性，也 缩短了换挡时间。 现有的自动变速器大部分都不能实现无级变速，或只能在部分区域实现无 武汉理工大学硕上学位论文 级变速，而无级变速是我们变速器开发研究的终极目标，无级变速技术无疑是 无级变速器开发的关键，而现在运用于车辆上的无级变速器( c v t ) 则是采用 两个v 型滑轮，在变速器工作时，通过摩擦力改变主从动轮v 型槽的宽度来改 变传动比，因为v 型槽宽度的改变是连续的，而主从动轮的工作半径的改变也 是连续的，所以能够实现无级变速，但是这种无极变速器采用的带式传动，主 要靠摩擦力进行传动，所以主要应用于中小排量车辆上，大排量车辆用的无级 变速器还有待开发。 1 2 自动变速器检测方法研究现状 随着时代的发展，汽车行业越来越发达，而汽车对环境的影响也越来越明 显，国内外对环境的关注也越发敏感，因而人们对汽车的要求也越来越高，而 近年来，新能源汽车无疑是面对环境问题而得到了迅猛发展，应用于新能源车 上的传动系统动力装置也有了很大发展，其中包括新能源动力系统、动力耦合 系统、自动变速系统以及整车控制系统等，随着人们对新能源车的研究发展， 新能源车也如雨后春笋般出现各种各样的装置，而作为动力系统的重要一环， 自动变速器无疑是人们重点研究的一个方向，自动变速器不仅影响车辆的动力 性经济性，而且还对换挡质量有巨大的影响，换档质量好坏直接关系司机和乘 客对车辆的评价，因此对自动变速器的检测方法研究也引起了国内外备大企业 和研究机构的重视。 1 2 1 研究现状 目前对自动变速器的检测丰要集中在换档平顺性、换挡质量上面，换档质 量的评价主要是主观评价和客观评价，主观评价注重司机和乘客的主观感受， 受到外界因素干扰比较大，主观感受的随意性也比较强；而客观评价则主要注 重影响换挡质量的客观因素，是通过对换档时间、换档冲击度和离合器比滑磨 功来客观评价车辆的换挡质量，在这些方面国内外各大企业和科研机构都做了 加大量的科研开发工作，也取得了喜人的成果，如瑞典的沃尔沃公司的科研人 员通过以加速度为参数建立神经网络的检测方法，形成了平顺性评价系统，提 高了主观评价的真实度。清华大学王会义博士和他的科研团队通过人体生理学 理论研究结合换挡冲击度进行了大量实验研究，并总结出在冲击度小于l o m s 3 2 武汉理工大学硕上学位论文 时，人体感官对冲击度可以忽略不计的结论。变速器的不同客观评价指标之间 也存在着矛盾，过分追求一方面必定引起另一方面的损失，因此自动变速器的 检测方法也要求考虑多方面因素。 自动变速器的换档过程中，发动机排放性与燃油经济性也会有很大差异， 这方面的影响也很早就成为了行业企业以及研究单位的研究重点，在换档规律 方面，经济性换档规律和动力性换档规律是传统汽车理论研究较多的方面，而 近年来自动变速器的快速发展也促使换挡控制理论方面有了长足发展， g t d r i v e ，a v l 公司的c r u i s e 及a d v i s o r 等软件的出现也体现了人对对换 档控制的研究力度【3 】。这些软件可以通过对换档瞬间的车辆动力性经济性进行仿 真，而噪声是人们能够直观感受的特点，近年来人们也对换挡过程中变速器噪 声有了很多研究，可以看出近年来变速器检测的研究，不管是纵向还是横向研 究都有了长足的发展。 从上面的研究可以看出，变速器的检测也是多种多样的，企业和研究单位 对变速器的研究尤其换挡过程这一块做了大量的研究，而自动变速器的检测方 法主要是采用一些台架试验和道路试验来进行。 1 2 - 2 主要研究组织 自动变速器检测需要研究大量的性能，如换档平顺性、换档时间、自动变 速器的效率等等，而因为换档品质所体现的多数性能，如噪声、换挡冲击度、 换档平顺性，都是为人们能够直觉感知的的性能，在这方面的检测上，各汽车 企业和研究机构都有大力研究。并且形成了一些检测评价体系。 ( 1 ) 沃尔沃公司在2 0 0 0 年由s t e f fs c h n e t z l e r 所发表的论文介绍的被称为 “g e q u a n ”的自动变速器检测系统，该系统是通过神经网路与车辆的舒适性接 合进行评价，通过神经网络建立起主观评价与车连环当舒适度的联系。 ( 2 ) 在变速器换挡品质方面英国r i c a r d o 公司是很早研究的专业企业之一， 并且通关不懈的努力形成了系统的检测评价体系，其开发的“g e a r s h i f tq u a l i t y a s s e s s m e n t ，( g s q a ) 检测评价系统，是通过扩展换档质量评价的定义，把换 档感觉和换档力也加入其中，可以通过该系统逆向解析车辆性能，从而做出变 速器性能检测。 ( 3 ) a v l 公司对发动机的的研究相当成熟，公司业务也主要是发动机方面 的开发研究，在发动机动态研究上，发动机性能和噪声方面都有不少成果， 武汉理工大学硕上学位论文 c r u i s e 与a d v i s o r 的开发可以广泛应用于市场。 在基本理论研究方面，科研机构和大学学校研究比较集中，自动变速器检 测方面的研究在个研究项目中也站了重要部分，在动力传递系统的控制、发动 机排放性能、经济性等都有大量研究，对车辆性能研究，以下研究机构比较集 中： ( 1 ) 在换档平顺性方面，c h a l m e r su n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y 有较多研究， 对于换档过程中和车辆起步时的车辆冲击度研究颇深，并且有相对应的评价指 标。 ( 2 ) 在动力传动系统上，u n i v e r s i t yo fb a t h 做了大量研究，并受到了福特 公司的资助，对无级变速器( c v t ) 、形式操纵性上作了深入研究。并取得了卓 有成效的成果。 ( 3 ) 对于车辆动力传递系统的建模仿真研究，美国的威斯康辛大学麦迪逊 分校做了大量研究，其中发动机的瞬态行为是集中研究的，它为换档质量研究 提供了大量可靠的信息。 ( 4 ) 吉林大学的葛安林教授和他的课题组在变速器控制技术上有深入研 究，在a m t 开发和车辆换挡控制上，采片j 的动态三参数最佳换档规律也是自动 变速器换挡方面的重要研列3 1 。 ( 5 ) 武汉理工大学。吴森教授的课题组一直从事车辆新能源及其动力装置 等关键技术的研究，在新能源车辆动力传递系统和e m t 开发方面取得了一系列 成果，其运用对拖实验对e m t 进行台架试验以及实际装车后的道路试验来验证 e m t 的各种性能。 1 3 研究的目的及主要内容 本论文的研究是结合武汉理工通宇新源动力公司与郑州宇通客车股份有限 公司合作的混合动力豪华观光车项目进行的。研究电驱动自动变速箱( e m t ) 检测方法的目的，是通过建立起e m t 检测试验平台，通过该平台，能够对变速 器换档质量、e m t 效率等关键性能进行全面的试验检测，以及通过对e m t 的检 测来确定e m t 各部件参数，更好的开发e m t 。 通过建立电驱动自动变速箱试验台架，一方面检测电驱动自动变速箱性能， 使其能够全面准确地适用于新能源汽车；另一方面，提高电驱动自动变速箱性 能，使其换档品质得到提高。电驱动自动变速箱检测可以为变速器的换档品质 4 武汉理工大学硕上学位论文 的影响因素进行检测，为e m t 的换档技术及结构的开发提供实验依据。同时， 电驱动自动变速箱检测方法的开发研究，也为自动变速箱的研究提供了一个新 的检测试验平台。本项目采用先进的检测试验台架对电驱动自动变速箱的换档 品质的客观评价检测两方面展开研究工作：e m t 检测检测方法研究通过对自动 变速箱结构、换档原理和换档过程的分析，来确定e m t 需要检测的各种性能参 数，以及各性能参数的需检测量和被检测量，通过各物理量的检测方法，来确 定试验方法以及试验台架的搭建和道路试验的内容，通过试验检测优化e m t 结 构设计，提高e m t 性能。具体研究内容如下： ( 1 ) 明确了解自动变速箱的分类和各种自动变速箱的结构与工作原理，重 点研究e m t 的结构和工作原理，分析e m t 与其他各种自动变速器在结构和工 作原理上的不同。 ( 2 ) 从各种自动变速箱的换档过程分析入手。重点介绍a t 、a m t 的换档 过程和在换档过程中，自动变速箱各个不同的状态，进而研究它们的换档规律， 在对e m t 换档过程进行分析，与齿式啮合同步换档的啮合过程相比较得到e m t 的换档过程，并分析其电机调速同步的实质内容，从换挡过程中来研究e m t 的 换档品质和换档规律。 ( 3 ) 根据对e m t 的结构原理和换档过程的分析，深入研究e m t 换档品质， 主要是对e m t 换档时间、换档冲击度和e m t 效率的研究，并总结出检测方法 为搭建试验台架做基础。 ( 4 ) 电驱动自动变速箱检测方法的研究。应用理论研究、台架试验相结合 的方法，分析e m t 换档质量和效率的检测方法，从而为e m t 性能的评价提供 检测平台，同时为e m t 性能开发提供评价方法。 ( 5 ) 建立e m t 试验检测方法。应用开发的对托试验台架，实现对e m t 主 要性能的检测，用以实现检测e m t 换档品质与提高e m t 性能的双重目的。 武汉理工大学硕上学位论文 1 4 本章小结 本章从自动变速器的发展历史出发，结合当前社会汽车行业所面临的日益 严峻的环境问题和能源问题，引出自动变速箱在检测方面所面临的局面。逐一 介绍了自动变速箱的发展历史、自动变速箱检测方法研究的现状和主要从事这 方面研究的科研单位和企事业单位，以及本文研究的目的和意义、项目来源、 具体研究内容，本文研究内容的主要意义是为e m t 建立一个检测方法，搭建一 个e m t 试验台架，为e m t 开发及提高e m t 性能研究提供实验平台。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章自动变速器类型及工作原理 2 1 自动变速器类型 自从十九世纪3 0 年代末首台自动变速器诞生以来，自动变速器也如雨后出 巡般的出现，并且出现了各种各样的不同形式的自动变速器。但到目前为止， 自动变速器的市场依然是多样化的，没有那种自动变速器能够占领主导市场， 电子控制技术的飞速发展也不断改变着自动变速器的发展，从不同角度来看， 自动变速器也主要分为四类：液力自动变速器( a t ) 、电控机械式自动变速器 ( a m t ) 、双离合器式自动变速器( d c t ) 和无级变速器( c v t ) o 2 1 1 液力自动变速器 图2 1 液力自动变速器实物图 液力自动变速器( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，简称a t ) 主要是通过液力变矩器利 用液体循环流动过程中的动力变化传动动力，从而实现了发动机和传动系之间 的柔性连接和传动。因为液力传动具有传动动力柔和、能够有效吸收震动的特 点。能使汽车起步平稳，加速均匀、迅速、柔和。是目前广泛应用于汽车上的 武汉理工大学硕一i j 学何论文 一款自动变速器。由于液力自动变速器不仅能够实现自动换挡，而且能够减轻 驾驶人员的操作，因此收到了广大汽车爱好者的痴迷，并广泛应用与车辆。7 0 年代，西欧和美国全部商用汽车上使用液力自动变速器的量已经达到8 0 ，8 0 年代，更是将液力自动变速器作为轿车的标准配备。液力自动变速器在美国和 日本的轿车上应用也相当广泛，但液力自动变速器结构复杂，尤其行星齿轮组 结构导致制造工艺要求高，成本高等缺点。根据我国现有国情，不利于低档轿 车的应用和普及。 2 1 2 电控机械式自动变速器 电控机械式自动变速器( a u t o m a t e dm a n u a lt r a n s m i s s i o n ，简称a m t ) 。a m t 是对传统变速器的改进而来，主要是在传统变速器上安装电子控制装置，通过 发出电子指令，换挡执行机构完成自动换挡操作，这是电子控制技术与机械变 速技术的结合。 离台器执 电动泵 离合嚣位置 感嚣 图2 2 a m t 自动变速器 a m t 的发展大致可以分为三个阶段。起步阶段：半自动变速器发展成熟阶 段，如d a i m l e rb e n z 的e p s 系统、美国e a t o n 的s a m t 系统、瑞典s c a n i a 的 c a g 系统都采用的是半自动变速器，其实只是辅助换档系统，换档操作由驾驶 员自主决定，换档功能则实际有微机系统完成。发展阶段：此阶段以1 9 8 4 年曰 武汉理工大学硕上学位论文 本五十铃公司的n a v i 5 电控机械式自动变速器投放到市场为标志。在这个阶段， 以换挡控制、换挡策略与自动离合器为研究重点。世界上汽车产业发达的国家 几乎全部在这方面投入了大量人力物力进行研究。智能控制形成和发展阶段： 由于驾驶员意图、车辆客观运行状态和环境因素都密切影响离合器的起步和自 动换挡操纵规律，日本的i s u z u 、n i s s a n 等在这方面研究开始运用模糊控制的 智能方法，包括离合器闭合速度的模糊控制和模糊换挡策略这两个方面。这种 电控技术的使用，汽车的操控系统不再以传统的机械方式进行控制。而是通过 电子方式准确快捷的控制。 和液力自动变速器相比来说，a m t 结构要简单得多，制造工艺也不算太难， 传动效率也比较高，但是a m t 的换挡过程属于非动力性换挡，也就是换挡时存 在动力中断，造成转矩与转速的输出变化较大，容易引起换挡动力中断、冲击 度比较大等缺点，因此换挡品质不高。a m t 的出现，因为其优点突出，虽有动 力中断的缺点，但也广泛应用于重型货车、大客车上。 2 1 3 双离合器式自动变速器 图2 3 双离合器式自动变速器 双离合器式自动变速器( d u a lc l u t c ht r a n s m i s s i o n ，简称d c t ) ，是在a m t 9 武汉理工大学硕上学位论文 的基础上升级出来的一种自动变速器形式。它利用两个离合器在换挡过程中交 替二【作的方式解决了a m t 在换挡时动力中断的问题，它的换挡过程是通过两个 离合器的交替接合来完成的，其采用双输入轴和双离合器形式，奇数档位齿轮 安装于一个输入轴上，偶数档位齿轮安装在另外一个输入轴上，当变速器需要 换档时，另一档位离合器在换当前做好结合准备，当前一离合器断开的同时这 一离合器接合，因此变速器的动力中断在这个过程中得以避免。因此d c t 在保 证了车辆经济性与动力性的同时也极大地提高了车辆运行时的舒适性。美国的 博格华纳( b o r g w a r n e r ) 和德国的舍弗勒( s c h a e f f i e r ) 集团掌控着d c t 的核心 技术。在整个欧洲汽车市场中，作为传统自动变速器换代产品的d c t 正在迅速 普及。宝马、法拉利、大众等汽车公司都在进行高性能d c t 的开发研究法拉利 的高性能跑车和f l 赛车上已经应用了动力无缝连接的d c t ，宝马最新研发的7 档d k g 变速器也将运用于高性能轿车中，t 大众的民用车上也使用了d s g 变速 器。另外中国政府相关主管部门和众多汽车企业指定双离合式自动变速器为优 先发展的技术。相对于a t 来说，双离合器自动变速器具有优点比较明显。但是， 双离合器式自动变速器的技术还有待提高。 2 1 4 无级变速器 图2 4 带式无级变速器 无级变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，简称c v t ) 是一种结构巧妙， 能够完美实现全程无级变速的自动变速器。能够使车辆在各种工况下都保持最 武汉理工大学硕上学位论文 佳的传动比，是发动机工作在最佳运行状态，从而提高车辆的经济性与动力性。 理论上，c v t 是一种完美的真正无级变速设备，它是通过改变主从动轮的工作 半径来调节传动比，从而实现无级变速。主动轮和从动轮都是有固定部分和可 动部分组成，两者之间形成一个可以变化的v 型槽，金属带在v 型槽内与工作 论啮合，在不同道路工况下行驶时，当需要加速时，主动轮可动部分往内滑动， 减小v 型槽宽度，金属带在摩擦力作用下沿主动轮径向方向往外滑动，从而使 得主动轮工作半径加大，相应的从动轮在控制可动部分沿轴向距离加宽时，金 属带在摩擦力作用下向内滑动，减小了从动论工作部分，从而改变了传动比， 使传动比变小，增加车速。相反情况下，在车辆需要减速时，主动轮工作半径 减小，从动论半径增加，使传动比变大，降低车速。由于主动轮和从动轮的工 作半径的变化是连续的不间断的，所以传动比的改变也是连续不间断的，因此 可是完美的实现无级变速。c v t 的最大特点就是能够实现无级变速，而这个特 性可以提高发动机和汽车的完美匹配程度，提高动力传递，改善了换挡晶质等 问题。比起液力自动变速器有一定的优势，但是金属带式无级变速器，因为金 属的的承载能力有限，因此传动力受到限制，传动效率也有限，使用寿命较短。 目前c v t 主要运用于中小排量轿车上，国内市场上奥迪、菲亚特的派力奥 ( 1 3 l ) 、飞度( 1 3 l ) 和奇瑞生产的旗云等是几种能见到的采用这种技术的主 要车型【4 1 。 2 2 液力自动变速器结构和工作原理 2 2 1 液力自动变速器结构 汽车用的液力自动变速器其结构非常复杂，随着汽车产业的发展，液力自 动变速器也出现了各种各样的形式，不同型号的液力自动变速器在局部结构上 也有很大不同，要了解液力自动变速器的结构也显得比较闲难，因此就需要对 液力自动变速器的主要结构，通过对液力自动变速器主要结构和工作原理进行 研究，来掌握液力自动变速器的核心技术。通过对各种液力自动变速器的了解， 其结构大致都有以下三部分组成： ( 1 ) 液力变矩器 ( 2 ) 行星齿轮变速器 ( 3 ) 液力操纵及控制系统 武汉理工大学硕上学位论文 2 2 2 液力变矩器结构及工作原理 液力变矩器是利用液体在循环流动过程中将机械能转变成液体动能在转变 成机械能输出来进行动力传递的。为了更好的介绍液力变矩器的工作原理，我 们首先要看一下液力耦合器的结构和工作原理。 图2 5 液力耦合器结构示意图 液力耦合器是一种早期运用在汽车上的液力传动装置，在忽略机械损失的 情况下，液力耦合器的输入力矩和输出力矩相等。液力耦合器主要是由泵轮、 涡轮、外壳三部分组成。液力耦合器外壳与输入轴相连接，泵轮安装在壳体上， 与外壳是刚性连接，液力耦合器壳体和泵轮随输入轴转动而一起转动，是液力 耦合器的主动部件，涡轮与输出轴连接，是液力耦合器的从动部件。泵轮与涡 轮是具有相同的内外径的两个叶轮，都是工作轮，是相对安装且不相瓦接触的 两个部件，是动力传输和能量转换的主要部件。 液力耦合器在工作时，内部充满了工作油，输入轴转动带动耦合器壳体和 泵轮一起旋转，泵轮中的叶片在旋转过程中带动泵轮内工作油一起旋转，在这 时工作油随泵轮绕泵轮轴线作圆周运动，同时在泵轮的离心力作用下，工作油 沿叶片从内缘流向叶片外缘，形成一个内缘油压低外缘油压高的情形，这种压 力差有泵轮的转速和半径大小决定，而尚未进行旋转的涡轮还处于静止状态， 在这种情况下涡轮内叶片内外缘压力相同，与泵轮相比，涡轮叶片内缘油压高 于泵轮叶片内缘油压，涡轮叶片外缘油压低于泵轮内缘油压，又因为两个工作 轮都是封闭在液力耦合器壳体内部，因此在油压作用下，泵轮叶片外边缘的工 作油就冲到了涡轮叶片内缘，在这个冲击力作用下，涡轮开始旋转，同时涡轮 叶片内边缘的工作油被冲向泵轮内边缘，如此返回到泵轮内边缘，开始新一轮 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 的被甩向泵轮叶轮外边缘。在这个循环过程中，输入轴将机械能传送给泵轮， 泵轮带动静止的工作油旋转，将机械能转换成工作油的动能，工作油在循环流 动过程中，又带动涡轮旋转，将动能转化成涡轮的机械能通过输出轴输出力矩。 在液力耦合器中只有泵轮和涡轮两个工作轮，而在工作油循环流动过程中， 只有泵轮作用在工作油的输入力矩，和工作油作用在涡轮上的输出力矩，整个 过程没有任何外力加入，根据牛顿第三定律，力与反作用力大小相等方向相反 的原理，在不考虑机械损失、工作油内能损失的情况下，液力耦合器的输入力 矩与输出力矩相等，这就是液力耦合器的工作原理。 图2 6 液力变矩器结构示意图 相比于液力耦合器，液力变矩器除了拥有传递转矩的作用外，在输入转矩 不变的情况下还拥有改变输出转矩大小的作用，也就是液力变矩器的“变矩 作用。 液力变矩器的“变矩”作用要从其结构说起，液力变矩器的结构与液力耦 合器的结构十分相似，不同的只是在涡轮与泵轮之间增加了一个固定的导轮这 个工作轮，导轮是与变速器壳体固定在一起的，和泵轮、涡轮之间存在间隙， 所有工作论安装后所形成的环装切面称为液力变矩器的循环圆。 和液力耦合器一样，液力变矩器在工作时，壳体内部充满了工作油，工作 油在循环运动过程中不仅做绕轴线的圆周运动，还在循环圆中作如图示箭头方 向的旋转运动，工作油通过这种运动方式将泵轮转矩传递给涡轮，与液力耦合 器所不同的“变矩 作用，主要是因为在工作油循环过程中，固定不动的导轮 施加了一个放作用转矩给工作油，从而使涡轮输出转矩与泵轮输入转矩不同。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 为了便于说明液力变矩器的工作原理，现在沿如图所示的工作轮的循环圆 中间流线假想的将工作轮叶片展开，得到泵轮、涡轮与导轮的环形平面，叶片 形状及进出口角度也被显示出来，如下图： 图2 7 液力变矩器假象展开图 为了方便说明期间，假定发动机转速和输出转矩不变，即液力变矩器的泵 轮转速，l 。和转矩m 。不变。以汽车起步为例来讨论液力变矩器的工作原理。 汽车起步，发动机开始工作而汽车尚未发动时，此时涡轮转速刀。为0 ，涡轮 转矩m 。也为0 。如图所示，工作油在泵轮叶片带动下，以一定速度沿图示箭头 1 冲击向涡轮叶片，对涡轮产牛作用力形成绕涡轮轴旋转的转矩m 。，这就是液 力变矩器的输出转矩。因为此时涡轮转速甩。为0 ，所以工作油液流从涡沿图示箭 头2 流向导轮，液流对导论产生作用力矩，而后沿图示箭头3 流回泵轮中形成 循环。在液流循环过程中，液流流过涡轮叶片和导轮叶片时，都会产生作用力 矩，根据作用力和反作用力定律，液流也受到叶片的反作用力矩，其大小方向 与液流流入工作轮的方向和速度有关。泵轮、涡轮和导轮转矩方向如图所示， 根据液流受力平衡分析可知道，涡轮转矩m 。数值应该与泵轮转矩m 。和导轮转 矩m d 的数值和相等，即m 。= m 。+ m 。因为固定不动的导轮受到液流的冲击力 不为0 。所以m 。不为0 ，因此此时涡轮转矩肘。大于泵轮转矩m 。，液力变矩器 1 4 武汉理工大学硕上学位论文 起到增矩作用。也可以理解为，当也留流向涡轮时，冲击涡轮得到的涡轮转矩 是泵轮输入转矩，当液流流向导轮时，固定不动的导轮反作用液流的反作用力 矩最终作用在涡轮上，使得涡轮转矩等于泵轮转矩和导轮转矩得和。 当从涡轮输出的转矩经过汽车传动系统到达驱动车轮的牵引力能够克服路 面阻力时，汽车启动并开始加速，涡轮随之开始旋转。涡轮转速刀，也随之增大。 假设液流沿涡轮叶片流动的相对速度为w ，液流沿涡轮圆周运动方向的牵引速 度为“，则冲向导论的液流速度应该是两个速度w 、u 的矢量和y ，由于假设发 动机转速、负荷一定，所以泵轮转速一定，流向涡轮的液流循环流量流速也基 本不变，变化的只是涡轮转速，随涡轮转速的增大，牵引速度u 不断变大，有图 可以看出，流向导轮的绝对速度v ，随涡轮转速增大而不但增大并且逐渐向左倾 斜。使导轮上的作用力矩逐渐变小。当涡轮转速增大的一定程度，液流流向导 轮的方向正好是导轮出口方向时，液流作用在导轮上的力矩变为零，这时泵轮 输入转矩等于涡轮输出转矩，即m 。= m 。；当涡轮转速继续增大，流向导轮的液 流绝对速度继续向左偏移，这时液流冲击导轮叶片背面，导轮对液流的反作用 转矩改变为与涡轮转矩同向，这时涡轮输出转矩为泵轮输入转矩与导轮转矩的 差，即m 。，= m 。m d ；此时液力变矩器起到减小转矩的作用。当涡轮转速刀。，增大 到泵轮转速时，液力变矩器内部的工作油停止循环流动，此时不能传递转矩， 不能输出动力。 有上面分析可以看出，涡轮输出转矩是随涡轮转速变化而变化的，由于涡 轮转速是连续可变的，所以涡轮输出转矩也是连续可变的，当汽车起步、遇到 上坡或者遇到阻力较大路况时，如果发动机转速、负荷不变时，汽车速度降低， 涡轮转速也相应变小，从而涡轮输出转矩增大克服阻力变化。使汽车继续行驶， 因此可以看出液力变矩器本身就是一种随道路阻力变化而变化输出转矩的无级 变速器。同时液力变矩器还具有使汽车平稳起步，有效吸收传动系统扭转震动， 防止传动系统负荷过高的作用。 1 5 武汉理工大学硕上学位论文 2 2 3 行星齿轮变速器 虽然液力变矩器能够适应外界变化，且实现一定的无级变速能力，但是一 般受到传动比范围不大，传动效率低的缺点影响，很难单独使用与汽车上，因 此配合液力变矩器使用的行星齿轮变速器就显得至关重要，行星齿轮变速器可 以增大传动比范围，并且使汽车拥有空挡和倒档能力，一般在液力自动变速器 上使用的变速器以行星齿轮式较为广泛。但也有少部分使用定轴式齿轮变速器， 下面以行星齿轮变速器为例重点研究。 行星齿轮变速器一般有行星齿轮机构和档位操纵机构两部分组成，行星齿 轮机构为汽车提供不同的传动比，而档位操纵机构则是完成换挡的重要部分。 行星齿轮机构是由行星齿轮组组成，行星齿轮组的数量有档位多少决定，档位 操纵机构适用于改变传动方式( 即换挡) 的摩擦式离合器、制动器、单向离合 器。 行星齿轮变速器一般是由多个行星齿轮组组成，但是其工作原理都是相同 的，现在就以最简单的一个行星齿轮组为例来说明其工作原理。行星齿轮组类 型各种各样，但但归纳起来，都是由一个太阳轮、一个内齿圈、一个行星架和 支撑在行星架上的几个行星齿轮组成，太阳轮、内齿罔、行星架有共同的中心 轴，在运动过程中，行星齿轮与内齿圈和太阳轮是常啮合的，行星齿轮不仅绕 自身轴线自转，还绕太阳轮中轴线随行星架一起公转。简单的行星齿轮主要机 构有太阳轮、行星架、内齿圈，通过三个主要机构运动关系来确定变速器工作 原理，般情况下假定固定一个机构，确认一个主动机构，当主动机构转速和 旋转方向确定时，从动机构的转速和旋转方向也就确定了。 一般单排行星齿轮机构的特性方程： 珥+ a n g = ( 1 + a ) n ， 式中：刀一太阳轮转速； ，l 。内齿圈转速； 咒；一行星架转速； a 内齿圈齿数与太阳轮齿数比，是行星齿轮组的特性参数。 根据特性方程分析以下几种运动情况： 1 内齿圈固定，太阳轮为主动件并且顺时针旋转，行星架为从动件。如图所 示，当太阳轮顺时针旋转时，带动行星轮逆时针旋转，由于内齿圈固定，所以 行星轮逆时针旋转就带动行星架顺时针旋转。在这种情况下，主动件与从动件 1 6 武汉理工大学硕上学位论文 有相同的旋转方向，通过特性方程看，内齿圈固定，内齿圈转速为0 ，所以传 动比为l + 口，从特性方程可以看出此时行星齿轮组是减速增矩传动方式，并且有 最大传动比。 内啬_ 目定 、督； 。心岁 a 固定内齿圈， 太阳轮驱动 行j 魄 ， 爷俘 岁 走阳艴目定 b 固定太阳轮，c 固定行星架， 行星架驱动太阳轮驱动 图2 8 行星齿轮旋转情况 桂攘目史 2 太阳轮固定，内齿圈为主动件且顺时针旋转，行星架为被动部件，如图所 示，当内齿圈顺时针旋转时，行星齿轮也被带动顺时针旋转，由于太阳轮被固 定，行星齿轮必定带动行星架顺时针转动，主动件与从动件旋转方向相同，通 过特性方程看，此时刀。= 0 ，传动比l + l a ，可以看出传动比大于l ，此时行星齿 轮组是减速增矩传动方式。 3 行星架固定，内齿圈为主动件且顺时针旋转，太阳轮为从动件，如图所示； 当内齿圈顺时针旋转时，行星齿轮随之顺时针旋转，因为行星架固定，行星齿 轮无法做公转，只能带动太阳轮以逆时针方向旋转。可以看出主动件与从动件 旋转方向相反，从特性方程看，此时力；：0 ，传动比1 a ，传动比小于0 ，此时行星 齿轮组为倒档传动。 4 所有部件不进行固定，此时各个部件都是自由，相互没有运动关系，因此 此时行星齿轮组自由转动，为空档状态。 5 任意两个基本部件相互固定，从特性方程可以看出，此时传动比为1 行星 齿轮组为直接传动。 还有几种情况就不再一一列举，其工作过程都大同小异，现在将各种可能 的情况与传动比列于表2 1 。 1 7 武汉理工大学硕上学位论文 表2 1 ：行星齿轮组各种可能传动情况与传动比 固定组件主动件从动件传动比传动方式 内齿圈太阳轮行星架 f = l + a 减速增矩传动 内齿圈行星架太阳轮 f - l ( 1 + a )加速减矩传动 太阳轮 内齿圈行星架 ，= 1 + l a减速增矩传动 太阳轮行星架内齿圈 f = “( 1 + a )减速增矩传动 行星架内齿圈太阳轮 f = 1 a 加速减矩倒档传动 行星架太阳轮 内齿圈 z = a减速增矩倒档传动 基本组件都不固定各组件都自由转动 自由状态，空挡传动 任意两个组件相互连接 1直接传动 2 2 4 液力操纵及控制系统 液力自动变速器是通过液压操纵换档元件( 离合器、制动器) 的接合和分 离来控制自动变速器换挡的，液力操纵及控制系统主要包括三个部分：供油调 压和流量控制系统、换档操控系统、液力变矩器供油闭锁控制和冷却润滑系统。 典型的液力操纵及控制系统工作原理，油泵在发动机驱动下，将一定油压 输送到各个控制阀体，各个控制阀体通过控制阀的动作来控制油路的“开关”， 控制阀的移动来控制油路接通或者断开，液压活塞在液压推动下工作，从而控 制换档执行机构的接合和分离，从而实现自动换挡的换挡目的。换挡过程主要 是驾驶员操纵换档杆位置，在换档杆位置固定后，t c u 根据节气门开度( 即负 荷) 和车辆行驶速度来完成自动换档，由此可见，换档杆位置、节气门开度和 车辆速度是自动换档控制系统的三个主要控制信息【5 1 。 武汉理工大学硕上学位论文 2 3 电驱动自动变速箱( e m t ) 的结构及工作原理 2 3 1 电驱动自动变速箱( e m t ) 的结构 图2 - 9e m t 系统结构示意图 1 转速编码器l ，2 一电机轴，3 支撑轴承1 ，4 左侧端盖，5 一电机壳体，6 电 机转子，7 支撑轴承2 ，8 变速箱机体，9 一轴常啮合齿轮，l o 一轴齿轮接合齿 圈，1l 一花键毂l ，1 2 拨叉杆l ，1 3 二轴三档齿轮接合齿罔，1 4 二轴三档齿轮， 1 5 二轴二档齿轮，1 6 二轴二档齿轮接合齿圈，1 7 拨叉杆2 ，1 8 花键毂2 ，1 9 二轴一档齿轮接合齿圈，2 0 二轴一档齿轮，2 1 支撑轴承3 ，2 2 二轴，2 3 转速 编码器2 ，2 4 支撑轴承，2 5 中间轴，2 6 中间轴一档齿轮，2 7 啮合套2 ，2 8 中 间轴二档齿轮，2 9 中间轴i i i 档齿轮，3 0 啮合套l ，3 1 滚珠轴承，3 2 中间轴常 啮合齿轮，3 3 支撑轴承5 电驱动自动变速器( e l e c t r i c d r i v em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 简称e m t 。e m t 是一种新型的自动变速器，具有完全自主的知识产权，e m t 是电子控制技术与 机械自动变速技术的结合，它主要是由e m t 控制器、三相感应电机、电机控制 器、机械变速器、换档执行机构组成。e m t 采用电机主动调速同步取代了传统 变速器的同步器摩擦被动调速，利用电子控制器实现自动换档，是新型的主动 同步换档机构。 e m t 机构主要由异步交流电机、三轴式变速器、转速编码器、换档执行机 1 9 武汉理工大学硕上学何论文 构及档位传感器构成。电驱动变速机构的高度集成，整个结构由四部分壳体构 成，包括电机前端盖、电机壳体、电机与变速器连接壳体及变速器壳体组成。 其中，将电机后端盖与变速器输入端盖集成为一体。 轴系部分共由三部分组成，分别是电机主轴、变速器中间轴及变速器输出 轴。其中，电机主轴与变速器输入轴高度集成为一根连接主轴，通过电机前端 盖上的轴承、连接壳体上的轴承以及输出轴花键毂内的无外圈圆柱滚子轴承支 撑在整个机构壳体上。电机拥有可调反向转动功能，并能正常输出转矩，该变 速机构取消了倒档齿轮。变