（光学工程专业论文）并联混合动力行星齿轮机械自动变速器研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着世界经济的持续增长和人民生活水平的提高，能源与环境问题变得更 加严重。开发新能源汽车是各汽车公司的首要研发任务，而在新能源汽车里混 合动力电动汽车是现今比较广泛的研究热点，丰田等大公司已经将混合动力汽 车进行了批量生产。混合动力汽车的主要优点就是节能环保而动力性又接近于 传统汽车，基于这个思想，本文对混合动力系统中的自动变速器进行了研究。 传统的液力自动变速器的最大缺陷是液力变矩器的传动效率较低，直接 用于混合动力系统势必影响其经济性的发挥。本文通过研究富康行星齿轮机 械自动自动变速器的特点，掌握了其机械结构，尤其是行星齿轮机构的传动 方式，熟悉了电液结构的控制原理和液压控制方法以及变速箱的传感器、电 磁阀等控制机构的特性和工作原理。分析了自动变速器的换挡规律制定方法， 通过实验测得富康t u 5 j p k 多点电喷汽油机和直接转矩控制交流电机的工作 特性曲线，计算出本行星齿轮变速器的换挡规律。并基于m a t l a b s i m u l i n k 软 件建立驾驶员、发动机、电动机、离合器、车轮和车体的动力学模型，以及行 星齿轮机械变速器换挡仿真系统模型。进行了行星齿轮机械变速器用于混合动 力系统的可行性分析，在控制方法上通过与传统液力自动变速器进行比较，分 析换挡过程，制定了适用于本研究的控制策略。 在仿真实验中，将车辆加速踏板从o 加到1 0 0 ，在开始车速比较低时由电 机单独驱动，达到一定车速后切换至发动机驱动，并将发动机油门开度迅速增 加到1 0 0 ，观察自动变速器的换挡过程，完成了变速器换挡过程的仿真研究。 本文设计的行星齿轮机械变速器换挡控制策略，创新点在于使用电机进行主动 同步换挡，具体方法为：变速机构进入转矩相后，使电机转入发电状态，增大 发电转矩，吸收发动机转矩使变速器输入转矩接近于零，并在惯性相阶段，使 用电机调节变速器输入转速，以达到主动同步，以消除换挡冲击。仿真结果表 明，实现了变速器的平稳换挡，满足了对变速器的改进和控制要求。 关键词：并联混合动力，行星齿轮机械自动变速器，电机主动同步，仿真模型， 换挡控制 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h es u s t a i n e dg r o w t ho fw o r l de c o n o m ya n di m p r o v e m e n t so fp e o p l e l i v i n gs t a n d a r d s ，e n e r g y a n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sb e c o m em o r es e r i o u s d e v e l o p i n gn e we n e r g ya u t o m o b i l ei sm a j o rr & dt a s k so fm o s ta u t om a k e r s ； m e a n w h i l e ，h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ( h e v ) i nn e we n e r g ya u t o m o b i l ef i e l di so n e o f t h ec u r r e n tr e s e a r c hf o c u s e s t o y o t aa n ds o m eo t h e rl a r g ec o m p a n i e sa l r e a d yh a v ea s e r i e sp r o d u c t i o no fh e v t h em a j o ra d v a n t a g eo fh e vi s e n e r g y s a v i n ga n d e n v i r o n m e n t f r i e n d l y , a l s oc l o s et ot r a d i t i o n a lc a r sp o w e r b a s e do nt h i si d e a , t h e a u t h o rr e s e a r c ht h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni nh y b r i de l e c t r i cs y s t e mi nt h i sp a p e r t h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a lh y d r a u l i ca u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni sl e s se f t i c i e n t o ft r a n s m i s s i o np r o v i d e db yh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e r , a n dd i r e c t l ye f f e c to n v e h i c l ee c o n o m i cp e r f o r m a n c ew h e ni nh e v i nt h i st h e s i s ，t h r o u g hr e s e a r c h i n g c h a r a c t e r i s t i c so fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n , m a s t e ri t sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，e s p e c i a l l y t h et r a n s m i s s i o nw a yo fp l a n e t a r yg e a rm e c h a n i s m ，f a m i l i a r 、析t l lc o n t r o li n s t i t u t i o n o fe l e c t r i c a l c o n t r o lh y d r a u l i cm e c h a n i s ma n dc o n t r o lt h e o r yo fh y d r a u l i c ，a l s ol e a r n t h ec o n t r o lm e c h a n i s ma n do p e r a t i o np r i n c i p l eo ft r a n s m i s s i o nb o x ss e n s o ra n d m a g n e t i cv a l v e a n a l y z e t h es h i f ts c h e d u l ee s t a b l i s h e d w a yo fa u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n t h r o u g ht h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s c u r v et e s to ft u 5 j p km p i e n g i n ea n dd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) a cm o t o le s t a b l i s ht h es h i f ts c h e d u l eo f t h i s p l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o n a n db a s e do nm a t l a b s i m u l i n k ，e s t a b l i s ht h e d y n a m i c sm o d u l eo f d r i v e r 、e n g i n e 、a cm o t o r 、c l u t c h 、w h e e l sa n dc a rb o d y ，a l s o f o u n dt h em o d u l eo fp l a n e t a r yg e a r i n gm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ns h i f t p r o c e s s c o n t r o l l i n g m a n a g et h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i so na p p l i c a t i o no fp l a n e t a r yg e a r i n g m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ni nh y b r i de l e c t r i cs y s t e m ，c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lh y d r a u l i c a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o no nc o n t r o li n s t i t u t i o n ，a n a l y z et h ep r o c e s so fs h i f t i n g , e s t a b l i s hs p e c i a lc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h i sr e s e a r c h d u r i n gs i m u l a t i o nt e s t ，w ep r e s st h ep e d a lf r o mo t o10 0 w h e ns y s t e mi so n i i al o ws p e e dp e r i o di ti sd r i v e nb ym o t o ra l o n e ，a f t e rr e a c h i n gs p e c i a ls p e e dd r i v e nb y e n g i n e m e a n w h i l e ，a d dt h et h r o t t l et h r e s h o l dt o10 0 q u i c k l y , o b s e r v et h ep r o c e s s o fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ss h i f t i n ga n df m i s ht h e s i m u l a t i o nr e s e a r c ho f t r a n s m i s s i o n ss 1 1 i 衔n g i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rd e s i g n ac o n t r o ls t r a t e g yo f p l a n e t a r yg e a r i n gm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ns h i f t i n g ，t h ei n n o v a t i o np o i n ti sm o t o r a c t i v es y n c h r o n i z i n gw h e ns h i f t i n g t h ed e t a i l sa sb e l o w , a f t e rt h et r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mg e ti n t ot o r q u ep h a s e ，m a k et h em o t o rt u r ni n t om o t o rg e n e r a t i n gm o d e , i n c r e a s ee l e c t r i c a l g e n e r a t i o nt o r q u e ，a b s o r bt h ee n g i n et o r q u et oe l i m i n a t et h ei n p u t t o r q u eo ft r a n s m i s s i o nt on e a r l yz e r o w h e ni ni n e r t i ap h a s e ，t h em o t o ra d j u s tt h e i n p u ts p e e do ft r a n s m i s s i o nt og e ta c t i v es y n c h r o n i z i n ga n de l i m i n a t es h i f t i n gc r a s h f r o mt h er e s u l to fs i m u l a t i o n , w ec a ns e et h a tt h es y s t e me x p e r i e n c eas m o o t h s h i f t i n g ，m e e tt h ei m p r o v e m e n ta n d c o n t r o lr e q u i r e m e n to ft r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i c s y s t e m ，p l a n e t a r yg e a r i n g a u t o m a t i cm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n ，m o t o ra c t i v es y n c h r o n i z i n g ，s i m u l a t o r ，s h i f tc o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一c 签渺新雠辟 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 并联混合动力系统的发展及其工作特点 1 1 1 混合动力技术发展的意义 随着经济的发展，汽车保有量的不断增加，能源短缺与城市大气污染等问 题变得日益突出，而城市大气污染物主要来源于汽车的尾气排放 1 j 。为了保持 2 1 世纪的交通可持续发展，必须开发清洁、高效、智能的交通车辆，例如纯电 动汽车e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) 、混合动力电动汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ) 和燃料电池汽车f c v ( f u e lc e l lv e h i c l e ) 等。 新能源汽车的排放相比传统汽车都有了较大的改进，e v 与f c v 都具有零排 放的特点，但由于目前的电池能量密度低而且价格昂贵，使得e v 续驶里程短， 且成本高，不能满足市场需求1 2 】。另外据专家们估计，短时间内燃料电池技术 难有重大突破，所以f c v 要实现商品化还需要较长一段时间。h e v 是兼顾了电 动汽车和传统汽车优点的新一代汽车结构型式，具有低油耗、低排放的潜力， 动力性接近于传统汽车，而生产成本低于e v ，所以最近几年来其研究开发成为 世界上各大汽车公司、研究机构和大学的一个研究热点。在电动汽车的储能部 件电池没有根本性突破以前，使用混合动力电动汽车是解决排污和能源问 题最具现实意义的途径之一【3 】。 1 1 2 混合动力系统的特点 h e y 是在一辆汽车上同时配备两种或两种以上动力驱动源的汽车，其中a p u 是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组。h e v 将发动机机、电动 机、能量储存装置( 蓄电池) 组合在一起，进行良好的匹配和优化控制，可充分 发挥发动机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足【4 】。 根据混合动力系统的双动力源配置和组合方式不同，可分为串联式、并联 式和混联式三种动力传动方式。 串联式驱动系统结构如图i - i 所示，a p u 由原动机和发电机组成，通常将 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 串联式驱动方式 这两个部件集成为一体。串联混合动力电动汽车是混合动力电动汽车中最简单 的一种，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部 分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。它的主要特 点为：电力驱动是唯一的驱动模式，只有电动机直接与驱动桥相连接，而发动 机与发电机直接连接产生电能，来驱动电动机或者给蓄电池充电。和燃油车比 较，它是一种发动机辅助型的电动车，主要是为了增加车辆的行驶里程。由于 在发动机和发电机之间的机械连接装置中没有离合器，因而它有一定的灵活性。 尽管其传动结构简单，但它需要三个驱动装置：发动机、发电机和电动机。 并联式驱动系统结构示意图如图卜2 所示，并联混合动力电动汽车采用发 动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮，两者都可通过各自的驱动轴驱动 车轮，可以采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或者发动机和电动机混合驱 动三种工作模式驱动。从概念上讲，它是电力辅助型的燃油车，目的是为了降 低排放和燃油消耗。当发动机提供的功率大于驱动电动车所需的功率或者再生 制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量充入蓄电池。与串联混合动 力电动汽车比较，它只需两个驱动装置发动机和电动机，而且，在蓄电池 放完电之前，如果要得到相同的性能，并联式比串联式混合动力电动汽车的发 动机和电动机的体积要小。 图卜2 并联式驱动方式 2 武汉理工大学硕士学位论文 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结构示意图如图1 - 3 所示。 混联混合动力电动汽车在结构上综合了串联式和并联式的特点，与串联式相比， 它增加了机械动力的传递路线，与并联式相比，它增加了电能的传输路线。尽 管混联混合动力电动汽车同时具有串联式和并联式的优点，但其结构复杂、成 本高，但随着控制技术和制造技术的发展，一些现代混合动力电动汽车更倾向 于选择这种结构。 混联混合动力电动汽车兼有串联式和并联式混合动力电动汽车的特点，因 而有很多种可能的控制方式。基本上可分成两种，一种称为发动机主动型，另 一种称为电力主动型。车辆运行时，前一种主要是发动机起作用，而后一种主 要是电动机起作用。 机械连接 i 0 _ j 帆蛾囱 图1 - 3 混联式驱动方式 由于并联式驱动系统的结构较混联式简单与并且比串联式系统能量使用率 高，使得该系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。本 文的研究即是基于此类驱动系统。 1 2 并联混合动力系统的变速装置研究现状 变速器作为车辆传动系统的一个重要部件，直接影响车辆的动力性、经济性 指标，目前可用于混合动力系统的自动变速器一般有机械式自动变速器、传统 的液力式自动变速器和带传动无级变速器以及最新的电子式无级变速器等。 有级式机械自动变速器【5 】( a m t ) 是在普通固定轴式齿轮变速器的基础上， 由控制器实现选档、换档、离合器操纵及发动机油门操纵，以实现自动变速。 其基本控制思想是根据汽车运行状况、路面情况和驾驶员的意图，根据事先制 定的换档规律、离合器接合规律及发动机油门变化规律，对变速器进行最佳档 位判断、离合器控制及发动机油门控制，实现发动机、离合器及变速器的联合 武汉理工大学硕士学位论文 控制。由于机械式自动变速器是非动力换档，变速器输出扭矩与转速变化比较 大，易造成冲击大及换档期间动力中断等缺点。为解决这些问题，现已提出了 扭矩辅助型机械自动变速器和双离合器式机械自动变速器。前者通过辅助齿轮 机构来实现，后者使变速器相邻档位的扭矩传递，分别受控于两个独立的离合 器，以实现动力不中断换档。 无级变速器( c v t ) ，按其结构形式来分主要有流体式、电传动式和机械式 三种。运用最广的机械式无级变速器主要是金属带式无级变速器，它能使车辆在 行驶中传动比无档位连续变化，换挡过程中没有动力中断，充分发挥发动机的 动力性，提高换挡平顺性。但由于它是基于摩擦传动，与齿轮传动相比效率不高。 现在更有电磁耦合无级变速器( e c v t ) 【6 j ，通过对电磁的控制实现变速比的变 化。e c v t 在现有级联式无级电传动或混合动力电动汽车的串联式机电耦合方案 的基础上，实施结构改动，形成可直接传递机械能的电磁滑差耦合( 离合) 器与电 机的组合体【7 】这样在保持与常规电传动相当的较宽广无级变速范围的同时，总 体效率得以提高，从而产生节能效果，并可省去离合器及发动机启动器。 液力自动变速器( a t ) 是一种能将发动机的机械能平稳地传给车轮的液力 机械装置，其传动部分主要由液力变矩器和行星齿轮机构组成，是能实现局部 无级变速的有级变速器，该自动变速器能自动适应外界阻力变化，使汽车平稳 起步，吸收和衰减振动与冲击，延长传动系寿命，增加了舒适性，是目前国外 用的最多的自动变速器。因液力变矩器传动效率较低，所以在以节能为目的的 混合动力汽车上应用将影响混合动力汽车经济性的发挥。 1 3 行星齿轮变速器在混合动力系统中的应用 行星齿轮传动与普通定轴齿轮传动相比，具有质量小、体积小、传动比大、 承载能力大、传动平稳及传动效率高等优点 8 1 。可应用于各种机械传动装置，完 成变速传动、运动合成、运动分解以及其他的特殊功能要求。目前大部分轿车 采用的是辛普森( s i m p s o n ) 式行星齿轮机构，这种行星齿轮机构属于2 k - h 型 周转轮系。2 k h 型周转轮系在所有元件不固定的情况下具有2 个自由度，利用 这一特点可以把两个运动合成为一个运动，因此可以将传统的行星齿轮技术应 用到h e v 动力符合装置中来。 丰田公司推出的量产混合动力汽车p r i u s 的主要核心部件是丰田公司的混 4 武汉理工大学硕士学位论文 合动力系统t h s ( t o y o t ah y b r i ds y s t e m ) ( 图1 - 4 ) 。即采用一个基于行星齿轮 的动力分配装置将发动机的动力分别传送到传动轴和发电机。由发电机输出的 一分电力用于驱动电动机，或由整流器转变为直流电，储存在电池里。 r _ 一一一1 l 皇兰竺i 驱动轮 并联支路串联支路 图1 - 4p r i u s 混合动力系统 传统的自动变速器( a t ) 采用行星轮系实现变速，变速过程中靠行星轮 系中的摩擦式离合器和制动器来调节轮系中齿轮运动与否，没有齿轮的啮合 过程，冲击较机械变速器小，换挡操作已经实现自动控制，有利与混合动力 汽车的换挡控制。但传统a t 的最大缺陷是所采用的液力变矩器的传动效率 较低，直接用于混合动力系统势必影响其经济性的发挥。如果把液力变矩器 去除，通过其它控制手段减小行星齿轮传动机构在换挡过程中的冲击，那么 自动变速器的传动效率将大大提高，同时又保持了其操作的方便性，此即本 文的研究对象，行星齿轮机械自动变速器( p l a n e t a r yg e a r i n ga u t o m a t i c m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，p g a m t ) 。如何在换挡过程中进行发动机、电机、 离合器和变速器的协调控制是需要解决的问题。这方面的研究还很少，福特 公司在一台用氢气发动机的混合动力汽车上采用了这种方案，并给出了进行 实验的部分结果，但没有给出相应的建模分析，因而缺少普遍性，国内也还 没有学者发表有关开展这方面研究工作的文献。本文将以一台在自动变速器 基础上改造成的行星齿轮机械式自动变速器为对象，就这一问题进行研究。 1 4 本文采用的传动方案 根据并联混合动力系统中电动机输出动力与汽车驱动系统的组合位置的不 同，并联混合动力传动系统可分为单轴联合式、双轴联合式和单驱动系联合式 武汉理工大学硕士学位论文 等3 种基本的形式【9 】【1 0 1 ，如图卜5 ，图1 - 6 ，图卜7 所示， 图卜5 单轴联合式 图卜6 双轴联合式 图1 - 7 单驱动系联合式 图卜5 中，电动机输出的动力与发动机输出的动力在发动机输出轴处进行叠 加，然后通过离合器、齿轮箱( 变速器和主减速器) 、差速器等组成的传统驱 动系统带动驱动轮运转。在这种并联布置方式中，齿轮箱的输入轴为单轴，系 统的结构紧凑，因此整个系统运行效率较高。 图卜6 中，电动机输出的动力与发动机输出的动力在变速器或驱动桥处进行 叠加，然后通过主减速器、差速器等相应传统驱动系统带动驱动轮运转。在这 种并联布置方式中，齿轮箱具有两个或多个输入轴。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 7 中，电动机输出的动力通过减速器独立的驱动汽车前( 或后) 驱动轮， 发动机输出的动力经过离合器、齿轮箱、差速器等组成的传统驱动系统带动后 ( 或前) 驱动轮运转。并联混合动力系统工作于联合驱动模式时，发动机和电 动机共同组成4 轮驱动模式。 结合混合动力的结构特点，并考虑到实验室研究的方便性，本研究选择以 图卜5 中单轴式并联传动方案为实际研究对象。该方案适合高级混合动力轿车和 中、小型公共汽车的并联混合动力传动，有较好的延展性和代表性，其具体结 构如图1 - 8 所示。 1 5 本文的研究内容 图卜8 本文采用的传动方案 本文的研究是基于用于某混合动力系统的自动变速器的改进与换挡控制进 行的。首先分析了该款自动变速器的特点，对其行星齿轮换挡机构、电液控制 原理以及变速箱的控制机构进行了分析与研究，掌握了该自动变速器的工作特 性；针对并联混合动力汽车的工作特性总结提出了为其定制换挡规律的方法， 运用s i m u l i n k 编程计算出用于本自动变速器的最佳经济性换挡规律曲线，分析 了该款自动变速器的工作特点；然后根据混合动力系统各部件的参数、工作原 理和实验测得的特性曲线，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立动力学仿真模型；最后 进行了对该系统换挡过程控制策略的分析与研究，对换挡过程进行研究与仿真， 实现了对并联混合动力自动换挡过程的控制，仿真结果符合整体的控制要求。 本文的内容安排如下： 1 、研究行星齿轮机械自动自动变速器的机械结构、电液机构和控制机构， 掌握行星齿轮机构工作过程、变速箱液压控制原理和各控制元件的工作方式， 对变速器动力传动过程建立仿真模型。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 、研究了混合动力系统换挡规律，制定出本系统的换挡规律曲线。 3 、基于混合动力系统各部件的参数与特性，运用s i m u n l i n k 建立整个混 合动力系统的动力学模型，研究换挡策略。 4 、研究并联混合动力系统中行星齿轮机械自动变速器的换挡控制方法，设 计了行星齿轮机械自动变速器的换挡控制策略和控制的流程图，仿真验证了所 设计的控制策略、可行性和有效性。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章行星齿轮机械自动变速器工作过程分析与动 力学建模 本章首先分析所需用的行星齿轮机械自动变速器的机械结构、电液结构和 控制机构组成，以及变速箱的控制原理，然后分析变速器换挡时各离合器与制 动器的的动作，根据其工作步骤用杠杆法进行变速器的动力传动过程建模。 2 1 行星齿轮机械自动变速器 2 1 1 行星齿轮机械自动变速器机械结构分析 变速器机械机构的主要研究内容为变速器的档位以及传动比、基本结构组 成和行星变速齿轮机构的工作原理、传动方式以及换挡过程。 2 1 1 1 行星齿轮机械自动变速器基本结构 行星齿轮机械自动变速箱具有4 个前进档和一个倒档( 变速箱的各档位传 动比参数如表2 1 所示) 1 l 】， 表2 1 变速箱各档位传动比 档位传动比 1 档2 2 7 2 档1 5 3 档 1 4 档0 7 1 倒档 一2 4 5 一级减速主被动齿数 5 7 6 7 二级减速主被动齿数2 5 7 1 里程表主被动齿数 2 4 2 0 变速箱控制器采用模糊控制理论，可根据驾驶员的驾驶风格，车辆的载荷 和程序选择器选择的程序来选择最佳的换挡规则。变速箱控制器和发动机喷射 控制器相互连接，传递信息，使变矩器的锁止，离合器、制动器的接合更加平 9 武汉理工大学硕士学位论文 稳，极大的提高了驾驶舒适性和操作稳定性，当车辆出现故障时，控制系统采 用后备值的方式运行，协助驾驶员把车开到服务站进行维修。 变速箱结构如图2 - i 1 、液力变矩器；2 、输入轴( 一轴) ；3 、机油泵总成；4 、第一级减速从动齿轮；5 、停车轮： 6 、第二轴；7 、第二级减速主动齿轮；8 、差速器齿圈；9 、差速器壳；l o 、液力分配器罩； 1 1 、换档棘轮卡片；1 2 、液力分配器；1 3 、手动阀；1 4 、辅助液力分配器；1 5 、离合器e 1 ( 1 、 倒档) ；1 6 、离合器e 2 ( 2 、3 和4 档) ；1 7 、供油通道；1 8 、制动器f 1 ( 4 档) ：1 9 、制动 器f 2 ( 倒档) ；2 0 、制动器f 3 ( 1 、2 档) ；2 1 、行星齿轮系；2 2 、第一级减速齿轮 图2 - 1 变速箱结构图 从结构上，行星齿轮机械自动自动变速箱的特点有以下5 点： 1 、液力变矩器为锁止式变矩器； l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 、采用辛普森i i 型行星齿轮系，结构紧凑 3 、离合器为片式，制动器为一个片式，2 个带式，传递扭矩大； 4 、 所有运动副及齿轮润滑均为压力润滑； 5 、 变速箱为全密封式，更换传动轴不需放油。 2 1 1 2 变速器行星齿轮机构传动分析 行星齿轮传动易于实现自动化、结构紧凑、质量轻，目前自动变速器中多 为这种型式。行星齿轮变速系统是一种常啮合传动，其传动比变换可通过分离 与结合离合器或制动器而方便地实现，有利于自动换档。液力自动变速器的行 星齿轮变速系统一般由双排行星轮或三排行星轮组成。图2 - 2 为双排行星齿轮 变速器原理【1 2 】。 c 1 前离合器，c 2 后离合器 b l ，b 2 ，b 3 制动器，f 1 ，f 卜单向离合器 图2 - 2 三档行星齿轮变速器示意图 1 、行星齿轮系的优点 行星齿轮系与手动换挡变速箱滑动齿轮比较，前者优点较多。 ( 1 ) 行星齿轮系尺寸较紧凑，因为所有的行星齿轮系的零件，都围绕公共 轴线( 中心轮) 而转动。 ( 2 ) 所有行星齿轮都是常啮合，这就消除了因为齿轮碰撞而造成的打碎轮 武汉理工大学硕士学位论文 齿的危险。齿轮常啮合特性就允许快速换挡，而不会造成扭矩的损失。 ( 3 ) 行星齿轮系强度高，因为扭矩载荷分布于多个齿轮，所以更多的齿轮 分担载荷。 ( 4 ) 行星齿轮系各个零件的位置使得换挡的箍紧零件工作较易实现。 ( 5 ) 行星齿轮组是通用的，它可以组合出多种速比。 2 、行星齿轮运动的一般规律 在研究简单行星齿轮组的速比之前，先了解行星齿轮的运动规律也是非常 必要的。 ( 1 ) 支架静止，齿圈或中心轮主动，小齿轮在销轴上“怠速 ，迫使其余 不同的齿轮按照反向转动。 ( 2 ) 如果中心轮或齿圈静止，自有转动的齿圈或中心轮主动，行星小齿轮 围绕静止齿轮“走动支架。 ( 3 ) 中心轮和行星齿轮的转动方向相反。 ( 4 ) 行星齿轮和齿圈按照同一方向转动。 ( 5 ) 为了达到行星齿轮系传递扭矩的目的，齿轮组的一个元件( 中心轮、 齿圈或支架) 应当静止不动，或锁紧在变速器上，然后输入轴驱动第二个元件， 剩下的第三个元件是输出元件，负责向输出轴传递扭矩。 ( 6 ) 要达到直接传动即高档，三个行星齿轮中必须有2 个同时被驱动，因 而锁紧齿轮组。结果，输入轴速度和输出轴速度相等。 ( 7 ) 任何时候，只有一个主动元件而没有箍紧元件，该齿轮组就是空档。 ( 8 ) 任何时候，中心轮是输出元件，就是超速档。 ( 9 ) 若中心轮是输入元件，该齿轮组就构成低档。 ( 1 0 ) 若支架是输入元件，此齿轮组构成前进超速档。 ( 1 1 ) 若支架是输出元件，该齿轮组就构成前进低速档。 3 、辛普森行星齿轮系【l i 】 行星齿轮机械自动自动变速箱采用辛普森i i 型行星齿轮系，原理见图2 - 3 ， 结构及参数见表2 - 2 ，由两个简单行星齿轮组组成，第一行星齿轮组位于后端 盖一侧，第二行星齿轮组位于液力变矩器一侧。第一组的内齿圈c 1 与第二组的 行星齿轮架p s 2 和一级减速主动齿轮连在一起，第二组的内齿圈c 2 与第一组行 星齿轮架p s l 连在一起。经过不同离合器和制动器作用后，动力从一级减速主 动齿轮输出，行星齿轮机械自动自动变速箱能提供4 个前进档和一个倒档。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 e l 、e 2 一片式离合器 s 1 - 第一组行星齿轮 p s 2 一第二组行星齿轮架 p 1 - 第一组中心轮 f 1 - 片式制动器 $ 2 - 第二组行星齿轮 c 1 - 第一组内齿圈 p 2 一第二组中心轮 f 2 、f 3 一带式制动器 p s l - 第一组行星齿轮架 c 2 - 第二组内齿圈 图2 - 3 辛普森i i 型行星齿轮系 表2 2 行星齿轮组参数 中心轮p 1 3 3 齿 中心轮p 24 0 齿 行星轮s 12 l 齿 行星轮s 21 9 齿 内齿轮c l8 1 齿 内齿轮c 2 8 0 齿 4 、各档位动力传递工作原理 ( 1 ) 一档动力传递路线如图2 - 4 l 档：p 1 主动、p 2 ( x ) 制动，其余各齿轮旋向 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 f 1f 2 f 3 e 1 c 1 厂一 c 2 e 2 p s lp s 2 阼d e s 匠 镄j p 1后2t l 离合器 一轴 p p o = 一级减递主动齿轮 叮 图2 - 4 一档动力传递路线 动力传递路线i ( 起步时) ： 第一行星排：p 1 主动，c 1 ( x ) ，动力从p s l - c 2 输出给第二行星排 第二行星排：c 2 主动，p 2 ( x ) ，动力从p s 2 - p p 输出。 动力传递路线i i ( 一档行驶时) ： 第一行星排：p 1 ，p s l 主动，动力从c 1 - p s 2 - p p 输出 第二行星排：c 2 主动，p 2 ( x ) ，动力从c 1 - p s 2 - p p 输出。 此时，第一、第二行星排都传递扭矩。 ( 2 ) 二档动力传递路线如图2 - 5 2 档，p s l 一c 2 主动，p 2 ( x ) 制动其余各齿轮旋向 f 1f 2f 3 e l c 2 e 2 寸i = p s 2 t 下zl 工囚 p 1 - f _ p pd e s = 一级减速主动齿轮 广r 图2 - 5 二档动力传递路线 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 动力传递路线：一轴一e 2 一p s l 一c 2 p s( x ) 一p s 2 - p p 此时，仅第二行星排传递扭矩 ( 3 ) 三档动力传递路线见图2 6 3 档，p 1 和p s l - c 2 主动( 以同一转速转) 无制动齿轮，其余各齿轮旋向 f 1f 2f 3 e 1 p 1 厂 产， e 2i 进嵯 i 下2 l 工 困陟心 l t p 1 - i - 丌 i 上 图2 6 三档动力传递路线 动力传递路线：一轴一e 1 一p 1 一c 卜p s 2 - p p 一轴一e 2 一p s1 一c 卜p s 2 一p p 此时，仅第一行星排传递扭矩。 ( 4 ) 四档动力传递路线图见图2 - 7 4 档，p s i - c 2 主动，p i ( x ) 制动，其余各齿轮的旋向 f 1f 2f 3 e 1 c 2 e 2 正。二i 。二 p s 2 t 三p 2 b伊弋 j 虹 p pd e s ：一级减速主动齿轮 厂r 图2 - 7 四档动力传递路线 动力传递路线：一轴一e 2 一p s l p 1( x ) - * c i - p s 2 - p p 武汉理工大学硕士学位论文 此时，仅第一行星排传递扭矩。 ( 5 ) 倒档动力传递路线见图2 - 8 倒档，p 1 主动，p s i - c 2 ( x ) 制动，其余各齿轮的旋向 f 1f 2f 3 _ _ _ e 1 c 1 广 产， e 2 i 临 上 下2l 工匠 ilj ! 匹 丌 i 上 图2 8 倒档动力传递路线 动力传递路线：一轴一e 1 一p l p s i( x ) 一c 1 - p s 2 - p p 此时，仅第一行星排传递扭矩。 ( 6 ) 各档位参数见表2 - 3 档位主动齿轮固定齿轮传动比 1p 1p 22 7 2 2p s i - c 2p 21 - 5 3 p l 和p s i - c 2无1 4p s i - c 2p 10 7 1 倒档 p ip s i - c 22 4 5 2 1 2 自动变速箱电液机构 2 1 2 1 自动变速箱电液控制原理 变速箱控制器根据各个传感器采集的信号，变速杆及程序选择按钮位置， 精确控制主油路油压、油温、变矩器锁止，换挡及组合仪表的显示。发动机计 算机和变速箱控制器互通信息，在变速箱换挡时，通过减小点火提前角来降低 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 发动机扭矩，提高换挡舒适性。 组合仪表 c m = 发动机转矩：c ，= 车轮上的转矩；= 发动机转速；o j c = 变速箱输入转速； 峨= 变速箱输出转速；饵= 车轮转速 图2 9 行星齿轮机械自动自动变速箱电液控制原理 2 1 2 2 自动变速器液压控制原理 液压控制单元外形结构如图2 1 0 所示，它由主阀体、副阀体、挡板和电磁 阀等组成。电磁阀包含主压力调节电磁阀、闭锁压力调节电磁阀、6 个顺序电 磁阀、一个手动阀、以及e 1 、e 2 、f 1 、f 2 和f 3 的液压控制阀总成和闭锁离合 器和冷却液控制阀总成组成【1 3 】。前一个总成位于主阀体中， 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 一1 0 液压控制单元外形结构 后一个总成位于副阀体中。主阀体和副阀体两面均有阀腔和通路，两个阀体中 的阀腔和通路道过i 个挡板沟通，主阀体和副阀体也通过挡板与外面回路沟通。 自动变速器控制单元主阎体内有1 1 个控制阀，副阀体内有3 个控制阀。电 磁阀通过主阀体内的控制阀控制制动器和离合器，通过副阀体控制变矩器离合 器和自动变速器润滑冷却子系统。 液压控制单元除了具有控制制动器和离合嚣的控制阀外，还有四种压力控 制阀。第一种是溢流阀，用于系统保护，当油泵输出压力超过一定值后溢流 阀起作用，泵的输出压力p 不再增加：第二种是减压阀，该减压阀把泵输出的压 力油转化为闭锁器和润滑冷却系统需要的压力油只：第三种是双减压阀，该减 压阀为控制阀和主减压阀提供两个标准压力油只= o3 城和= 0 1 7 5 m p ；第。 四种是主压力调节阀，主压力调节阀在主压力调整电磁阀的控制下使泵的输出 压力保持为一个固定值，该压力值由变速机构输入力矩大小决定。 液压控制单元液压控制原理图如图2 一l l 所示娜l ， 武汉理工大学硕士学位论文 图2 一1 1 液压控制单元液压控制原理图 图中下边是制动器和离合器控制阀，中间是压力调整控制阀，右上角是闭 锁离合器控制阀。首先分析液力变矩器控制。液力变矩器由一个高速p 1 y m 控制 阀控制，通电时闭锁离合器闭合，断电时闭锁离合器分离。无论离合还是分离， 离合器之间的压力通过油路中有关节流阀控制压力缓慢变化。 其次分析换档阀的控制过程。手动阀有6 个位置，分别为p 、r 、n 和d 、3 、 2 位。由控制原理图可知，手动阀工作在位置d 、3 和2 时，功能完全一致，但 是这些信号要求自动变速器控制器限制变速器高档位。 手动阀工作在p 位时，手动阀两个输出通路全部通回油路，无论顺序电磁 阀是否通电，f 1 、f 2 、f 3 和e 2 的油缸均连接回油通路，处于分离状态，无论 离合器e l 处于何种状态，自动变速器均为空档。这时一般使e v s 3 通电，保证 e 1 闭合合，e 2 分离。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 4 自动变速器变速机构控制逻辑 传动制动器离合器蓄能器作用 档位 比 电磁阀状态元件 说明 e f 电磁阀 e f 电磁阀 e l e v s 2 = o e v s 5 通电是保证f 2 充油缓 r一2 4 5e v s 5 = i 慢，e 1 工作可靠，e v s 4 必 e l f 2 e v s 4 = o 须失电 e v s 2 = o e v s 3 通电是为了保证e 2 可 n ( p ) e 1e 1 e v s 3 = i 靠通回油路e v s 6 控 e 1 e v s 2 = o e v s 3 通电作用与上相同，制存能 f i2 7 3e v s 4 = 1e 1 f 3 e v s 3 = i e v s 4 通电是为了f 3 闭合器是否 e 2 e v s 3 = oe v s 4 功能同上，e v s 2 通电 对作用 f 21 5 0e v s 4 = i 是为了e 1 通回油路，e v s 3 e 1 f 3 e v s 2 = 1 断电保证e 2 通油压力 元件起 e le v s 2 = o 离合器通过断电接合，通电e 2 作用 f 31 0 0 e 2 e v s 3 = o 分离 e 1 f 1 e v s i = i e v s i 通电保证f l 制动器闭 f 40