（精密仪器及机械专业论文）轻便换档系统及故障诊断.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的进步和生活水平的提高，汽车工业得以长足发展，人们对车辆的功能和 性能提出了更高的要求。目前，我国多数城市客车均采用发动机后置，使用手动机械变 速装置，在车辆行驶过程中，驾驶员要反复、频繁进行起步、换档和停车操作，劳动强 度很大，燃油经济性和乘坐舒适性较差，同时也存在着严重的交通事故隐患。借鉴国内 外多年的研究经验，同时结合我国的实际情况，研究开发了性价比较高的客车轻便换档 系统。 系统在原有手动变速器基础上进行机械机构改造，将手动换档改为电控气动轻便换 档，以电子控制单元为核心，、通过气动执行机构完成预定选换档操作，实现客车换档的 轻便化。系统结构简单，效率高，生产继承性好，改造费用投入少，性价比高，具有重 要的理论意义和应用价值，发展前景广阔。 本文介绍了客车换档系统的历史、现状及发展趋势，从客车传动系统中的离合器和 同步器的工作原理入手，介绍了客车的换档过程。文章阐述了轻便换档系统的总体方案 设计，详细描述了控制机构和执行机构的结构设计。在机械结构基础上，本文还详细阐 述了控制机构和执行机构的硬件电路设计，包括信号采集电路、电磁阀控制、主备用控 制单元及其它外围硬件电路的设计，并对出现和预知的故障进行了诊断，且提出了解决 方案。文章然后介绍了c a n 总线在系统中的应用，包括硬件节点的设计以及通讯协议的 制定等，同时进行了系统软件流程的设计。最后对设计的硬件电路和系统软件进行了调 试，确定系统能够正常运行。 关键词：手动变速箱；电控气动；c a n 总线通讯；执行机构 轻便换档及故障诊断 e l e c t r o n i cp n e u m a t i cs h i f ts y s t e ma n di t sm a l f u n c t i o nd i a g n o s i s a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms o c i e t ya n dt h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ，t h e a u t o m o b i l ei n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p e df l e e t l y ，a n dp e o p l ed e m a n dm o r ea b o u tt h ef u n c t i o n s a n dc a p a b i l i t i e so fv e h i c l e s a tp r e s e n t , m o s tc i t yb u s e sa d o p tt h ep o s t p o s i t i o ne n g i n ea n d m a n u a lm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n w h e nt h ev e h i c l e sn a n , d r i v e r sm u s td ot h em a n i p u l a t i o no f s t a r t , g e a r s h i f ta n ds t o pr e p e a t e d l ya n df r e q u e n t l y ，s ot h ew o r k i n gi n t e n s i t yi sv e r yl a r g ea n d t h ec o m f o r tc a p a b i l i t ya n df u e le c o n o m yi sb a d a l s ot h e r ea r es e r i o u sl a t e n tt r o u b l e so ft r a f f i c a c c i d e n t u s i n g 也er e s e a r c he x p e r i e n c ef o rr e f e r e n c ei nh o m ea n da b r o a d a n da c c o r d i n gt o o u rn a t i o n a la c t u a ls i t u a t i o n , w ed e v e l o p e da l le l e c t r o n i cp n e u m a t i cs 1 1 i rs y s t e mt h a th a sa g o o dc o s tp e r f o r m a n c er a t i o b a s e do nt h eo r i g i n a lm a n u a lg e a rb o x ，t h em e c h a n i c a lm a c h i n ei sr e d e s i g n e da n dt h e m a n u a lg e a rb o xi sr e p l a c e db yt h ee l e c t r o n i ct r a n s m i s s i o n t h es y s t e mt a k e st h ee c ua st h e c o n t r o lk e r n e la n du t i l i z e st h em e t h o do ft h ee l e c t r o n i cp n e u m a t i cs h i f tt oc o m p l e t et h e p r o s p e c t i v es h i f to p e r a t i o n 眦ss y s t e mc a l ln o to n l ym a i n t a i ns i m p l es t r u c t u r ea n dh i 曲 e f f i c i e n c y ，b u ta l s oh a v eh i 曲m a n u f a c t u r ef a c i l i t ya n dh i 曲p e r f o r m a n c e - p r i c ep r o p o r t i o n s o t h i sp r o j e c th a si m p o r t a n ta c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n da p p l i e dv a l u e t l l i st h e s i si n t r o d u c e st h e h i s t o r y c u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do ft h e t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ew o r kt h e o r i e so ft r a n s m i s s i o n , c l u t c ha n dt h es y n c l l r o n i z a t i o n m a c h i n ea r ei n t r o d u c e df i r s t l ya n dt h e ns h i f tp r o c e s s e sa l ed i s c u s s e di nd e t a i l s s u b s e q u e n t l y ， t h eb l u ep r i n to fw h o l es y s t e mw i t ht h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ec o n t r 0 1a n dt h ei m p l e m e n tu n i t a r ee x p o u n d e d b a s e do nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h i st h e s i sh a sa l s oe x p o u d s e di t sh a r d w a l e c i r c u i td e s i g n ，i n c l u d i n gs i g n a lc i r c u i t ，e l e c t r o m a g n e t i cv a l v ec o n t r o lc i r c u i t , t h em a i nc o n t r o l a n dt h ei m p l e m e n tu n i ta n do t h e rc i r c u i t t h i st h e s i sa l s oe x p o u d st h ed i a g n o s i st ot h ep o s s i b l e m a l f u n c t i o no ft h ew h o l es y s t e m , a n db r i n gf o r w a r dt h es o l u t i o n s 1 1 1 e a p p l i c a t i o no f c a n - b u si sa l s oi n t r o d u c e d i n c l u d i n g 血en o d eh a r d w a r ed e s i g na n dt h ef r a m eo ft h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a tt h es a m et i m et h es y s t e ms o f t w a r eb a s e do nt h et h eh a r d w a r ei s a l s od e s i g n e d f i n a l l yt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r et e s t dt om a k es u r et h ew h o l es y s t e mc a n w o r ks m o o t h l y k e yw o r d s ：m a n u a lt r a n s m i s s i o n ；e l e c t r o n i cp n e u m a t i cs h i f t ；c a n b u sc o m m u n i c a t i o n ： e x e c u t i o nm a c h i n e 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：捶堡王堕遨丕多直氐邀瞳幽 作者签名： 工丝剧 日期：呈仝里蚤年上月碰日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：辇堡窒盔鱼逢枣丛鲻鉴哟 作者签名：塑到日期：兰盟年照月丛日 导师签名： 赳丝日期：建丝丝年z 至月l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1课题背景 汽车工业的水平是衡量一个国家工业化水平高低的重要标志。由于汽车运输所占的 比重日益增加，因此对汽车的性能也提出了更高的要求。传统的技术已不能满足汽车发 展的需要，特别是在节省能源、环境保护、安全性和舒适性方面。汽车电子技术能使汽 车行驶在最佳状况，并可降低油耗、减少污染，提高乘坐舒适性，所以汽车电子技术在 现代汽车的控制系统中得到了广泛的应用。 随着汽车工业和运输事业的日益发展，人们对汽车的性能提出了更高的要求。近年 来，汽车的产量逐年增加，应用范围愈来愈广，非职业驾驶员也越来越多，传统的手动 换档的缺点也显得越来越突出：操作复杂、难于掌握，驾驶员要根据道路条件和发动机 工作状况，选择合适的档位和换档时刻，以保证良好的动力性和燃油经济性。非熟练驾 驶员由于换档时刻选择不当，会造成发动机熄火、动力性能下降和经济性严重下降，有 可能造成车辆的排污增加、噪声大、冲击严重，影响动力系统的寿命及乘客乘坐的舒适 性。而且换档时要求加速踏板、离合器踏板及操纵杆协调配合，这些都对驾驶员的操作 提出了较高的要求。另外，由于换档频繁，特别是起步或在市区行驶时，要在短时间内 连续换若干个档位，易使驾驶员疲劳，也极大地分散了驾驶员的注意力，降低了行驶的 安全性。鉴于手动换档的上述缺点，汽车传动系统的自动操纵已成为改进和完善汽车性 能的重要方向，各国都不遗余力地投入大量人力和物力从事自动变速器的研究开发。目 前美国9 0 以上的轿车装备了液力自动变速器，在日本的装车率也在7 0 左右，欧洲发 达国家己接近3 0 。我国的汽车自动变速技术开发较晚，相对落后。因此，能够以较低 成本，研发出具有较高性能的电控气动式轻便换档控制系统改善汽车换档的动力性、经 济性，减轻驾驶劳动强度，提高行驶安全性，具有重要的现实意义和经济效益【1 一。 1 2 课题的理论意义和应用价值 本课题及产品的开发将机械设计与电子技术紧密的结合起来，充分发挥二者的优 势，开发出了性能强、运行可靠的变速箱操作控制系统。 在车辆行驶过程中，驾驶员必须根据道路、交通条件的变化，不断地对车辆的行驶 方向和行驶速度进行改变和调节，使汽车获得良好的行驶性能和燃油经济性能。统计资 料表明，在城市道路行驶时，载货汽车每行驶l o o k m ，需起步和停车8 0 一1 0 0 次，而公共 汽车则需4 0 0 5 0 0 次，而每次换档有4 - 6 个手脚协调动作。在城市交通日益繁忙、道路 阻塞日趋加剧的情况下，频繁换档对驾驶员来说，在精神上和体力上都是一个很大的负 大连理工大学硕士研究生学位论文 担，使驾驶员容易产生疲劳，注意力分散，致使交通事故增加。轻便换档系统可以大大 减轻驾驶员的劳动强度，并防止驾驶员的误操作损坏变速箱，提高车辆的驾驶舒适性。 目前国内客车行业普遍使用的是第一代、第二代机械式变速操纵系统，这两种产品 存在着先天性的缺陷，除了需要很大的变速操纵力以外，第一代变速操纵系统即硬 轴加万向节连接传动的操纵系统，因部件的自重在运行中的振动和刹车惯性力的作用下 造成硬杆几个关节处磨损，磨损的积累导致传动精度的衰退，最终出现错档、乱档和脱 档等不正常状态；第二代变速操纵系统两根软轴传动的推拉索操纵系统，由于操作 时承受推力和拉力二个方面的负载，长距离的钢索软轴在承受8 0 0 n 推力作用时，会在 导管内形成波浪形弯曲，大大增加了索心钢丝绳与导管的磨擦，在软轴输出端对变速箱 的供力不变的情况下，则操纵器一端的软轴输入端将会加大负载5 0 以上，除增加驾驶 员操纵时体力消耗外，钢索还会在推力作用的弯曲中破坏其本身的绞合结构，从而降低 钢索的力学性能；同时索芯与推拉杆的连接部位积聚弯曲力和剪切力，随着动作次数积 累的疲劳损伤，导致索芯易于断裂。因此当前推拉索产品只能确保2 0 万次，随着使用 时间的增加，空行程也会随着增加，从而影响变速操纵的正确性【3 1 。 客车轻便换档系统的研究对其原有变速器进行改进设计，将手动换档改为电控轻便 换档，既保留了机械变速器效率高、成本低、结构简单的优点，又充分利用了电控响应 速度快、易控制的特性，同时又减少车辆操作动作，有效降低驾驶员的劳动强度，减少 事故发生的概率，因而，此课题的研究具有重要的理论意义和应用价值。 1 3国内外研究发展及现状 按操纵方式的不同，变速器可分为强制操纵、自动操纵式和半自动操纵式。 ( 1 ) 强制操纵式：即手动换档操纵系统，依靠驾驶员在驾驶室直接操纵手柄变速杆 换档，为大多数汽车所采用： ( 2 ) 自动操纵式：这种车辆的变速器多为自动变速器，现在有些汽车上也装备了电 控机械式自动变速器( a m t ) ，这是在普通变速器基础上改装而成的，驾驶员只需操纵 加速踏板，即可控制车速，与普通手动变速器相比，自动变速器存在结构较为复杂、工 艺要求及制造成本较高、传动效率略低、维修难度较大等缺点； ( 3 ) 半自动操纵有两种形式：一种是有几个档位可以自动操纵，其余档位则由驾驶 员操纵，这种方式较为常见；另一种是预选式的，即驾驶员预先用按钮选定档位，在踩 下离合器踏板或加速踏板时，接通一个电磁装置或液压装置换档【4 1 。 机电一体化技术的发展促进了机械式变速器的自动化。首先出现的是半自动的s a m t 系统，如1 9 8 3 年美国e a t o n 公司的s a m t 系统，1 9 8 6 年瑞典s c a n i a 公司的c a g 系统， 一2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 其实质是辅助换档系统，即由电子控制系统实现换档，而换档时刻由驾驶员踩离合器踏 板来确定，电子显示器可提示驾驶员何时为最佳的换档时刻，但他们仍然不能取消离合 器踏板，实现传动系的全自动操作。而后出现了全自动化的电控自动变速器( a u t o m a t e d m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，a m t ) ，如1 9 8 4 年日本五十铃公司的n a v i 一5 电控机械式自 动变速系统，实现了离合器的自动操纵。此外，日本n i s s a n 、h i n o 、美国f o r d 、e a t o n 、 意大利f i a n t 等公司也都开展了全自动a m t 系统的开发研究。在日本采用扭矩反馈控制 系统后，换档同步控制已臻完美，但起步时离合器的控制和换档规律仍是困扰着a m t 发 展的难点，造成离合器磨损加剧、坡道和弯道意外换档等不良现象。由于离合器的起步 和换档操作受到环境因素、车辆运行状态、驾驶者的意愿等多种因素影响，是一个复杂、 多变、开放系统，传统控制理论和方法不能满足要求，人们开始采用模糊推理的智能方 法进行离合器接合、换档策略的模糊控制研究。在无级变速传动系统( c o n t i n u o u s v a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，c v t ) 的研发方面，直到1 9 8 7 年美国f o r d 公司才首次推出 实用型的利用钢带变速的c v t 轿车，它可以大大提高车辆的燃油经济性。 德国宝马公司从1 9 9 2 年起，陆续推出可用于四档和五档变速器的自适应换档控制 系统，它能够自动识别驾驶员类型、环境条件和具体行驶状况，并对换档规律做出自适 应的调整。该系统通过减少驾驶员的干预，改善了操纵舒适性；在运动行驶模式减少了 换档次数；在平稳行驶工况下降低了油耗；在平滑路面上提高了行驶安全性。1 9 9 2 年日 本尼桑的e 4 n 7 1 b 自动变速器采用模糊推理对高速公路坡道进行识别，并采用禁止升档 的措施消除换档循环。日本三菱推出的新型四档自动变速器将各种输入信息和驾驶员的 选档，通过神经网络建立联系，利用神经网络的学习功能，使得在许多情况下能够按照 驾驶员的愿望自动换档。近几年三菱公司又推出了新型四档自动变速器。 自动变速技术在公路车辆上的进步带动了它在工程车辆上的应用，并且已经取得了 一些可喜的成果。7 0 年代末，美国7 0 以上的工程车辆装备了自动变速器，日本达到了 6 0 ，欧洲一些发达国家也达到3 0 。8 0 年代初，工程车辆上开始采用自动变速技术， 主要用于装载机、平地机、叉车和自卸车上。日前，日本小松己经开始开发研制无人驾 驶装载机，走在世界工程机械的前列；瑞典v o l v o 公司的重型铰接式自卸卡车上采用了 可提高动力性的自动换档控制系统，而且该公司的轮式装载机也配备了a p s i i 全自动换 档控制器。 车辆自动变速技术的研究在我国起步较晚，直到5 0 年代才在红旗c a 7 7 0 型轿车上 安装了液力机械式自动变速器。进入9 0 年代，我国自动变速技术有了长足的发展，吉 林工业大学对汽车自动变速进行了广泛的研究并取得了显著的成果。国内一些知名的汽 大连理工大学硕士研究生学位论文 车生产企业，如长春一汽、上海大众、上海通用、天津夏利等，都进行了相关的技术研 究和产品开发。如长春一汽大众的捷达王轿车已经装备了自动换档系统 6 ，7 】。 从当今世界变速技术整体发展情况来看，机械式液力变矩器( a t ) 、无级变速( c v t ) 和电控机械式自动变速器( a m t ) 是研究的重点，但就我国现阶段的具体情况而言，研 制轻便换档系统，对已有车辆的换档操作进行改造，对于减轻驾驶人员的劳动强度，降 低交通事故的发生具有更重要的现实意义。 1 4 客车换档技术的发展趋势 随着控制技术的发展，人们对车辆性能要求的不断提高，车辆变速系统的发展将朝 着车辆电子一体化、控制系统智能化和无级变速的方向发展。 ( 1 ) 车辆电子一体化 从最早2 0 世纪6 0 年代的电子点火系统到后来的电控燃油喷射系统、电控自动变速 器、车辆巡航控制、电控制动防抱死系统、电控悬架等，车辆电子技术已有了极大的发 展，将各个相对独立的车辆电子控制单元合为一体己成为一种趋势，图1 1 为车辆动力 传动系统电子控制一体化趋势。 过去现在将来 图1 1 车辆传动系统发展趋势示意图 f i g 1 1 s k e t c ho ft h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ev e h i c l et r a n s m i s s i o ns y s t e m 电子控制一体化有以下优点： 可以充分利用各部件对车辆的观测参数，使用尽量少的传感器。 采用c a n 总线技术，实现汽车内部控制系统与各检测、执行机构间的数据通讯， 为车辆的轻量化提供可能。 实现传动系联合控制可以使系统获得更多的改善换档品质的控制手段，并可以 一4 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 实现变油门的换档规律，实现比自动变速器独立控制更优越的性能。 ( 2 ) 控制系统智能化 现在对车辆的主观评价越来越受重视，车辆对人的适应也是“智能车辆 的重要标 志，所以自动变速器控制系统对驾驶员特征的识别、对其意图的适应是体现“人机工程 指标和人机协调优化的重要组成部分。 随着各种自动变速器使用中问题的出现和人们对车辆性能要求的不断提高，人们采 用了各种新的检测、控制技术用于改善自动变速车辆的性能，在控制方法和策略中，越 来越多的应用了模糊控制技术和神经网络技术。使得换档控制系统对车辆负载状态、车 辆使用参数和使用环境变化的适应更具智能化特征。 ( 3 ) 开发微机控制的无级变速器 无级变速器的变速过程平稳且连续，可以实现恒功率传动，对无级变速器进行微机 控制，使作用于导轮的油液流量和压力能够与发动机的工况相匹配，减少了无级变速器 的功率损失，优化了发动机的运转工况，使汽车的燃油消耗显著降低。目前世界各大汽 车公司对无级变速器的研究十分活跃，估计在不长的时间内，电子控制的无级自动变速 器将会应用于现代汽车上瞵d 。 1 5 课题的研究内容和主要工作 本课题为工程实际项目，研究的目标是设计出套以换档过程控制与系统可靠性技 术为支撑，通过电子控制系统与换档执行机构有机的协调配合，实现方便驾驶的同时保 证车辆性能的车辆传动控制系统。 整个课题的研究设计工作主要包括以下几方面的内容： ( 1 ) 客车行驶及换档的相关技术和原理 汽车的行驶性能和换档操作性能是评价汽车性能的主要指标，在进行本课题的研究 之前，必须对汽车的驾驶性能和换档操作性能评价指标进行了解，对汽车的换档操作过 程进行深入的研究，综合考虑国内外已有的各种方案，比较其优劣，提出适合本课题的 实际的新方案。 ( 2 ) 轻便换档控制系统中机械部分的改进设计 本课题中保留了大部分客车换档装置，只针对本控制系统对部分机构进行改造，对 原有的控制变速箱换档轴的部分机构( 主要是换层和换档的部分) 进行了改进，使得换 档过程通过控制电磁阀驱动气缸来实现。轻便换档系统中操作手柄的改进，使手柄更加 小巧美观，同时使换档过程更加省力。 ( 3 ) 轻便换档控制执行系统的硬件电路设计和故障诊断 大连理工大学硕士研究生学位论文 整个硬件系统共分为四个部分，信号采集单元、数据处理控制单元、执行单元、备 用轻便换档单元。具体的设计电路包括信号采集电路、信号传输电路、主备用系统控制 电路、显示报警等，在硬件设计基础上，对可能出现的故障进行了诊断，并提出了解决 方法。 ( 4 ) c a n 总线技术在系统中的应用 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线是德国b o s c h 公司在8 0 年代初为解决数据 可靠交换而开发的一种串行数据通信总线，由于c a n 总线强调了实时性，又具有极高的 可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，现代汽车中c a n 总线已经成 为必须采用的装置。为了保持轻便换挡系统与外界设备的联系，依然采用了c a n 总线。 ( 5 ) 轻便换档执行控制系统的软件的设计 系统软件的设计主要是指对采集到的信号进行处理、根据信号选择档位并控制选换 档轴的协调动作的程序设计，以及软件抗干扰的程序设计。 一6 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 客车轻便换档系统的相关技术原理和基本结构 2 1客车传动系统相关机构简介 传动系统位于发动机与驱动轮之间，主要由离合器、变速器、万向传动装置和驱动 桥( 包括主减速器、差速器、半轴和桥壳等) 组成。变速器是执行系统的主要控制对象， 下面重点介绍变速器及其内置同步器。 2 1 1 变速器 变速器是汽车传动系统中最主要的部件之一，它的作用是： ( 1 ) 在较大范围内改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小。 由于汽车行驶条件不同，要求汽车行驶速度和驱动扭矩能在很大范围内变化。例如 在高速路上车速应能达到l o o k m h ，而在市区内，车速常在5 0 k m h 左右。空车在平直的 公路上行驶时，行驶阻力很小，则当满载上坡时，行驶阻力便很大。而汽车发动机的特 性是转速变化范围较小，而转矩变化范围更不能满足实际路况需要。 ( 2 ) 实现倒车行驶。 汽车发动机曲轴一般都是只能向一个方向转动的，而汽车有时需要能倒退行驶，因 此，往往利用变速箱中设置的倒档来实现汽车倒车行驶。 ( 3 ) 实现空档 当离合器接合时，变速箱可以不输出动力。例如可以保证驾驶员在发动机不熄火时 松开离合器踏板离开驾驶员座位。 变速箱由变速传动机构和变速操纵机构两部分组成。变速传动机构的主要作用是改 变转矩和转速的数值和方向；操纵机构的主要作用是控制传动机构，实现变速器传动比 的变换，即实现换档，以达到变速变矩。机械式变速箱主要应用了齿轮传动的降速原理， 简单的说，变速箱内有多组传动比不同的齿轮副，而汽车行驶时的换档行为，也就是通 过操纵机构使变速箱内不同的齿轮副工作，在低速时，让传动比大的齿轮副工作，而在 高速时，让传动比小的齿轮副工作【1 2 1 。 系统选用的变速器是重庆綦江齿轮有限公司生产的内置同步器的$ 6 - 9 0 变速器。 s 6 - 9 0 是三轴式定轴传动的变速器，有六个前进档和一个倒档变速器，除倒档采用接合 套换档外，其余前进档均采用锁环式同步器。其换档机构采用独特的旋转轴一拉板一拨 叉式；可配单杆及各式软轴机构，换档轻便可靠。三轴式变速器的简单模型如图2 1 所 示： 一7 一 大连理工大学硕十研究生学 口论史 中f 可轴 h21五档变速器模型和档位荧乐图 f i g2 lt h er e l a t i o no f5p o s i t i o n sg b o xm o d e la n dp o s i t i o n 三轴五档变速器的前进档丰要由输入轴、中州轴和输出轴组成。输入轴通连离台器 和发动机相连，它与其上的齿轮是一体的；中l 司轴和它上面的齿轮是一体的。输八牟：| | 旋 转，通过输八轴的齿轮带动巾创轴旋转，中间轴就叫以传输发动机的动力。输出轴直接 和驱动轴相造，通过差速器来驱动汽车车轮输出轴上的齿轮可以在输出轴上自由转动。 在发动机停止、车辆仍行驶的时候，输出轴上的齿轮和中司轴都处于静止状态，而输m 轴依然随车轮转动。输h 轴齿轮和输出轴南接合套连接到起，接台套可以随着输出轴 转动，同时也可以存输轴e 左右自由滑动束啮合花键轴齿轮。 当于睾进某档时，接台套就和相应的输出轴齿轮啮合。输入轴带动中问轴，中问轴带 动相应的输出轴齿轮，齿轮通过接台套和输出轴相连，传递能量至| 蛆动轴上。此时，其 余档位的输出轴齿轮也在旋转，但由于没有和接合套啮台，所以它不对输出轴产生影响。 当接台套在两个齿轮中叫时，变速器在空档位置。两个输出轴齿轮都在输出轴上自由转 动，速度由中1 4 轴上的齿轮和输出轴齿轮间的变速比决定。倒档通过一个中a j 齿轮来实 现，输出轴的倒档齿轮始终朝其它输出轴齿轮相反的力向转动。因此，在车辆前进的过 程中是不能挂进倒档的。 21 2 同步器 由于变速器输入轴与输出轴以各自的速度旋转，变换档位时存在一个同步司题。两 个旋转速度不一样齿轮强行啮合必然会发生冲击碰撞，损坏齿轮。因此，旧式变速器的 0票一 一赫 大连理工大学硕士研究生学位论文 换档要采用“两脚离合”的方式，升档要在空档位置停留片刻，减档要在空档位置加油 门，以减少齿轮的转速差，但这个操作比较复杂，难以掌握精确。因此设计师创造出“同 步器”，通过同步器使将要啮合的齿轮达到一致的转速而顺利啮合。 同步器有常压式，惯性式和自行增力式等种类。惯性式同步器是依靠摩擦作用实现 同步的，在其上面设有专设机构保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能 接触，从而避免了齿间冲击。惯性式同步器的结构原理图如图2 2 所示，它的特点是依 靠摩擦作用实现同步。 l a 潲 矿 犁 n 匿 、 黼z ”影 33p 【： 33 o ，q 久 一莉 1 ， 1 一 r 一1 ￥，| 一，7 图2 2 同步器机构示意图 f i g 2 2 s k e t c ho ft h ei n e r t i as y n c h r o n i z a t i o n 接合套、同步锁环和待接合齿轮的齿圈上均有倒角，同步锁环的内锥面与待接合齿 轮齿圈外锥面接触产生摩擦。锥面摩擦使得待啮合的齿套与齿圈迅速同步，同时又会产 生一种锁止作用，防止齿轮在同步前进行啮合。当同步锁环内锥面与待接合齿轮齿圈外 锥面接触后，在摩擦力矩的作用下齿轮转速会迅速降低( 或升高) 到与同步锁环转速相 等，两者同步旋转，齿轮相对于同步锁环的转速为零，因而惯性力矩也同时消失，这时 在作用力的推动下，接合套不受阻碍地与同步锁环齿圈接合，并进一步与待接合齿轮的 齿圈接合而完成换档过程。下面以从五档升到六档为例说明同步器的工作过程。 图2 2 就是从五档降到空档后的位置，此时锁环和接合套的转速是相等的，而齿圈 速度均大于接合套和锁环，锁环轴向自由，其内锥面与六档齿圈的外锥面并不接触。随 着接合套左移，因为齿圈转速大于锁环转速，摩擦使锁环超前接合套一角度，而锁环凸 起与花键毂通槽接触，锁环与接合套同步，锁止角锁止。轴向力加大，摩擦作用使齿圈 速度接近锁环速度，惯性力矩使锁环与接合套相抵不接合，如图2 3 ( a ) 所示。 一9 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 随着驾驶员加大接合套的推力，齿圈与锁环同步，惯性力矩消失，锁环与齿圈退后 一角度，接合套与锁环啮合，接合套齿圈完全啮合完成挂上六档的全过程，如图2 3 ( b ) r p 一 所不o ab 图2 3同步器工作过程示意图 f i g 2 3d i a g r a mo ft h el o c k e di n e r t i as y n c h r o n i z a t i o nw o r k s 由此可以总结出惯性同步器的工作过程为：摩擦工作面接触产生摩擦力矩；锁环转 动一个角度；锁止，防止接合套前移；摩擦力矩增长至同步；惯性力矩消失；锁止消失； 接合套进入啮合完成换档【1 3 1 。 2 2 客车轻便换档系统的组成 2 2 1 客车轻便换档的总体结构 客车轻便换档系统是采用计算机控制气动助力的方式实现换档的变速操纵系统，系 统在外观上看共分两部分：换档操纵控制单元和换档执行控制单元，下面将对各个部分 的组成及功能作逐一介绍。 ( 1 ) 换档操纵单元 换档操纵单元位于驾驶室内，供驾驶者控制汽车变换档位。如图2 4 左边半部分所 示，这一部分包括档位显示单元、蜂鸣器报警、点火开关、操纵手柄信号采集单元、离 合器传感信号采集等，当变速操纵杆被推向某一档位时，选档杆就通过档位信息组件， 通知控制单元挂某一档，同时数码管会显示当前档位。当系统发生故障( 如反馈阀故障、 离合器信号采集故障等) 时，蜂鸣器将会发出警报通知驾驶员，以便及时返厂维修，避 免发生灾难性事故。 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 换档执行单元 换档执行单元位于齿轮变速箱上，完成来自换档操纵单元的各项命令，实现换档动 作。换档执行单元是由档位位置反馈组件、换档执行机构组件组成。档位位置检测组件 是用来检测控制单元换档指令发出后，换档执行机构组件是否完成该指令，并反馈给控 制单元，辅助控制单元协调换档执行机构组件、换档操纵单元相互配合的工作。换档执 行机构包括选档气缸和换档气缸两部分，分别完成选档和换档动作。同时，这一部分也 包含了车速信号和发动机转速信号的采集单元。 ( 3 ) 气源稳压及气阀组单元 系统所用气源直接取自车载气源，既节省了单独安装气源的支出，降低了成本，同 时也使系统安装时方便许多。气源稳压单元是保证系统获得稳定压力的压缩空气，使系 统工作在最佳状态，而电磁阀组则是对应气缸的驱动器件。 系统的总体结构图如图2 4 所示： 图2 4 换档系统结构图 f i g 2 4 s t r u c t u r eo f t h es h i f ts y s t e m 换档控制单元和换档执行单元没有直接的机械连接，是用一根电缆连接而成一独立 系统。因此，完全实现了大客车换档控制的智能化和轿车化，产品的性能、寿命和可靠 性完全是由计算机逻辑控制电路和所选用的电子和气动元件的品质来保证。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 。2 2 换档手柄机构设计 手柄机构包括操纵杆、感应套、排档操纵信息单元和由电磁锁控制的操纵杆止动机 构，具体结构见图2 5 。操纵杆标有对应变速器的各个档位，当变速操纵杆被推向某一 档位时，感应套就触发对应的开关，将与之有关的电路闭合，以通知控制单元挂某一档。 当处于空档时，电磁锁处于锁止状态，以保证操纵杆稳定锁止，且只能移动半个行程， 动作原理见图2 6 0 感应 图2 5 操纵机构示意图 f i g 2 5m 印o fm a n i p u l a t es t r u c t u r e 图2 6 操纵止动单元未工作状态 f i g 2 6u n w o r k i n gs t a t eo f t h es t o pu n i t 大连理工大学硕士研究生学位论文 有当电子控制单元从各传感器接收到明确的换档信号时，系统才会按要求进行换档 动作，电子控制单元接收到换档完成传感器的信号，立即控制打开电磁锁的电源，控制 操纵杆止动机构处于打开状态，然后操纵杆就可以轻松移入指定档位，如图2 7 所示。 2 2 3 执行机构机构设计 图2 7 变速操纵止动单元工作状态 f i g 2 7w o r k i n gs t a t eo ft h es t o pu n i t 执行机构的机械部分主要由变速器选择、选档气缸、换档气缸以及换档轴接头部分 组成，下面将分别介绍这几个部分。 ( 1 ) 变速器 在轻便换档系统设计中，我们选用的是重庆綦江齿轮传动有限公$ 6 - 9 0 变速器， s 6 9 0 变速器原为世界最大的变速器制造企业德国z f 公司的重要产品，司引进技 术，实现了s 6 9 0 变速器的国产化。公司生产的s 6 9 0 、q j - 8 0 6 等变速器总成几乎覆盖 了国内整个中、高档豪华大客车，中、重型载货汽车和各式特种车、专用车的市场。$ 6 - 9 0 变速器具有性能先进、结构完善、适用性强、操作轻便、可靠耐用等特点，在同类产品 中居于国内领先水平。$ 6 - 9 0 变速器的特性介绍如下： ( 1 ) s 6 9 0 是三轴式定轴传动的变速器，有六个前进档和一个倒档变速器，$ 6 - 9 0 除倒档采用接合套换档外，其余前进档均采用z f 锁环式同步器。 ( 2 ) 换档机构采用独特的z f 旋转轴一拉板一拨叉式设计；可配单杆及各式软轴机 构，换档轻便可靠。 ( 3 ) 变速器前端和发动机直接或分开安装，变速器可左卧、右卧、立式安装。 人连理丁大学硕蝴究生学位论文 目285 6 9 0 娈述器外观崮 f i g28a p p e a r a n c eo f t h es 6 r 9 0g e a f h o x ( 1 ) 选档气缸 s 6 变速器选档换档动作是通过操纵选换梢轴的轴向升降和周向转动米实现的。 换档轴的轴向动作由选档气缸控制，周向动作南换档气缸控制。图29 是执行机构选档 气缸的结构示意图。选挡气缸由大小两个气缸组成，每个气缸罩都有一个活塞。小气缸 的活塞杆能够和大气缸的活塞技生作爿j 。大气缸里的活塞杆伸出缸外，称为提升杆。提 升丰t 通过机械连接与换档轴成为一体。选档气缸中活塞的动作特别是大气缸活塞的动作 将控制换档轴的轴向动作，使变速器完成选档动作。 图29 选档气缸结构j d f i g2 9 s t r u c t u r eo f t h es e l e c t l a y e rc y l i n d e r ( 2 ) 换档气缸 瞠21 0 是执行机构换档气缸的钻构示意图。换档气缸是一个双出杆气缸。这种设 计保证在阀i 、阀2 同时通气的时候，活塞不会因为两面的压力差而自行移动，便于活 大连理工大学硕士研究生学位论文 塞对中。靠近阀2 的活塞杆伸出缸体后与换档摇臂机械连接，换档气缸的换档动作将引 起换档轴的周向运动。图2 1 2 中l 、r 表示“左、右”只有相对意义没有绝对意义，它 们与】( l 、x r 对应的。执行机构上档比较容易，活塞一侧通气顶到头就行了，而使活塞 静止于换档气缸光滑腔体的中间就比较麻烦。如果活塞无法对中，变速器就不能顺利地 进行选档，有可能造成变速器部件损坏甚至致使车辆发生严重事故。为此执行机构使用 霍尔传感器来反馈换档气缸活塞的位置，单片机根据反馈情况控制1 、2 阀的通断，保 证活塞对中成功。指示换档气缸活塞位置的磁钢装于托板上，托板固定于换档气缸与拨 叉连接的活塞杆上，托板通过导轨与活塞杆作同步平行运动。执行机构用来感应磁钢的 四个霍尔传感器放置于换档信息反馈单元盒内，反馈盒固定于换档气缸缸体上。霍尔传 感器的位置与换档轴周向上档位置要求相对应： 阀2 通电、阀l 断电，x l 有信号时，换档轴左转1 7 。，变速器上档。 阀1 通电，阀2 断电，x r 有信号时，换档轴右转1 7 。，变速器上档。 阀1 、阀2 在执行机构控制单元的控制下通过一系列通断电调整，使x z l 和x z r 同 时有信号，换档活塞处于换档气缸的中间，换档轴处于没有相对转动状态，变速器在空 档状态。 长楂气缸 图2 1 0 换档气缸结构图 f i g 2 10 s t r u c t u r eo f g e a r s h i f tc y l i n d e r ( 3 ) 换档轴接头部分 如图2 1 1 所示为换档轴接头部分示意图，换档摇臂用锁紧螺钉固接在变速器的换 档轴( 花键轴) 上，随选档气缸的提升杆上下运动。拨叉的前端与换档气缸的活塞杆头 大连理工大学硕士研究生学位论文 相连，将换档气缸活塞的直线运动转化为换档轴的周向运动。换档气缸活塞杆通过导轨 的导引，能够避免受到径向力的干扰，使其直线运动更加平稳可靠。拨叉装置的设计将 换档气缸对换档轴产生的周向动作和选档气缸产生的轴向动作合理有机的结合起来，为 执行机构可靠的完成选档换档动作提供了硬件上的保证。 变速嚣换普轴 图2 1 1 换档轴接头部分结构图 f i g 2 11 s t r u c t u r eo ft h es h i f ts h a f tj o i n t 2 2 4 轻便换档原理 变速箱换档轴挂档的动作原理如图2 1 2 所示： 图2 1 2 变速箱换档轴挂档原理图 f i g 2 12f i g u r eo f t h es h i f ts h a f t 大连理工大学硕士研究生学位论文 如图2 1 2 所示，换档轴轴向有四个位置，分别为a 、b 、c 、d ，周向共有三个位置： 左转1 7 。、右转1 7 。和不转。轴向的四个位置对应四个层位，周向三个位置对应换档 的三个状态。换档轴周向和轴向动作的协调配合，就能够完成复杂的选档换档动作。档 位与层位的关系如下： a 层：换档轴右转1 7 。，挂倒档( r 档) 。 b 层：换档轴左转1 7 。，挂1 档；右转1 7 。，挂2 档。 c 层：换档轴左转1 7 。，挂3 档；右转1 7 。，挂4 档。 d 层：换档轴左转1 7 。，挂5 档；右转1 7 。，挂6 档。 根据变速箱换档轴的结构和挂档原理，形成了换档系统的总体设计原理：即利用两 个直联气缸的动作，确定换档轴上下的四个位置，用串联气缸通过拨叉在相应的位置转 动换档轴，控制变速箱挂上对应的档位。两个直联气缸所完成的功能是换层的动作，即 选档，所系统中我们称之为选档气缸。选档气缸的动作及与之对应的层位如图2 1 3 所 示。 3 、4 、5