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a m t 变速箱同步换挡耐久试验台的研究 摘要 本文在分析和研究a m t 变速箱及同步器的结构及工作原理的基础之 上，参考机械式变速箱总成的台架试验规范的相关内容，对a m t 变速箱同 步器换挡耐久试验技术以及试验设备进行了研究。 首先，文中以a m t 变速箱总成为研究对象，分析了变速箱同步器的结 构特点、工作原理、同步换挡过程中的受力状况以及a m t 换挡的自动控制 工况。然后，文中对同步器换挡过程中的惯量进行了分析并建立工作模型， 参考变速箱相关的试验规范，提出了a m t 变速箱同步换挡耐久试验的方 法。本文以惯量模拟为试验设计的出发点，制定了试验台的基本布置方案， 阐述了该试验台架的基本工作原理，分析了同步换挡试验惯量模拟的过 程。最后，对试验台架的总体结构、关键组成部件的工作原理和设计原则 进行简单介绍，给出了a m t 同步换挡耐久试验台架的装配图片。 关键词：a m t 变速箱同步器换挡耐久惯量模拟 t h er e s e a r c ho nt e s tr i go fs h i f t i n gd u r a b i l i t yo f s y n c h r o n i s e rf o ra u t o m a t e de l e c t r o n i c a l l ym e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o no fc a r a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e sar e s e a r c ho ns h i f t i n gp e r f o r m a n c ed u r a b i l i t ya n dt e s t - b e d f o rs y n c h r o n i s e r so fc a r sa n dt e s t i n ge q u i p m e n t s ，b a s e do nt h es h i f t i n gp r i n c i p l eo f a m ta n dr e l a t i v ek n o w l e d g ea b o u tt e s tr e q u i r e m e n ts p e c i f i c a t i o n so fm ta s s e m b l y f i r s t l y ，a c c o r d i n gt oa m ta s s e m b l yo fc a r s ，t h ep a p e ra n a l y s i z e sc o n s t r u c t i o n ， p r i n c i p l ea n ds t r e s sc o n d i t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fs h i f t i n g s e c o n d l y ，b e i n gb a s e d o nt h ea n a l y s i z e so fi n e r t i ao ft h ep r o c e s so fs h i f t i n g ，a n dt a k i n gr e l a t i v ei n s p e c t i o n s t a n d a r d sa n dt e s t i n gs p e c i f i c a t i o no nt r a n s m i s s i o na sr e f e r e n c e ，t h ep a p e rp u t s f o r w a r dt e s t i n gm e t h o do fs h i f t i n gp e r f o r m a n c ed u r a b i l i t yf o rs y n c h r o n i s e r so f a m t t h i r d l y ，t a k i n gi n e r t i as i m u l a t i o na sb e g i n n i n go ft h et e s t - b e dd e s i g n ，p u t s f o r w a r dt h eb a s i ca r r a n g e m e n ts c h e m e ，e l a b o r a t e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fs h i f t i n g p e r f o r m a n c ed u r a b i l i t yf o rs y n c h r o n i s e r so fa m t , a n da n a l y s i z e st h ep r o c e s so f i n e r t i as i m u l a t i o no fs h i f t i n g l a s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sc o n s t r u c t i o n o ft h e t e s t b e d ，p r i n c i p l eo ft h ek e yc o m p o n e n t sa n dr u l eo fd e s i g nb r i e l f l y ，g e n e r a l i z e s t e s t i n gp r o c e s s k e y w o r d s ： a u t o m a t e d e l e c t r o n i c a l l y m e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n s y n c h r o n i s e r s h i f t d u r a b i l i t y i n e r t i as i m u l a t i o n 表3 1 表3 - 2 表3 - 3 表3 - 4 表3 - 5 表3 - 6 表5 1 表5 - 2 表5 - 3 表5 4 表格清单 变速器匹配的发动机技术参数表1 9 被试变速器特征参数表1 9 试验规范参照标准2 0 驱动电机转速表- 2 0 变速箱各挡的相对工作时间或使用率2 2 a m t 变速箱同步换挡试验次数_ 2 3 典型机电传动系统中各类电机的主要使用特点3 8 交流异步电动机容量选择的基本原则 3 9 常用飞轮材料对应的圆周速度许用值4 3 常用安全离合器种类和特点 4 4 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图3 1 图3 - 2 图4 。1 图4 2 图4 3 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图6 1 插图清单 a m t 控制结构原理图 3 f f 方式变速器横置式 9 常压式同步器 1 o 锁环式同步器 l l 锁销式惯性同步器1 2 波尔舍同步器1 3 同步换挡开始阶段1 4 同步阶段 1 4 脱锁阶段1 5 接合阶段 1 6 疲劳寿命与低载强化循环次数的关系2 1 变速器磨合试验工作循环 2 2 同步器系统模型图2 6 同步器换挡耐久试验台的设计原理 2 7 同步器换挡耐久试验台的工作原理图3 1 同步器换挡耐久试验台的组成原理3 6 变频调速电动机转矩、功率特性曲线4 1 盘式飞轮的结构示意图 4 2 安全离合器示意图4 4 安全离合器钢球受力图 4 4 相位差式扭矩传感器结构 4 6 相位差式扭矩传感器的测量原理 4 6 金属电阻丝应变效应 4 7 扭转应变测量的电桥线路 4 8 扭转测量时应变片的布片 4 9 a m t 变速箱同步器换挡耐久试验台的装配图 5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师i 旨导下进行自0 研究工作及取得的研究成果。蛞 我所知，除了文中特别j j 【i 以标忠和致酣( i 勺地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金卫曼：e 业厶堂或其他教育机构的学位或证二1 5 而使川过的材 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爿：表示谓f 意。 学位论文作者签字蒜南忮签字日期：。厂年中月吮日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲：e 些- 人堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 目墨王些叁堂可以：留学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：蘸搬 签字日j 罚：。7 年平月妒侣 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：叩年牛月沙，日 电话： 邮编： 致谢 三年紧张而充实的研究生生活即将结束。在此论文完成之际，我的心 情万分激动。从论文的选题、资料的收集到论文的撰写编排整个过程，我 得到了许多热情的帮助。 首先，由衷的感谢我的导师林巨广教授在我研究生学习阶段对我的深 切关怀和谆谆教诲。感谢林老师在我攻读研究生阶段为我的成长倾注的心 血；感谢他在我苦于寻求前进方向时给予我的指引；感谢他为我学习知识、 锻炼技能提供的平台。林老师严谨的处世态度、果断的工作风格、敏锐的 洞察能力在三年多的学习生活中使我受益匪浅，从中获取的感悟将会一直 伴随我以后的工作和生活。 感谢谢峰教授在我硕士学位论文写作期间对我的指导和建议。他渊博 的知识、清晰的思路和丰富的经验对我完成学位论文提供了莫大的帮助。 感谢沈百诚总工程师、刘波工程师多年来对我工作能力培养提供的指 导和帮助。感谢合肥工业大学汽车装备工程技术研究所的丁苏赤老师、任 永强老师、王淑旺老师以及巨一自动化装备有限公司的张景亮工程师、马 炎工程师，他们在专业技能上给予我很大的帮助。他们的敬业精神、脚踏 实地的作风、平和谦虚的为人、团结奋进的精神风貌为我树立了良好的榜 样。 感谢研究所的王金龙、吴磊、连传庆、黄振辉、苏晓峰、杨丽英、纪 王芳、沈磊跃、陈清红、徐峰、郑大维等给予的手足般的支持和关爱。感 谢我的同学周卿、张建国，正是因为他们的陪伴才使我的研究生生活变的 丰富多彩。 我要特别感谢我的父母和弟弟多年来对我的学习和生活的支持和鼓 励。在我困难的时候，是他们给予了我战胜困难的信心和力量，使我得以 顺利完成了学业。本文凝结了他们的心血、教诲和温暖! 最后，感谢评阅论文和出席硕士论文答辩委员会的诸位专家、教授在 百忙中给予的悉心指导! 同时也对曾给予我帮助和关心我的老师、同学和 朋友们表示衷心的感谢! 作者：蔡高坡 2 0 0 9 年3 月18 日 第一章绪论 进入2 1 世纪，我国汽车市场以年均2 0 的速度快速增长，昭示着我国汽 车产业大发展的时期已经到来。汽车产业以其产业链长、关联度高、带动性强、 集各种高新技术于一体的特点，正在成为推动国民经济健康发展的重要力量。 由于汽车的使用条件复杂，对产品的性能、寿命、质量和成本等方面的要 求较高，影响产品质量的因素多，所涉及的技术领域也极为广泛。我们在大力 发展汽车产业，不断研制性能优良的汽车的同时，也要不断地发展我国汽车试 验技术。只有不断的通过对汽车试验技术研究，才能提升我国汽车产品的品质， 促进我国汽车事业的蓬勃发展。 1 1 电子控制机械式自动变速器( a m t ) 的发展现状 电子控制机械式自动变速器( a u t o m a t e de l e c t r o n i c a l l y m e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n ，a m t ) 是一种由普通齿轮式机械变速器组成的有级机械自动变速 器，主要包括三个部分：自动离合器、齿轮式机械变速器和电子控制系统。一 九四零年美国通用汽车公司研制了世界上第一台液力机械式自动变速器。从此 各国学者竞相跨入这个领域并为此付出了自己的心血。六十年代的电子技术的 飞速发展为自动变速器系统的研制提供了十分良好的机会。这时出现了对传统 的离合器和手动机械变速器的半自动操纵，如美国伊顿公司的半自动机械式变 速器“s a m t ”、德国z f 公司的半自动变速器”s e m i s h i f t ”等。但这些变速器仍 未能实现控制过程中最困难的起步过程自动化，即还没有达到全自动变速。其 中的关键技术是对离合器的最佳控制。一九六九年，电控自动变速器的产生标 志着自动变速器进入了一个新时期。七十年代以来，美国、英国、法国、意大 利、西德、瑞典、日木等国都成立了一批自动变速器的专业化生产厂。不仅如 此，各国的产量也在不断上升。日本从一九七四年到一九八五年轿车自动变速 器的产量及装备的百分比。一九七五年日本只有5 9 的轿车装备自动变速器， 到一九八五年上升到4 8 7 。可见自动变速器是越来越受到人们的欢迎。 目前高级轿车所采用的自动变速器基本上都是液力自动变速器( a t ) ，由于 其成本高，加工复杂，因此限制了它的应用范围。今年来人们又把眼光放到了 电控机械式变速器的自动化上。与液力自动变速器相比，机械式自动变速器具 有效率高，价格低廉，易于加工等优点，因此近年来发展较快。一九八三年， 日本五十铃公司在世界上率先研制成电子控制机械式有级自动变速器 ”n a v i 5 “，并装于a s k a 轿车上，在车速为6 0k m h 时，可比液力自动变速器 节油1 0 3 0 左右。日野的蓝带大客车也于同时期安装了这种变速器。伊顿公 司在一九八三年也宣布成功地将重型货车的手动变速器实现了自动化。z f 公司 还对一种16 挡变速器实现了自动化。z f 公司还将其装备在g e n e v a 货车上。从 一九七八年日本横滨工业大学研制出机械式自动变速器到一九八五年日本 h i n o 公司将e e d i v e r 2 ( 即方便又经济) 系统用于大客车，短短八年时间内机械 式自动变速器向人们展现了其优越的性能。因此，在日本之后，美国的e a t o n 公司，西德的z f 公司，意大利的f a i t ，美国的f o r d 及独联体的白俄罗斯工业 大学等也都开展了这方面的研究工作并取得了明显的成效。 我国的吉林工业大学早在一九八五年就进行了这方面的研究工作，目前已 经取得了很大的成效，正在进行性能方面的完善，提高可靠性的工作，为今后 的产品化打下了坚定的基础。尤其是葛安林教授提出的“动态三参数换挡理论” 打破了传统的单参数及两参数换挡理论，使自动变速器理论上了一个新的台阶。 另外，北京理工大学，同济大学也进行了机械式自动变速器的研究工作。 1 2a m t 变速箱换挡系统的原理与机构 1 2 1a m t 系统的控制原理 a m t 是在原有的固定轴式齿轮变速器和干式离合器保留不变的基础上，应 用电子技术和自动变速理论，以电子控制单元t c u 为核心，通过执行机构控制 离合器的分离与结合，选换挡操作和发动机节气门的调节，来实现车辆起步和 选换挡的自动操纵。 a m t 的控制原理是：t c u 根据驾驶员的意图( 加速踏板、选挡器、制动 踏板等) 和车辆的运行状况( 发动机转速、车速、挡位、输入轴转速、加速度 等) ，按照设定的规律( 选挡换挡规律、离合器结合规律) ，借助于相应的执行 机构( 离合器分离与结合执行机构、变速器选换挡执行机构、油门控制执行机 构) ，对动力传动系( 发动机、离合器、变速器) 等进行协调操纵，从而实现车 辆的平稳起步和自动换挡。 按照其对发动机控制方式的不同，a m t 可分为柔性控制结构和刚性控制结 构。在刚性控制结构中，驾驶员通过加速踏板直接操纵发动机气门，即加速踏 板与节气门之间的机械联接。由于不存在油门执行机构，所以系统结构简化， 动作可靠，但换挡时却不能实现自动调节油门，所以必须采用某种附加形式控 制发动机( 例如控制发动机的点火或喷射装置的喷油量) 才能够实现自动变速。 目前自动换挡车中的“巡航功能也不能在这种结构中实现。由于这种结构的 缺陷性，所以目前国际上广泛研究的是柔性控制结构d b w ( d r i v e b y w i r e ) 的a m t ，在柔性控制结构中加速踏板只相当于一个控制系统传感器，它将驾驶 员意图转变为电信号，输入给e c u ( 发动机电控单元) ，由e c u 按照一定的控 制规律指令油门执行机构动作来控制发动机，“电子油门”就是柔性结构的典型 例子。图2 1 所示为刚性、柔性a m t 控制结构原理图。 2 操纵手柄位簧 开关 加速踏板传感器制动踏板传感器换挡规律选择 自动巡航模式 弓兰u u a m t 电子控制单元( t c u ) 1 l1 f1 f1 f81 iu 转繁感j 陋| | e c ui 陋ll 鬻il 鬻 l 鬻| 面口面面百u 发动机 吲 离合器 h 变速器 1 2 2a m t 系统的组成 图1 1a m t 控制结构原理图 a m t 系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成。 ( - - ) a m t 系统的硬件系统主要包括被控对象、电控单元( t c u ) 、传感 器、执行机构四部分担j ： ( 1 )被控对象：发动机、离合器和变速器。 ( 2 )电控单元t c u ：相当于人的大脑，是整个电控机械式变速器的核心。 主要由c p u 单元、各信号处理单元、程序及数据存储器单元、驱动 电路单元、显示单元、电源单元等。 ( 3 )传感器：相当于人的神经，能感知汽车所处的状态，向t c u 传输信 息，供其分析、判断，以给执行机构发出正确的控制信号。 加速踏板传感器：反映驾驶员对汽车的控制意图。t c u 接到加速踏 板传感器输入的信息后，向节气门执行机构发出指令，改变其开度 以满足驾驶员的要求。 节气门位置传感器：反映发动机的实际供油情况。 发动机转速传感器：利用检测发动机的点火脉冲，计算点火脉冲频 率或周期得到发动机转速， 车速传感器：安装在变速器的输出轴上，通过记录磁电式传感器的 脉冲频率得出车速。 中间轴转速传感器：安装在变速器的中间轴上，通过记录磁电式传 感器的脉冲频率得出车速。 离合器行程传感器：采用电位计式传感器，将传感器的活动端与离 合器的分离叉相连，通过传感器信号线上的电压变化来反映离合器 的结合程度。 挡位行程传感器：安装在选换挡执行机构上，反映变速器选挡与换 挡的工作情况和完成情况，并向控制系统反馈信号。 液压油压力传感器：安装在液压系统的主油道上，反映液压系统的 压力情况。 其它传感器：包括水温传感器、制动开关等。 ( 4 )执行机构：相当于人的手脚，按照t c u 发出的指令进行动作，包括 选、换挡执行机构、离合器执行机构、油门执行机构( 刚性a m t 不需油门执行机构) ( 二)a m t 的软件系统是指实现控制策略的软件。在a m t 的程序控制 中要按照一定的次序来处理各种信号，一般分为三个级别： ( 1 )一级任务：发动机负荷控制( 油门开度控制) 、变速器换挡控制、 离合器控制以及实现三者联合控制的通信。 ( 2 )次级任务：确定变速器的挡位、离合器的位置确定、发动机油门大 小的确定以及坡道起步辅助控制。 ( 3 ) 低级任务：自动巡航控制、自我诊断过程及故障处理以及倒档过程。 1 3 汽车变速箱试验的必要性和意义 汽车传动系统包括离合器、变速器、传动轴、驱动桥等。众所周知，汽车 传动系的主要任务在于改变发动机的转矩同转速关系的特性，把动力有效而可 靠地传递到驱动车轮上。它们的性能对车辆的行驶性能、油耗以及其它的多项 性能都有影响。从新产品的发展角度来说，性能试验是试验一个产品或零部件 能不能达到设计要求的工作性能，也就是说能不能按照既定的工作参数指标来 进行工作。变速器作为汽车传动系中的一个关键总成，对其产品结构和零部件 的性能、寿命等进行测试和分析，为产品设计与质量评价提供可靠的科学依据， 缩短产品的开发周期和提高产品质量，具有十分重要的意义。 近年来，由于汽车变速器质量不过关而召回产品的事例也为数不少。2 0 0 3 年8 月，本田公司变速器故障存隐患，泊车档位出现问题，会导致汽车碰撞事 故的发生。于是，该公司召回c i w 车型。2 0 0 5 年1 1 月，戴姆勒克莱斯勒公 司召回大约4 7 6 辆克莱斯勒3 0 0 c ( l x ) 汽车，召回汽车的问题在于其使用的 4 2 r l e 变速器内，有一个用于保持驻车止动爪定位销位置的杯状固定塞存在不 当装配，有可能妨碍驾驶员实现车辆驻车挡功能。在某种状态下，该杯状固定 塞可能缺位或紧固不当，有可能使驻车止动爪定位销滑移出正常位置，从而可 能妨碍驾驶员实现车辆驻车挡功能。2 0 0 6 年4 月，美国福特汽车公司的部分车 型变速器出现问题，导致七家组装厂停单1 3 1 。因此，在工厂的生产过程中，能 对变速器做负荷试验和换档等各种性能试验，可及时发现产品的缺陷，对保证 整车质量、主机厂的经济效益与声誉至关重要。 4 目前，在变速器试验方面，我国多数厂家采用无负荷运转换档或静态换档， 简单考虑变速器的情况，这样做的缺点是：不能暴露某些产品的潜在问题，把 不合格品当作合格品出厂。而国外和少数国内厂家引进的变速器生产装备上， 大多配有能够加入载荷、动态换档的试验台，像杭州齿轮箱集团公司、浙江精 工变速器公司等引进的生产线，这样就能够很好的区分出合格品与不合格品。 但是，负荷试验要耗费能源，这又是一个大问题。研制上档次、节约能源、经 济、功能齐全适合生产现场的变速器加载试验台有较大的现实意义 1 4 同步器性能检测技术的现状 同步器是汽车变速箱的主要部件，由于同步器换挡具有换挡平顺，减小齿 轮啮合时的互相撞击以及延长齿轮的寿命等优点，所以目前绝大多数汽车上都 采用同步器换挡作为变速器换挡方式。这样可以使换挡操作简便，同时减轻驾 驶员的劳动强度，提高行车的安全性。为保证产品质量和提高新产品开发能力， 汽车工业对同步器性能和疲劳试验研究十分重视。同步器的性能及寿命检验是 控制出厂质量最重要的环节。性能及寿命检验的任务是在产品出厂前尽早发现 问题并及时解决，以避免在用户使用中出现质量问题，这样可有效控制产品质 量，减少售后服务的工作量，节约资金、降低成本，提高产品的市场信誉度。 同步器试验台是用试验的方法测定同步器的各项特征参数，并通过这些特 征参数对同步器进行性能分析和疲劳寿命评价。长期以来我国的同步器试验台 的研制基本上还停留在传统的人工方式水平上，一般只检验其啮合情况和运转 中有无异常声响等普通指标，自动化程度低、无法模拟实际工况对各种同步器 进行试验。这在很大程度上影响了试验数据对同步器产品的设计生产和使用的 直接指导作用。 随着技术的发展，人们发现仅仅有这些普通指标是远远不够的，因此国外 汽车制造商对其寿命进行了较详细的试验研究。由于该试验要求测量的参数较 多，且与一般变速箱进行试验的内容不同，必须搭建专用的试验台进行试验。 日本的a u t o m a x 公司，其机械手换挡机构采用液压式同步器性能及寿命试验 台，它的柔性好，精度高，驱动能力强。美国宝克公司的机械手换挡机构则采 用交流电机驱动式，系统简单，控制容易，精度高，无需液压油源。德国r e n k 公司和s c h e n c k 公司，奥地利的a v l 公司在此方面做的工作都是很出色的。 到目前为止，国内外汽车变速箱同步器试验系统有了专用的试验装置及相 应的试验规范。但是由于汽车的行驶是一个复杂的过程，要在单个总成试验台 模拟被试件在实际行驶时的工况是十分困难的。因此台架试验结果同汽车实际 行驶试验的结果有较大的差距。现有的台架试验只能说是一种对比试验，如何 解决这一问题? 许多学者和研究机构都在进行这方面的探索。19 8 9 年德国大众 汽车公司开始研制一种将整个汽车传动系联接起来进行寿命试验的试验台，称 之为传动系万能试验台。1 9 9 1 年，大众公司开始研制模拟汽车行驶工况的传动 系统综合试验台，这种试验台能模拟汽车的各种行驶上况进行试验，并能同时 进行变速器、离合器、传动轴、后桥的寿命试验。与此同时日本有关学者也在 进行传动试验台上用电机模拟发动机工况的研究，并申请了专利。另外法国、 美国有些汽车公司也在进行传动系统室内道路模拟试验的研究。 而在国内，在我国汽车产量相对较小的情况下，对汽车进行同步器性能及 寿命试验的研究还存在着差距。在一些研究机构，只是对此类系统在做探索性 的研究，有些单位只是用p l c 逻辑控制简单切换气缸来实现机械换挡的动作。 随着汽车工业的迅速发展，国内各汽车厂商对汽车自主研发的需求迅速加大，使 得国内在此领域大力开展了研究，并得到一些研究成果。为了完成对i v e c o 汽车及其它进口车型同步器的国产化和进一步开发设计，东南大学仪器科学与 工程系与跃进集团南京汽研究所共同研制了汽车同步器试验系统，该系统使用 计算机与a d v a n t e c h 公司的p c l 8 1 2 型高速数据采集测控板配合实现系统的运 行及机械手的控制。吉林大学为一汽设计了一同步器性能与寿命试验台，系统 使用工控机作为处理器，通过变频器控制电机转速，并首次引入了液压机构来 驱动机械手换挡，机械手具有缓冲好、响应快的特点。还有其它一些研究所和 大学也对汽车同步器试验台做了相当多研究，而且有各自的特点 汽车同步器试验系统是汽车传动系统中试验内容最多、技术难度最大的试 验设备之一，这一点在汽车行业己达成共识。因而，如何能够获得一套合理、 可靠的汽车同步器试验设备，一直为广大汽车设计、制造及检验工作者所追求 的目标。相信随着我国科学的不断进步，汽车同步器试验系统也将会得到更完 善的发展。 1 5 本课题研究的主要内容 1 5 1 课题研究的目标 针对a m t 变速箱的结构特点、在汽车上的布置形式和工作原理，研究变 速箱同步器的换挡同步过程及工作模型，分析汽车变速箱相关的试验标准及变 速箱换挡同步的实际工况，同时根据汽车主机厂提出的要求，制定a m t 变速 箱同步器换挡耐久试验相应的试验方法，并根据尽可能准确模拟变速箱同步换 挡工况的原则，研究有效的试验技术和台架试验设备。 1 5 2 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容是a m t 变速箱在电子控制系统控制液压伺服换挡机 构进行换挡同步的耐久试验方法及试验台架的设计原理、结构组成和工作原理。 具体的内容分解如下： 1 ) a m t 变速箱的工作原理、布置形式以及同步器的结构与工作原理 6 主要介绍a m t 变速箱的结构组成以及工作原理，分析其在汽车上的布置安 装形式。介绍同步器的结构、工作原理及其在汽车换挡过程中的作用。分析同 步器工作过程中的受力状况，为a m t 同步换挡耐久试验提供理论依据。 2 )a m t 变速箱同步器换挡耐久试验方法 在同步器的结构和工作原理基础上，参考汽车变速箱与同步器的国家试验 标准，分析同步器换挡的工作状况，根据汽车主机厂的要求，制定a m t 变速箱 同步器换挡的试验方法。 3 )a m t 变速箱同步器换挡耐久试验台的设计原理及试验实现方法 以前文介绍的内容为基础，确定了基于惯量模拟的同步换挡耐久试验方法； 根据前面的理论分析，确定试验台架的基本布置方案；以整车惯量的模拟为主， 分三个阶段分析试验台架的基本工作原理。在此基础之上，确定试验台的具体 的设计方案以及分析关键功能组件的基本原理、设计要点并简要进行试验台具 体的工作流程的介绍。 本课题研究的a m t 同步器换挡耐久试验台架，可对汽车a m t 变速箱电子控 制系统的控制下对同步器换挡试验进行耐久寿命试验，在试验过程中可以模拟 汽车实际运行的整车惯量，真实模拟汽车在道路运行时的换挡工况，对同步器 的换挡寿命进行测试评价，对于汽车a m t 变速箱的换挡寿命有重要的意义。 7 第二章a m t 变速箱同步器结构与工作原理 只有了解了被试件的结构、工作原理、特性及与其他部件的匹配关系后， 才能更好地对试验台和被试件的连接及试验台机械系统进行合理的设计。在此， 本章将根据试验台设计及试验过程的要求，对目前主要投入使用的变速器进行 分类，简要阐述其工作原理、结构和工作状况，并对被试变速器进行结构分析 a m t ( a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 变速器，即为电子控制机械式 自动变速箱，其技术结合了手动和自动变速器的特性。a m t 是以手动变速箱为 基础，把自动离合器和电子一液压顺序换档相结合的变速系统。a m t 的箱体及 内部结构和传统手动变速器一样，只是增加了自动机械执行机构和换档程序， 操作起来像传统的自动变速器一样，它没有离合器踏板，只有制动和油门两个 踏板。a m t 有两种控制形式：电子机械和电子液压。 2 1 汽车变速箱的布置形式 对变速箱进行台架试验，需要真实模拟变速箱的安装布置方式和加载，因 此学习变速箱在汽车上布置方式是非常必要的。发动机与变速箱之间通过离合 器进行联接。变速箱的安装布置形式取决于发动机的布置形式。 汽车传动系的组成及其在汽车上的布置形式取决于发动机的形式和性能、 汽车总体结构形式、汽车行驶系及传动系本身的结构形式等许多因素。目前大 多数乘用车采用发动机前置形式，这种布置方式的优点在于操纵机构简单，发 动机冷却条件好，除霜与采暖机构简单，行李箱尺寸较大。为满足不同的使用 要求，现代乘用车总体构造和布置形式是不相同的，按发动机和各个总成相对 位置的不同，现代乘用车传动系的布置形式和驱动方式通常有以下四种【4 j ： 1 发动机前置、后轮驱动( f r ) ： 国内外的大多数载重车，部分轿车及部分客车均采用这种传统的驱动形式。 它是前轮转向、后轮驱动，发动机输出动力通过离合器一一变速器一一传动轴 输送到驱动桥上，在此减速增扭后传送到后面的左右半轴上，驱动后轮使汽车 运行，前后轮各行其职，转向与驱动分开，负荷分布比较均匀。前置后驱型变 速器与主减速器是分开的，输入转速为发动机转速，输出转速为至主减速器的 传动轴转速。 2 全轮驱动( n w d ) ： 是越野汽车特有的形式( 如b j 2 0 2 0 切诺基等) 。通常发动机前置，在变速 器后装有分动器，以便将动力分别输送到全部车轮上。全轮驱动动力性好，爬 坡及越野能力强，但与单独的前、后轮驱动相比结构复杂，成本高，传动效率 低。 3 发动机前置、前轮驱动( f f ) ： 是2 0 世纪9 0 年代在国内外轿车上逐渐流行的布置形式。为缩短整车长度， 减轻轿车质量，常将发动机置于前轴之前，轿车的前置发动机起到一种安全屏 障的作用，f r 车的发动机是纵置的，而f f 车的发动机多是横置的，两者比较， f r 车在安全保障系数方面比f f 车要高一些。在弯道前进时，由于驱动力常和 前轮同一方向，故汽车高速转弯不易技生震跳。前置前驱型变速器的变速嚣与 主减速器是一体的，输入转速为旋动机转速，输出转速为驱动轮转速。 图2 - 1f f 方式变速器横置式 4 后置发动机、后轮驱动( r r ) ： 这种方式的发动机布置于后轴之外，与f f 方式形成鲜明的对比，它的重 量集中于汽车的后部，发动机距驱动轮很近，可在最短的距离内驱动车轮，车 身重量轻，室内宽敞，这方面与f f 方式一样具有合理性。这种布置方式轴距 短省掉了传动轴和部分壳体，制造成本低，机动性也较好，另外，启动加速 牵引性能好。其缺点是满载时后轴负荷过重，有过度转向的倾向，操纵稳定性 差，行李箱容积较小，需采用远距离操纵装置。另外，r r 方式使发动机辅机 类装置布置变得困难，这个缺点很不适合现代车辆口j 。 该a m t 变速箱是某b 级轿车上所采用的电控式自动变速箱，该车发动机 为前置前驱( f f ) 式布置。因此，变速箱的布置与发动机一样为发动机前置前 驱式，为a m t 变速箱台架试验方案提供了一定的理论参考。 2 2 同步器的结构和工作原理 a m t 变速箱的结构就是在m t 机械式变速箱的基础上增加了电子控制执 行机构，同步器的结构没有变化。对于同步换挡试验，我们首先要针对试验对 象及其工作原理、工作过程进行了解，下面将对同步器的结构和工作原理进行 介绍【“。 221 同步器的结构介绍 同步器有多种结构，分为常压式、惯性式、自行增力式等种类，它们的结 构虽各有不同，但工作原理都是一样的，即把要结合的转动件的转速在同步之 前，利用其相对角加( 或减) 速度所产生的惯性力矩来阻止它们的不同步啮合。 由于惯性锁止式同步器能确保齿轮之间的同步啮合换挡，所以惯性锁止式同步 器在现代变速器中被广泛采用。 ( 1 ) 常压式同步器 12 3 45 l 一第一轴齿轮2 一花键毂3 一限压钢球4 一接合套5 一第二轴齿轮 图2 - 2常压式同步器 图2 2 所示为常压式同步器的结构。第一轴齿轮1 与第二轴齿轮5 之间装 有花键毂2 。花键毂以其内、外花键分别与第二轴和结合套4 作滑动连接。向 左或向右拨动接合套，其内花键齿圈可与齿轮1 或齿轮5 的接合齿圈接合，即 挂上直接挡或第二挡。在齿轮1 与5 接合齿圈相对的一侧均有一个外锥面，相 应地在花键毂两侧加工出内锥面。在花键毂的径向孔内，装有限压钢球，它借 弹簧的压力嵌入在接合套4 内车出的环形凹槽中。 这种同步器中，对接合套的轴向阻力是由弹簧压力造成的，故其大小有限。 如果驾驶员用力过猛，则可能在未达到同步前，接合套便克服弹簧压力，压下 钢球而与齿轮1 的接合齿圈接触，此时齿间仍将产生冲击；因此，常压式同步 器工作不很可靠，目前较少采用。 ( 2 ) 惯性式同步器 惯性式同步器与常压式同步器一样，都是依靠摩擦作用实现同步的。但它 可以从结构上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，以 避免齿间冲击和发生噪声。 1 0 1 8 1 t 1 一第一轴2 、1 3 一滚针轴承3 一六挡接合齿圈 4 、8 一锁环( 同步环) 5 一滑块 6 一定位销7 一接合套9 一五挡接合齿圈1 0 一第二轴五挡齿轮1 1 一衬套 1 2 、1 8 、1 9 一卡环1 4 一第二轴1 5 一花键毅1 6 一弹簧1 7 一中间轴五挡齿轮2 0 一挡圈 图2 3锁环式同步器 轿车和轻、中型货车广泛采用锁环式惯性同步器，该同步器结构如图 2 3 所示。同步器花键毂1 5 的内花键与轴上的外花键配合，用卡环1 8 轴向固 定。同步器接合套7 的内花键齿与花键毂1 5 的外花键齿滑动配合，接合套7 可轴向移动。在花键毂两端与齿圈3 和9 之间，各有一个青铜制成的锁环( 同 步环) 4 和8 ，锁环上有断续的短花键齿圈，花键齿的断面齿廓、尺寸及齿数与 齿圈3 、9 及花键毂的外花键齿均相同。两个锁环上的花键齿，在对着接合套的 一端都有倒角( 称锁止角) ，且与接合套齿端的倒角相同。锁环具有与齿圈上的 锥形面锥度相同的内锥面，锥面上制出细牙的螺旋槽，以便两锥面接触后能破 坏油膜，增加锥面的摩擦，缩短同步时间。三个滑块5 分别嵌合在花键毂的三 个轴向槽内，并可沿轴向滑动。三个定位销6 分别插入三个滑块的通孔内，在 弹簧1 6 的作用下，定位销压向接合套，使定位销端部的球面正好嵌在接合套中 部的凹槽中，起到空挡定位作用。滑块5 的两端伸入锁环的三个缺口中。锁环 的三个凸起部分别伸入花键毂的三个通槽中，只有当凸起部位于通槽的中央时， 接合套与锁环的齿方能啮合。 在中型及大型载货汽车的变速器中，目前较多地采用锁销式惯性同步 器。当变速器第二轴上的常啮齿轮及其接合齿圈直径较大时，装用锁销式同步 器不仅使齿轮的结构形式合理，而且还可在摩擦锥面间产生较大的摩擦力矩， 缩短了同步时间。 t 1 一第一轴齿轮 2 一摩擦锥盘3 一摩擦锥环4 一定位销5 一接合套 6 一第二轴四档齿轮7 一第二轴8 一锁销9 一花键毂1 0 一钢球 1 1 一弹簧 图2 4锁销式惯性同步器 如图2 - 4 所示，两个有内锥面的摩擦锥盘2 分别固定在带有外花键齿 圈的斜齿轮1 和6 上，随齿轮一同旋转。与之相配合的两个有外锥面的摩 擦锥环3 ，通过三个锁销8 和三个定位销4 与接合套5 连接。锁销8 与定 位销4 在同一圆周上相互间隔地均匀分布。锁销8 的两端固定在摩擦锥销 3 的孔中，其直径与接合套凸缘上相应的销孔的内径相等，中部直径则小 于孔径。锁销8 中部和接合套5 上相应的销孔两端有角度相同的倒角一锁 止角。只有在锁销和接合套孔对中时，锁止角才不相抵触，接合套方能沿 锁销轴向移动进行挂挡。在接合套上的定位销孔中部钻有斜孔，内装弹簧 1 1 ，把钢球1 0 顶向定位销中部的环槽( 如a - a 剖面图所示) ，以保证同步 器处于正确的空挡位置。定位销4 两端深入锥环内侧面，但有间隙，故定 位销可随接合套5 轴向移动。 ( 3 )自行增力式同步器 这种同步器与常压式和惯性式同步器一样，也是利用摩擦原理实现同 步，主要区别在于同步环产生的摩擦力矩由于同步环内的弹簧片作用而得 到成倍增长。 夏蕊 1 一接合套2 一花键毂 3 一接合齿圈4 一同步环5 一滑块6 一支承块 7 一弹簧片8 一挡片 图2 5波尔舍同步器 图2 。5 所示为波尔舍自行增力式同步器。两个齿轮通过轴承空套在第二轴 上，而花键毂2 与第二轴固定连接，毂的外缘有三个凸起的轴向键，与接合套 1 上的三个相应键槽配合。接合套与毂一起转动，并可相对于毂轴向移动。接 合齿圈3 与常啮齿轮固定连接。弹性的开口同步环4 、滑块5 、支撑块6 及两个 弹簧片7 均装在接合齿圈内，并用挡片8 加以轴向限位。滑块5 的凸起部插于 同步环的开口处，处于空挡时两侧有间隙，支承块内圈上的凸起则嵌入接合齿 圈轴颈上相应的槽中，槽比凸起稍宽些。同步环外表面沿轴向两端制出外锥面， 而接合齿圈和接合套的两侧齿端也制出与其配合的内锥面。 2 2 2 同步器的工作原理 同步器的结构形式虽各有不同，但工作原理都是一样的，都是利用摩擦原 理来实现同步。为了详细了解同步器的工作原理，我们以使用最广泛的惯性同 步器为例对换挡过程进行分析说明。同步器的换挡过程可以分为四个阶段。 由低速挡换入高速挡的过程如下： ( 1 )开始阶段 若要挂入高速挡，通过换挡拨叉拨动接合套7 ，并通过定位销6 带动滑块5 一起向左移动。当滑块左端面与锁环4 的缺口端面接触时，便推动锁环移向 3 接合齿圈4 一锁环( 同步环)5 一滑块6 一定位销7 一接合套1 5 一花键毂1 6 一弹簧 图2 - 6同步换挡开始阶段 齿圈3 ，具有转速差( n 3 n 4 ) 的两锥面一经接触便产生摩擦作用。齿圈3 通过 摩擦作用带动锁环相对于接合套超前转过一个角度，直到锁环的凸起部与花键 毂15 通槽的另一侧面接触时，锁环便与接合套同步转动。此时，接合套的齿与 锁环的齿，较锁环的凸起位于花键毂的通槽中央时错开了半个齿厚( 花键毂通 槽宽度为锁环凸起部的宽度加上接合套的一个齿厚) ，从而使接合套的齿端倒角 正好互相抵触而不能进入啮合。 ( 2 ) 同步阶段 图2 7同步阶段 在锁环与接合套齿端倒角相互抵触的情况下，若要接合套齿圈与锁环的齿 圈接合上，必须使锁环相对于接合套后退一个角度。由于驾驶员始终对接合套 施加一个轴向力，使接合套齿端倒角压紧锁环齿端倒角，于是在锁环的锁止角 斜面上作用有法向压力e 。力e 可分解为轴向力互和切向力e 。切向力e 所形 1 4 成的力矩试图使锁环相对于接合套向后退转，称为拨环力矩。轴向 力只则使锁环4 与齿圈3 的锥面相互压紧产生摩擦力矩，使二者转速吩和迅 速接近，并且实际上可认为 1 4 不变，只是趋近于n 4 。这是因为锁环4 连同接 合套7 通过花键毂1 5 与整个汽车相联系，转动惯量大，转速下降很慢，而齿圈 3 仅与离合器从动部分相联系，转动惯量很小，速度降低较前者快的多。因为 齿圈3 是减速旋转，根据惯性原理，所产生惯性力矩的方向与旋转方向相同。 此惯性力矩通过摩擦锥面作用到锁环上，阻止锁环相对接合套向后旋转。亦即 在锁环上作用着两个方向相反的力矩：其一为切向力e 形成的力图使锁环相对 于接合套向后退转的拨环力矩坛；另一个为摩擦锥面上阻止锁环向后退转的惯 性力矩m 。在强尚未等于n 。之前，两个锥面间摩擦力矩的数值与齿圈3 的惯性 力矩相等。如果m 2 m ，则锁环4 即可相对于接合套向后退转一个角度，以 便二者进入接合；若m 2 m 1 ，则二者不可能进入接合。摩擦力矩m ，与轴向力互 的垂直于摩擦锥面的分力成正比，而鸠则与切向力e 成正比。互和e 都是法 向压力只的分力，二者的比值取决于花键齿锁止角的大小。因此，在设计同步 器时，适当地选择锁止角和摩擦锥面的锥角，便能保证在达到同步之前，齿圈 3 施加在锁环4 上的惯性力矩m 总是大于切向力e 形成的拨环力矩鸩，因而 不论驾驶员通过操纵机构加在接合套上的轴向推力有多大，接合套齿圈与锁环 齿圈总是互相抵触而不能接合。 ( 3 )脱锁阶段 雌j u l 一 r 霭 琴“ _ l 蕙 3 _ q 篷 j 习防乞乞。莎纠 、l z2 、 i 咕扔之 图2 - 8脱锁阶段 只要驾驶员继续加力于接合套上，摩擦作用就迅速