（光学工程专业论文）基于自动变速器的带式输送机起动装置试验台研究.pdf

c o n t e n t s 摘要 带式输送机是以输送带作牵引和承载构件，通过承载物料的输送带的运动进 行物料输送的连续输送设备。其中的软起动装置是关键部件之一，能够研制出功 能齐全、高效可靠、质优价廉的起动装置具有重要的意义。目前各种驱动方式各 有优缺点，本文提出了一种新型的带式输送机起动装置，它的核心技术是基于车 用自动变速器的，通过自动控制换挡过程来实现带式输送机的提速起动过程，国 内外尚无此种型式的起动方式。 本文通过研究，提出了基于车用自动变速器的带式输送机起动装置试验台方 案，通过该方案亦可进一步构建各类变速器及基于变速器所开发的装置的较为先 进的通用测试平台。 本文主要做了以下工作： ( 1 ) 汽车电控机械式自动变速器研究。研究了汽车自动变速器的发展，因基于 自动变速器的带式输送机试验台关键基础是机械式自动变速器( a m t ) ，论文较详细 的分析了该类变速器的主要组成部分机械式变速器、干式磨擦离合器和电子控制 系统等，为后续的基于自动变速器的带式输送机试验台方案设计做好必备的主要 基础理论支撑。 ( 2 ) 基于自动变速器的带式输送机起动装置试验台总体方案研究。研究给出了 基于自动变速器的带式输送机试验台包括机电系统和测控系统两大部分。试验台 机电系统由驱动传动加载主系统、起动装置自动选换挡系统、起动装置润滑油温 度控制系统、驱动设备电动机变频调速系统、加载设备加载控制系统、加载设备 能量回馈系统及快速安装系统等组成。分析了试验台测试控制系统要求，硬件构 成和软件控制流程等。 ( 3 ) 带式输送机起动过程仿真研究。在仔细分析带式输送机的基础上，基于与 电动汽车模型的相似性，使用汽车性能仿真软件c r u i s e 构建了输送机仿真模型， 运行模型仿真起动过程，通过加速过程曲线分析，制定合适的控制策略可以控制 1 i l 尔人号：7 i 页十7 ：何论文 换挡过程中的冲击，提高起动过程的平顺性。 ( 4 ) 带式输送机起动装置试验台试验方案研究。在分析机械式变速器磨合、传 动效率、疲劳和噪声等试验规范的基础上，研究提出了本试验台起动装置的磨合、 疲劳、传动效率、温升、噪声和自动变速的试验方案。 关键词试验台；带式输送机；电控机械式自动变速器；仿真；试验方案 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n v e y o ri sac o n v e y o rb e l tf o rt r a c t i o na n dl o a d - b e a r i n gc o m p o n e n t s ，b e a r i n g m a t e r i a l st h r o u g ht h em o v e m e n to ft h ec o n v e y o rb e l to ft h ec o n t i n u o u sc o n v e y o r m a t e r i a lh a n d l i n ge q u i p m e n t s o f t - s t a r t i n gd e v i c ew h i c hi so n eo fk e yc o m p o n e n t s ，t o d e v e l o pf u l l f e a t u r e d ，h i g h l ye f f i c i e n ta n dr e l i a b l e ，h i g hq u a l i t ya n dl o wp r i c eo ft h e s t a r t i n gd e v i c ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i t so w nw a yt op r e s e n tt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h ev a r i o u sd r i v e r s ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wt y p eo fb e l tc o n v e y o r s t a r t - u pd e v i c e ，a n di t sc o r et e c h n o l o g yi sb a s e do nt h ec a l w i t ha u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ， a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，t h r o u g ht h ep r o c e s st oa c h i e v et h es p e e do fb e l tc o n v e y o r s t a r t u pp r o c e s s ，b o t ha th o m ea n da b r o a dt h e r ei sn ow a yt h i st y p eo fs t a r t u p i nt h i st h e s i s ，t h r o u g hr e s e a r c h ，b a s e do nc a r sw i ma u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb e l t c o n v e y o r t e s t r i gp r o g r a mt h r o u g hw h i c hc a nb eb u i l t t o t e s tv a r i o u st y p e so f t r a n s m i s s i o na n dt r a n s m i s s i o n r e l a t e de q u i p m e n tb a s e do nt h em o r ea d v a n c e dp l a t f o r m f o rg e n e r a l p u r p o s et e s t t h em a i nw o r kd o n ei nt h i st h e s i si sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) s t u d yo ne l e c t r o n i cc o n t r o ls y s y t e l no fa m t r e s e a r c ho nt h ed e v e l o p m e n to f t h ea u t o m o b i l et r a n s m i s s i o n ，a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nd u et ot h ec o n v e y o r - b a s e dt e s t b e d b a s e do nt h ek e ya u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( a m t ) ，p a p e r sa n dm o r ed e t a i l e d a n a l y s i so ft h et r a n s m i s s i o no fs u c ham a j o rc o m p o n e n to fm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ， d r y - t y p ef r i c t i o nc l u t c ha n de l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mf o ra u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb a s e d o nt h ef o l l o w u pt e s t - b e dd e s i g no ft h ec o n v e y o rm u s td oag o o dj o bi ns u p p o s i n gt h e m a i nb a s i so ft h et h e o r y ( 2 ) s t u d yo nt h et e s t - b e do ft h eb e l tc o n v e y o rb a s e do na u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n 。 r e s e a r c ha r eg i v e nb a s e do nt h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni n c l u d i n ge l e c t r i c a la n d m e c h a n i c a lt e s t - b e dc o n v e y o rs y s t e ma n dt w om a j o rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m e l e c t r i c a ls y s t e mt e s tb e dl o a dt r a n s m i s s i o nf r o mt h em a i ns y s t e md r i v e ，s t a r tt h e i n s t a l l a t i o no fa u t o m a t i cs h i f tt h ee l e c t i o ns y s t e m ，s t a r t i n gd e v i c e so i lt e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m ，d r i v em o t o rv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e me q u i p m e n t ， l o a d i n ge q u i p m e n t ，l o a dc o n t r o ls y s t e m s ，l o a d i n ge q u i p m e n t ，t h ee n e r g yf e e d b a c k 力：人学硕 j 学伊论文 s y s t e ma n dr a p i di n s t a l l a t i o no ft h ep l a t f o r ms y s t e mc o m p o n e n t s a n a l y s i so ft h et e s t b e dt ot e s tt h ec o n t r o ls y s t e mr e q u i r e m e n t s ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，s u c ha sc o n t r o l f l o w ( 3 ) c o n v e y o rs t a r t i n gd e v i c es i m u l a t i o n a f t e rc a r e f u la n a l y s i sb a s e do nt h e c o n v e y o r , m o d e lo fe l e c t r i cv e h i c l eb a s e do nt h es i m i l a r i t y , t h eu s eo fm o t o rv e h i c l e p e r f o r m a n c es i m u l a t i o ns o f t w a r et ob u i l dac o n v e y o rc r u i s es i m u l a t i o nm o d e l ，r u nt h e m o d e ls i m u l a t i o ns t a r t - u pp r o c e s s ，b ya c c e l e r a t i n gt h ep r o c e s so fc u r v ea n a l y s i s ，t o d e v e l o pa na p p r o p r i a t ec o n t r o ls t r a t e g yc a nc o n t r o lt h es h i f ti nt h ep r o c e s so fs h o c k s ， s t a r t i n gt h ep r o c e s st oi m p r o v er i d ec o m f o r t ( 4 ) s t u d yf o rt e s tp r o j e c to nt h et e s t - b e df o rb e l tc o n v e y o r a n a l y s i so fm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o ni nt h er u n n i n g ，t h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , f a t i g u ea n dn o i s e ，s u c ha s s t a n d a r d i z e dt e s t s ，b a s e do nt h es t u d yo ft h et e s t b e do ft h er u n - s t a r t i n gd e v i c e s ，f a t i g u e ， t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , t e m p e r a t u r er i s e ，n o i s ea n da u t o m a t i ct r a n s m i s s i o no ft h et e s t n o r m s k e yw o r d st e s t b e d ；c o n v e y o r ；a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ；s i m u l a t i o n ；t e s t p r o j e c t i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：彭南么j日期：土。夕，、2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分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论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：勿制导师签名固杉场才吼 z ， 第1 章绪沦 1 1 课题研究的背景及意义 第1 章绪论 带式输送机是以输送带作牵引和承载构件，通过承载物料的输送带的运动进 行物料输送的连续输送设备。其结构原理如图1 - 1 所示，输送带绕经传动滚筒和尾 部滚筒形成无极环形带，上下输送带由托辊支撑以限制输送带的挠曲垂度，拉紧 装置为输送带正常运行提供所需张力。工作时驱动装置驱动传动滚筒，通过传动 滚筒和输送带之间的摩擦力驱动输送带运行，物料装在输送带上和带子一起运动。 带式输送机一般是在端部卸载，当采用专门的卸载装置时，也可在中间卸载。带 式输送机的机身横断面分为上下两段，上段输送带利用槽形托辊组支撑，称为上 分支或承载段或重段。下段输送带由平托辊支撑，称为下分支或回程段或空段。 原理上，输送机上、下分支部都可用来完成输送工作【l 】。 托辊 筒 图1 - 1 带式输送机结构原理示意图 带式输送机已有1 5 0 余年的历史，现已成为最重要的散装物料连续输送设备。 它不仅应用于企业内部的运输，也拓展到企业外部的输送，广泛应用于冶金、矿 山、港口、粮食和化工等领域。 带式输送机与其它散装物料输送机以及汽车、铁路运输相比，有许多优点： 山东人硕十何论文 输送物料种类广泛、输送能力范围宽、输送线路的适应性强、灵活的装卸料、可 靠性强、安全性高及费用低等。 带式输送机种类繁多，可从不同角度进行分类。按承载能力分轻型、通用及 钢绳芯带式输送机；按可否移动分固定、移动、移置及可伸缩带式输送机；按输 送带的结构形式分普通输送带、钢绳牵引带、压带、钢带、网带、管状带、波状 挡边带及花纹带式输送机；按承载方式分托辊式、气垫及深槽型带式输送机；按 输送机线路布置分直线、平面弯曲及空间弯曲带式输送机；按驱动方式分单滚筒 驱动、多滚筒驱动、线摩擦及磁性带式输送机。 驱动装置是带式输送机动力的来源。电动机通过联轴器、减速器带动传动滚 筒转动，依靠滚筒和输送带之间的摩擦力使输送带运动。一般来说：使用最少数 量设备的最简单的驱动装置是最好的驱动装置。然而，驱动装置有时还可能配置 一些特殊用途的设备，用来改善输送机的起动和制动性能。在需要的情况下，在 驱动装置上要设有制动器、逆止器。带式输送机系统对驱动装置有一些基本要求。 例如，驱动装置应具有良好的起动性能，具有大的起动力矩以使输送机能够有载 起动。起动过程中具有足够小、合理的加速度以减小各承载部件的动载荷，避免 由过大的惯性力引起物料在输送带上的滑移和洒料、输送带和滚筒打滑以及拉紧 装置的过大行程，理论上要求在不同的货载情况下都应保持恒定的起动过程。提 供低速运行方式，为了验带或者防止冻结，有时要求输送机必须在低速下持续运 行，一般是设计速度的1 0 - 1 2 。驱动装置必须防止输送到输送机的功率和力矩超 过安全限度，以保证过载的输送机自动停机，避免发生灾难性的事故。在采用多 驱动情况下，应保证各电动机的负荷均匀，避免一个或几个驱动及输送机的部件 过载。电动机起动时对电网的冲击小，最好能使电动机无载起动。驱动装置应该 具有较高的传动效率以及较低的能耗。驱动装置应具有良好的可控性，控制起动、 停机时的速度、加减速度。尽量使电动机空载起动、错开起动时各电动机的起动 时间，减少电动机的起动次数，有可能时，可在输送机停止时不必停电动机。装 备包括自监控、自诊断功能的控制器。 可见，带式输送机中的软起动装置是关键部件之一，研制出功能齐全、高效 可靠、质优价廉的起动装置具有重要的意义。 2 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状 带式输送机起动装置实际上是一种能量转换装置，根据能量可能进行的转换 方式，带式输送机有几种途径进行驱动。例如，由电能一机械能，电动机通过电 力电子技术直接驱动，其主要形式为：直流电动机调速方式：交流电动机软起动 方式；交流电动机变频调速方式，如差动变频无级调速。由电能一液体动能一流 体摩擦一机械能，如液粘离合器驱动。由电能一液体动能一机械能，如液力耦合器 驱动。由电能一液压能一机械能，如液压马达驱动。由于带式输送机系统的起动 种类较多，根据传动原理和结构特点的不同，将现有的起动装置分成变频调速、 液力耦合器传动、液体粘性离合器传动、液压马达驱动、交流电动机软起动和差 动变频无级调速等6 类。 直流电动机驱动的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒 定，可以改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压 恒定，可同改变励磁的方法实现恒功率的调整。直流电动机具有调速范围广，易 于平滑调节；过载、起动、制动力矩大，较强的承载过载能力；易于控制；可靠 性高；调速时能耗较小等特点，2 0 世纪8 0 年代以前直流调速一直占据主导地位。 直流电动机用作带式输送机的驱动有两种方式：一是低速直流电动机直接与驱动 滚筒相连，二是用高速直流电动机通过齿轮减速器与驱动滚筒相连。直流电动机的 明显缺点是造价很高，电刷和整流子的维护量很大。 交流电动机软起动在带式输送机中有较多应用。异步电动机具有结构简单、 制造容易、价格低廉、坚固耐用和工作效率高等优点。其缺点主要表现在功率因 数和调速性能方面。异步电动机起动时存在两个矛盾：( 1 ) 电动机的起动电流大， 而供电网承受冲击电流的能力有限；( 2 ) 电动机的起动转矩小而负载又要求足够的 转矩才能起动。为了实现带式输送机的软起动，需要采用调速，异步交流电动机 的调速方式通常有电动机定子调压调速、电磁转差离合器调速、绕线转子异步电 动机转子回路串电阻调速、绕线转子异步电动机串级调速、变极对数调速、变压 变频调速等。 液力耦合器传动是指采用液力耦合器通过控制充油量改变电机的输出力矩， 因而使输出力矩的大小和增大的速度得以控制，这样在起动过程中可以实现输出 3 t l l 尔人学硕f ：学何沦文 力矩的逐渐增加，从而避免了输出峰值力矩，可有效地降低输送机的动载荷，使 输送机可平稳起动，在稳定工作区段保证有较大的充油量，使其具有较高的传动 效率。其缺点是：对多机驱动时，各驱动的输入功率平衡和同步控制较困难。 液体粘性离合器传动是通过改变离合片的间距达到改变粘性液体间的剪切力 来改变传递力矩。当调整离合片的间隙时，传递力矩和输出转速可随之变化。 液压马达驱动是由电动机驱动液压泵，产生具有一定压力的液压油驱动连接 在输送机滚筒上的液压马达来驱动带式输送机。电动机在无负载状态下起动至额 定转速，驱动液压泵。液压泵为变量泵，由信号控制变量泵的流量，通过流量的 变化来控制运转速度。如果液压马达要停转，不需要停主驱动电机，只要简单的 把液压泵调到零位，此特性允许驱动频繁起停。 差动变频无级调速是采用行星轮传动作为差动元件的双电动机驱动方式，系 统由大功率电动机、小功率调速电动机、差动的行星传动机构、辅助传动机构和 控制系统组成。大功率电动机起传递动力的作用，辅助电动机起控制速度( 速度 合成) 的作用。 以上各种起动方式各有优缺点，本文提出了一种新型的带式输送机软起动装 置，它是基于车用电控机械式自动变速器的，通过自动控制换挡过程来实现带式 输送机的提速过程，国内外尚无此种型式的软起动方式。 1 3 课题研究的主要内容 本文通过研究，提供了适用于开发以车用自动变速器作为软起动装置技术基 础的带式输送机测试试验台方案，通过该方案亦可进一步构建各类变速器及基于 变速器所开发的装置的较为先进的通用测试平台，该论文主要从以下几个主要方 面进行研究。 ( 1 ) 电控机械式自动变速器研究。 ( 2 ) 基于自动变速器的带式输送机起动装置试验台总体方案研究。 ( 3 ) 带式输送机起动过程仿真研究。 ( 4 ) 带式输送机起动装置试验台试验方案研究。 4 第2 章汽下电挖机械式自动变速器萆木t 作原理和结构 第2 章汽车电控机械式自动变速器基本工作原理和结构 在汽车变速器1 0 0 多年的发展中，主要经历了从手动到自动的发展过程。目前 世界上正在使用的汽车变速器为手动式变速器( 英文名称：m a n u a lt r a n s m i s s i o n ， 简称m t ) 、液力自动变速器( 英文名称：a u t o m a t i ct r a n s m is s i o n ，简称a t ) 、无级 自动变速器( 英文名称：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 ) 、电子 控制机械式自动变速器( 英文名称：a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，简称 a m t ) 和双离合器式自动变速器( 英文名称：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 ) 等几种型式【2 1 。 m 手动式变速器手动变速器主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产 生变速变矩。1 8 8 9 年法国人标致研制成功的齿轮变速器是它的雏形，最早也叫有 级式变速器，后来叫手动式变速器，此后经历了近一个多世纪的发展，仍受到许 多喜欢动感操控的人们所喜爱。m t 变速器被广泛运用于各档次的车上，具体事例 不胜枚举，但由于其换挡的顿挫感比较明显，在高档商务用车上已逐渐被相对舒 适的自动变速器所取代。根据世界最大的手动变速器制造商德国采埃孚( z f ) 公司 预测，到2 0 1 2 年北美市场出售的汽车中将只有6 是手动挡。而2 0 0 8 年在美国和 加拿大市场出售的汽车中，还有1 0 配备的是手动变速器。同样的情况也发生在欧 洲市场，原本是手动变速器的市场，不断被自动变速器占领。而对于中国的变速 器市场，一定会与国际“接轨”手动变速器的市场份额将下降。有数据统计， 目前国内乘用车中手、自动挡的比例是6 ：4 。但随着越来越多的消费者追求“方 便”、“省事”，非手动挡市场的份额无疑会逐渐加大。 a t 液力自动变速器1 9 0 8 年福特t 型汽车最早应用了一种只有两个速比的自 动变速器，a t 在结构和使用上与手动变速器有着很大的不同，主要由液力变矩器、 行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。 虽然a t 有不用操作离合器、挡位少变化大、操作容易等优点，但由于a t 通常有 自身带来的动力损耗，不仅对速度变化反应较慢，而且费油不经济，传动效率低 变矩范围有限，所以主要适用于2 0 l 以上的中高档轿车，此外，由于其机构复杂， 5 东人：硕十7 ：何论文 修理十分困难、售后成本也很高。 c v t 无级自动变速器由于a t 仍然是有挡的变速器，不能完全消除换挡时带 来的顿挫感，于是无级自动变速器出现了。1 9 9 7 年，发明了上百年的c v t 开始迈向 成熟，进入商业应用阶段。c v t 由两组变速轮盘和一条传动带组成，采用传动带和 可变槽宽的棘轮进行动力传递。即当棘轮变化槽宽时，相应改变驱动轮与从动轮 上传动带的接触半径进行变速，传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。c v t 是 真正无级化了，它的优点是重量轻，体积小，零件少，与a t 比较具有较高的运行 效率，油耗较低。但c v t 的缺点也很明显：价格昂贵、传动带很容易损坏，不能 承受较大的载荷。 a m t 电子控制机械式自动变速器由于具m t 之高效率性及a t 之自动换挡的方 便性，成本又远低于a t ，近年来已经快速在欧洲市场崛起。a m t 在1 9 9 7 年用于f 1 赛车，并越来越受到世界各国的重视，它在m t 总体传动结构上加装微机控制的自 动操纵系统，实现换挡的自动化。a m t 不仅能自动离合，亦能自动换挡。传动效率 与m t 相近，比a t 高7 以上，生产成本比a t 低3 0 9 6 以上，维修成本低6 0 以上。 a m t 最早于1 9 8 9 年首次被法拉利车队使用，宝马、奔驰、雷诺、蓝博基尼、奥斯 顿马丁、阿尔法罗密欧、蓝旗亚、马萨拉蒂、欧宝等公司也都使用a m t 产品。 d c t 双离合器式自动变速器d c t 是近年来出现的一种自动变速器，其动力 通过2 个离合器分别联结的两根空套同心输入轴传递，相邻各挡的被动齿轮交错与 两输入轴上的对应齿轮啮合，配合两离合器的控制，能够实现在不切断动力的情况 下换挡，从而大大缩短了换挡时间，有效提高了换挡品质。双离合器式自动变速器 既继承了手动变速箱传动效率高、安装空间紧凑、重量轻、价格便宜等许多优点， 也保留了a t 、c v t 等换挡品质好的优点。因为d c t 是基于平行轴式手动变速器发 展而来的，有着手动变速器的诸多优点，而且实现了动力换挡，这不仅保证了车辆 的加速性，而且由于车辆不再产生由于换挡引起的急剧减速情况，也极大地改善了 车辆运行的舒适性。 综上汽车变速器发展应用，其中汽车电子控制机械式自动变速器是在传统的 手动齿轮式变速器基础上改进的。它结构简单，保留了干式离合器与手动机械式 变速器的绝大部分总成部件，只将其中的手动操作系统的选换换挡和离合部分， 改为自动控制机构即可。 6 第2 章汽车电控机械式自动变速器基本上作原理和结构 2 1 机械式变速器 变速器固定在发动机后部，可使汽车前进和后退。它有一空挡位置，在此位 置上，发动机能运行但不传递动力至驱动轮。因此，尽管在汽车位于空挡位置时 有动力输入至变速器，但由于驱动齿轮并未与输出轴接合，故变速器无动力输出。 现在大部分手动变速器有四或五个前进挡。称为一挡、二挡、三挡、四挡、 五挡，如图2 1 所示。因为发动机在低速时产生的功率几乎微乎其微，发动机必 须以相当高的转速转动才能提供足以使汽车行驶的功率，因此有必要设置不同的 传动比。通过选择适当的传动比，作用至驱动轮的转矩才可以增大。驾驶员可在 变速器中选择不同的挡位，来确定合适的转速和转矩。低挡可提供较低的车速， 但转矩较大；高挡可提供较小的转矩，较高的车速。 卜一二挡同步器：2 一一挡齿轮；3 一五挡齿轮；4 一第二轴； 5 一车速里程表传动齿轮；6 五挡齿轮同步器：7 一倒挡齿轮； 8 _ 倒挡中问齿轮；9 - - - - - 挡齿轮：1 0 一三挡齿轮；1 卜中间轴常啮合传动齿轮； 1 2 一第一轴：1 3 一第一轴常啮台传动齿轮( 四挡齿轮) ；1 4 一三四挡同步器 图2 - 1 在典型五速变速器中齿轮与轴的安排 变速器包括大小齿轮的几种组合。在一挡状态下，第一轴上的小齿轮( 常啮 合传动齿轮) 驱动中间轴上的大齿轮( 中间轴常啮合传动齿轮) ，由此降低了大齿 轮的转速，但增加了大齿轮的转矩。动力传递至与中间轴固结的小齿轮，该小齿 轮驱动与第二轴相联的大齿轮，第二轴又联结于驱动桥，由此降低了转速并增大 了转矩，产生较大的传动比，可用于汽车起步或重载时。一挡主要用于汽车起步， 其传动比在变速器的所有挡位中最大，产生的转矩也最大，如罔2 - 2 所示。 图2 - 2 一挡传动路线 二挡与一挡使用同样的一对常啮合传动齿轮。然而，第二轴一挡齿轮与第二 轴不相联，动力通过另外一对齿轮( 二挡齿轮) 传动。在中间轴上的一较大齿轮 ( 较一挡大) 驱动联于第二轴上的较小齿轮( 较一挡小) ，传动速比要比一挡小。 由于汽车已在行驶，因此推动汽车前进所需的转矩较起动时小。如图2 - 3 所示。 一二档同步嚣 目前按档i 一 图2 0 二挡传动路线 当要增加汽车速度和希望考虑燃油经济性时，可采用三挡，使发动机转速和 转矩的增大进一步降低，如图2 4 所示。 誊：薹耋：兰誓墨篓圣：翟銮誊耋茎：苫兰星至墼丝丝 图2 4 三捎传动路线 四挡通常为直接传动( 传动比l ：1 ) ，因而变速器的输入转矩与变速器输出转 矩相同，如图2 - 5 所示。这挡位用于经济行驶速度( 也称巡航速度) 可提高燃油 经济性。当汽车处于四挡状态时，汽车的后备功率较二挡和三挡时小。要超过行 驶较慢的汽车r 变速器常需降低挡位至三挡，利用三挡转矩较四挡稍大的优点， 从而产生足够的加速度。 图2 - 5 四挡传动路线 许多变速器还有血挡，称为超速挡。超速挡的传动比小于l 。其传动比的获得 通过使用一大主动齿轮与一小从动齿轮啮合，如图2 - 6 所示。输出转速增加，转 矩减小。超速挡的作用是提高燃油经济性，并在高速公路保持经济行驶速度时降 低运行噪声。 圈2 巧五挡传动路线 通过使用一倒挡中间齿轮，输入与输出的转矩方向反向，变速器第二轴虬前 进挡的反方向转动，如图2 7 所示。一般来说，倒挡使用与一挡大小大致相同的 齿轮再加上一个倒挡中间齿轮，因此倒挡仅能获得低速。 22 千式摩擦离合器 倒档中问齿轮 向后换档 图2 7 五挡传动路线 在汽车传动系中，作为离合器的驱动件即一大质量的圆盘( 飞轮) ，连于曲轴 的后断。飞轮的后端为很光滑的机加工面。当离合器结合时，发动机曲轴的旋转 运动从飞轮通过离合器传至变速器。此旋转运动接着通过变速器传至主减速器， 然后通过半轴传至轮胎，使汽车运行。 离台器总成固定在发动机后部，并通过飞轮直接连于发动机曲轴。离合器的 作用是平稳的接合并断开通往传动系其余部分的发动机动力。其中飞轮的作用是 用来减小曲轴的振动，对曲轴转动施加惯性力，以及作为起动电动机传动的大齿 。拶j 骱； 畿。 离台器壳；2 一离台器从动盘；3 一压盘：4 一离台器盖；5 一分离轴承；6 一分离叉 7 一分离杆：8 一分离杠杆碟形弹簧；9 一减搌器弹簧：l o 一发动机飞轮 圈2 4 离台器总成的主要部件 i i 尔人学硕十学何论文 2 3 电控机械式自动变速器电子控制系统 电控机械式自动变速器有电一液式、电一气式和全电式3 种控制方式，其中采 用最多的是电控一液动系统。电控机械式自动变速器生产继承性好，改造投入费用 少，易于被生产厂接受，是融合了a t 与m t 两者优点的机一电一液一体化产品【3 1 。 a m t 的基本原理如图9 , - 1 0 所示。 图2 1 0a m t 的基本原理图 起步与换挡是控制功能的主要内容，基本原理从图中可知，驾驶员通过加速 踏板和操纵杆向e c u 传递控制信号，大量的传感器时刻掌握着车辆的行驶状态。 e c u 按存储于其中的控制程序一最佳换挡规律、离合器模糊控制规律、发动机供 油自适应调节规律等，通过液压系统对离合器的分离与接合、变速器换挡进行控 制；通过发动机节气门控制机构对发动机进行供油控制，并对三者的动作与时序 实现最佳匹配，从而实现平稳起步与迅速换挡，使汽车获得优良的燃料经济性与 动力性能。根据对发动机节气门控制方式的差异，a m t 分为刚性a m t 和柔性a m t 两 大类。刚性a m t 是指加速踏板和节气门之间有固定的机械联系，柔性a m t 是指加 1 2 第2 章汽市电控机械式自动变速器基本一l ：作原理和宝占卡勾 速踏板和节气门之间不直接机械联系，而是通过电子控制器经步进电动机等执行 机构控制节气门的“软”连接。一般地，在电喷发动机上采用柔性结构，在化油 器发动机上则采用刚性结构。 2 3 1 电子控制单元 ( 1 ) 组成 a m t 的电子控制单元框图如图2 - 1 1 所示。 车速倍感器 发动机转速倍感器 输入轴转速传感器 加速踏板传感器 离台器位置信感器 油温倍感器 挡位 选择器杆 节气i - y f 关 加速踏板开关 制动开关 巡航开关 图2 - 1 1a g l 的电子控制单元框图 e c u 主要由电源、c p u 与存储器、输入电路与输出电路几部分组成。因各类传 感器的增多，使输入电路也大为复杂。既有脉冲信号又有模拟信号和开关量信号 输入，而输出也增加了发动机供油控制、坡上辅助启动装置( h s a ) 等电路。 ( 2 ) 控制功能 变速控制是先将各种最佳换挡规律存储于微机，然后根据两参数或三参数控 制换挡。驾驶员干预的意图主要依靠踩加速踏板，必要时也可通过选择器。 离合器的控制有为了补偿离合器片的磨损，需查明离合器部分接合的起点， i i i 尔人学硕十学伊论文 它是离合器控制的重要参考点；车辆起步与换挡时离合器的接合控制；离合器的 分离控制；二次离合( 相当于手动换挡的两脚离合器) 控制等。在离合器的接合过 程中，根据离合器的最佳接合规律，确定目标接合行程的时间历程，即离合器的 接合速度，由节气门开度、发动机转速、输入轴转速及离合器传递的转矩特性等 参数控制的。在采样周期内，如果执行机构要求的目标接合行程，与实际接合行 程x 间有误差，为减小或消除其误差，则采用比例一积分调节器对电磁阀进行脉宽 调制作自动校正，如图2 - 1 2 所示。 r 一目标接合行程；x 一实际接合行程 图2 1 2 离合器行程的脉宽调节 电喷发动机供油的控制是用间断供油与延迟点火实现的。它可分为3 个逻辑 特性：发动机启动、加速控制和换挡时的控制。换挡时的控制主要是对其转速的 控制，目的是使其适应新的输入轴转速，从而减少换挡后离合器接合的冲击，以 提高换挡平顺性。测出发动机转速与变速器输入轴转速的差异，即可对发动机进 行控制。例如升挡时，需发动机降速。当转速相差仍很大时，轿车和中、轻型货 车常等待其自然降速，或通过同步器达到同步换挡；但对重型货车而言，因这部 分惯量大，等待时间太长( 超过通常的换挡时间0 8 s 到1 o s ) ，则采取对离合器从 动盘进行制动或发动机制动等方法，实现快速同步。在降挡时，如果转速差超过 变速器同步容量允许值时，就需要进行两次离合器的操作，发动机再相应升速， 以提高离合器从动盘的转速，达到快速方便换挡的目的。 起步控制过程中，离合器行程释放的同时，节气门要进行相应的自适应调节， 以便发动机工作状态能适应外部负载转矩的变化。在正常情况下，起步时，离合 器接合期间，节气门开度随时间变化增大；由于某种原因，驾驶员突然松开油门 打算中断起步时，节气门开度随时间变化减小，应快速分离离合器以免过分磨损。 1 4 第2 章汽下电控机械式白动变速器基本i ：作原理和结构 车辆以何种方式起步，按驾驶员输入意图来确定，一般有缓慢起步、j 下常起步、 急速起步等形式。此外，道路状况对车辆起步也有较大影响。起步发生在坡道上 时，为能可靠起步，配以坡道起步辅助装置h s a 及相应控制规律。为确保各种情 况下车辆起步并获得较好的起步品质，对离合器接合规律和节气门适应性调节规 律的确定是起步中的难点。 2 3 2 l i t 执行系统 电控机械式自动变速器有电液式、电气式和全电式3 种控制方式。由于气体 的体积可压缩性，换挡速度变慢，但对于有气源的车辆可以不用再为a m t 增加能 源、调压与蓄能器等设备，使成本降低是其优点；而全电形式虽在价格、质量上 有优势，但调整困难，还不太适合大量生产。故目前用得最多的仍是电液控制方 式，采用液压系统为其执行机构。它不仅可用于高扭矩范围，有最快的换挡速度 而且与其他液压系统可实现最佳配合( 如与液力变矩器的匹配) 【4 1 。电控液压执行机 构如图2 1 3 所示。 卜油泵；2 一压力继电器；3 一蓄能器；4 一电磁阀；5 一离合器液压缸 图2 1 3a m t 液压系统原理图 ( 1 ) 离合器的执行机构 离合器的执行机构是单作用液压缸，由电磁阀v 1 、v 3 、v 4 控制，它们按需要 有直径各不相同的节流孔，以满足最大接合速度；再将v 3 、v 4 组合，并由e c u 进 1 5 i i i 尔人学硕十学何论文 行脉宽调制，便可得到小于最大接合速度的任意速度。工作模式有分离、保持分 离、接合及保持接合4 种。分离时，电磁阀v 1 丌放，v 3 、v 4 关闭，压力油进入液 压缸5 使离合器分离，这是为防止发动机熄火，而正常换挡时需要。保持分离时，v l 、 v 2 、v 3 均关闭，缸内油压封闭，液压缸活塞不运动，离合器保持分离。接合时，v 1 关闭，v 2 、v 3 分别或同时工作，由e c u 对其进行脉宽调制。即脉冲越宽，接合速 度越快，由传感器将其实际行程反馈给e c u ，如与要求的最佳接合规律不一致，则 进行修j 下，以配合汽车起步、换挡等。保持接合时，以保证确实在新挡位行驶。 ( 2 ) 变速器的执行机构 电控机械式自动变速器有平行式与相互正交两种，后者称x - y 换挡器，它们 各有3 个停止位置，组成矩阵方式，如图2 - 1 3 所示。对5 个前进挡1 个倒挡的a m t 而言，采用正交式比平行式可节省两个油缸，因而结构简单、紧凑。对于插入了 选挡动作的换挡，其时间会比平行式略长，其液压缸是单杆型复动式，用二位三 通阀控制油路，可使活塞j 下确可靠停于3 个位置。其运动通过内部杆件传至拔叉， 换挡与手动变速器相同。现以1 挡换2 挡为例说明其过程：先分离离合器，同时 发动机收油；这时e c u 指令换挡阀v 6 换向，换挡液压缸动作，摘下1 挡，进入空 挡n r l ；接着e c u 又指令v 7 换向，选挡液压缸动作，使选挡杆从n r l 进入n 2 3 位 置，挡位信号接通，表示选挡到位；此后，换挡阀v 5 换向，换挡液压缸反向动作， 从而换入2 挡；换挡开关接通，e c u 令离合器接合，发动机自适应地恢复供油。 ( 3 ) 发动机的执行机构 对于电喷发动机，加速踏板和节气门之间为柔性连接，a m t 与其共享资源，用 c a n 总线通信使其在换挡时，按要求收节气门或加节气门，并使发动机点火延迟以 提高换挡品质与降低污染。在化油器发动机上，通过电子控制器经步进电动机等 执行机构控制节气门。 2 4 本章小结 本章研究了汽车变速器的发展，因基于自动变速器的带式输送机的起动装置 关键基础是机械式自动变速器( a m t ) ，论文又较详细的分析了该类变速器的主要 组成部分机械式变速器、干式磨擦离合器和电子控制系统等，为后续的基于自动 变速器的带式输送机起动装置试验台设计做好必备的主要基础理论支撑。 1 6 第3 章萆t 白动变速器的带式输送机起动装置试验台总体方案研究 第3 章基于自动变速器的带式输送机起动装置 试验台总体方案研究 基于自动变速器的带式输送机起动装置试验台由机电系统和测控系统两大主 要部分组成。 3 1 试验台机电系统研究 试验台机电系统由驱动传动加载主系统、起动装置自动选换挡系统、起动装 置润滑油温度控制系统、驱动设备电动机变频调速系统、加载设备加载控制系统、 加载设备能量回馈系统及快速安装平台系统等组成。 3 1 。1 试验台驱动传动加载主系统 试验台驱动传动加载主系统是试验台的核心主干，其主要总成包括驱动设备、 起动装置及加载设备等。 ( 1 ) 驱动设备 可移动式机械使用的动力设备通常有内燃机和电动机。带式输送机通常使用 电动机作为动力设备，随着技术的发展，交流异步电动机成为使用的主流设备。 因此本试验台选用了该种类型电动机作为试验台的驱动设备。 三相异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳 态和动态特性，是工业中使用的最为广泛的一种电动机，其主要由定子( 固定部 分) 和转子( 旋转部分) 构成【5 1 ，图3 一l 所示为三相异步电动机的构造。 铀= 一耋 图3 1 三相异步电动机的构造 1 7 i l i 尔人学硕十7 ：何论文 三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场( 定子绕组内三相电流所