硕士论文-电动汽车用齿轮离合式自动变速器设计.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 电动汽车用齿轮离合式自动变速器设计 姓名：张振宇 申请学位级别：硕士 专业：动力机械及工程 指导教师：吴林 20060401 武逯堡工盘堂亟堂焦逾塞 摘要 世界环境的不断恶化以及石油的不断消耗殆尽为电动汽车的开发应用提供 了一个良好的发展契机。这也为自动变速器的应用发展提供了一个更加广阔的空 间。目前，汽车市场中有四种不同的自动变速器：电控机械式自动变速器( A 枷、 连续可变传动比自动变速器( f 哪和电控液力机械自动变速器( A T ) 以及双离合器 电控机械式自动变速器( 比_ 7 ) ，其中它们都有各自的优缺点。笔者在权衡各种自 动变速器的优缺点的基础之上，从创造性、探索性的角度尝试一种将离合与变速 两者集合为一体的齿轮离合式自动变速器的设计与研究。 该齿轮离合式自动变速器将专门用于电动汽车。它的内部仍然沿用了传统齿 轮式变速器的平行轴的结构形式，但是由于采用电动机驱动，电动机具有调速功 能，因此与传统变速器相比不仅原动机不同，而且具有不同的同步原理，同时结 构中设计了数对齿轮离合器，因此使得齿轮离合式自动变速器无论是在整体结构 上，还是它的工作原理和控制策略都完全区别与传统变速器。 该齿轮离合式自动变速器在保持传动变速器平行轴结构的基础上将离合与 换档这两套机构合二为一，结构更加简单，换档控制迅速。 由于该齿轮离合式自动变速器是一种创新性的设计尝试，具有与传统变速器 不同的结构形式，因此在对其进行零部件结构设计时，无论是关键参数的选取、 计算，还是强度校核，均没有现存的经验设计可以借鉴，因此本文在逐步阐述该 项设计的工作原理、控制策略，拓展应用的同时；并以W G 6 1 2 0 型公交客车为设 计载体，以西门子公司的A C g O 型三相异步交流电机作为动力源，并根据具体设 计要求，严格依照机械设计手册对齿轮离合式自动变速器的内部平行轴结构中主 要的零部件参数进行了独立设计和计算；同时为了确定设计计算的可靠性，在三 维设计软件嬲中建立了该齿轮离合式自动变速器的三维实体模型，并利用仿真 分析软件A N S Y S 对主要零部件三维实体模型进行了结构静力学分析，通过仿真分 析，获取了大量宝贵的仿真数据，发现了部分零部件理论设计计算中的不妥之处， 为齿轮离合式自动变速器的进一步设计开发提供了重要的理论依据和研究基础。 关键词：电动汽车，自动变速器，齿轮，平行轴结构，离合器 武速堡王盍呈亟生毽盈童 A b s t r a c t W i t ht h ee n v i r o n m e n to ft h ew o r l dd e t e r i o r a t i n ga n dt h er o c ko i lb e i n gd e p l e t e d ，t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r i ca u t o m o b i l ew i l lf a c ew i t hag o o d o p p o r t u n i t y A tt h es a m et i m e ，T h i sr i g o r o u ss i t u a t i o na l s op r o v i d e sam o r ev a s ts p a c e f o rt h et h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n C u r r e n t l y , T h e r ea r e f o u rk i n d so fd i f f e r e n ta u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni nt h ea u t o m o b i l em a r k e t ：a 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 ( A M 3 3 ，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 ( C V T ) ，a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o na n dd o u b l ec l u t c ht r a n s m i s s i o n l o g o A n dt h e ya l lh a v er e s p e c t i v e l y m e r i t sa n ds h o r t c o m i n g A f t e rh a v i n gc o m p a r e dw i t hc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ea u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n s ，t h ew r i t e ro ft h ep a p e rh a v et r i e dt Od e s i g nc r e a t i v e l ya n dr e s e a r c ha n e wk i n do fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nw h i c hw i l ls i m u l t a n e o u s l yh a v et h ef u n c t i o no f t h ec l u t c ha n dt h et r a n s m i s s i o n T h eg e a r - c l u t c ha u t o m a t i ct r a n s m i s s i o no n l yh a v eb e e nd e s i g n e df o rt h ee l e c t r i c a u t o m o b i l e A l t h o u g hi t si n n e rc o n f i g u r a t i o nh a v es t i l lf o l l o w e dt om a k eu s eo ft h e p a r a l l e l s h a f t ss t r u c t u r eo ft h et r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o n ，b e c a u s eo fa d o p t i n gt h e e l e c t r i cm o t o rd r i v e ，a n dt h er o t a t es p e e do ft h ee l e c t r i cm o t o rc a nb ec h a n g e d a c c o r d i u gt oa c t u a lr e q u e s t ，s oc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l t r a n s m i s s i o n ，t h e g e a r - c l u t c ha u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nh a sd i f f e r e n ts y n c h r o n o u sp r i n c i p l e A n dt h e ra r e s e v e r a lp a i r so fg e a rc l u t c h e sw i t h i ni t si n n e rs t r u c t u r e S oc o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o n ，t h eg e a r - c l u t c ha u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nh a sd i f f r e e n tw h o l e s t r u c t u r e ，w o r kp r i n c i p l e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e s T h eg e a r - c l u t c ha u t o m a t i ct r a n s m i s s i mi sai n v e n t i o na n di th a sd i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o n ，S Ow h e nd e s i g n i n g , c a l c u l a t i n ga n dp i c k i n gu pt h ek e yp a r a m e t r e so ft h e i m p r o t a n tp a r t so f i t s ，t h ew r i t e rh a v e n th a ds u b s i s t e n td a t aa n de x p e r i e n c e s t h e w h o l ed e s i g nh a v eb e e nc o m p l e t e di n d e p e n d e n t l yb yt h ew r i t e r S ow o r k p r i n c i p l e ，c o n t r o ls t r a t e g y , e x p a n da p p l i c a t i o nw i l lg r a d u a l l ye l a b o r a t i n gi nt h e p a p e r A n da c c o r d i n gt h ed e s i g nr e q u e s to ft h eW G 6 1 2 0b u sa n dt h ed r i v i n g c h a r a c t e r i s t i c tA C 9 0e l e c t r om o t o r , a n ds t r i c t l y a c c o r d i n gt o t h em a c h i n ed e s i g n m a n u a l ，t h ew r i t e rh a sp r e c i s e l yd e s i g n e d ，c a l c u l a t e da n dp i c k e du pt h e k e y p a r a m e t r e so ft h ei m p r o t a n tp a r t so fi t s A tt h es a m et i m e ，f o rm a k i n gs u r et h e c r e d i b i H t yo ft h ed e s i g n m e n t ，t h ew r i t e rh a sb u i l tu p3 De n t i t ym o d e lo ft h e 武逯理工盍兰亟堂焦j 金室 g e a r - c l u t c ha u t o m a t i ct r a n s m i s s i m i ni nU Gi m i t a t e da n da n a l y s i n gt h em o s ti m p r o t a n t p a r t si nA N S Y S ，a n do b t a i n e dt os o m ep r e c i o u se m u l a t i o n a ld a t aa b o u tt h e s ek e y p a n s ，w h i c hp r o v i d e sr e s e a r c hf o u n d a t i o n ，t h e o r yf o u n d a t i o na n de x p e r i e n c ef o rt h e f u r t h e rd e s i g n i n ga n dr e s e a r c h i n go ft h eg e a r - c l u t c ha u t o m a t i ct r a n s m i s s i m K e y w o r d ：e l e c t r i ca u t o m o b i l e ，a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，g e a r , p a r a l l ds h a f t s t r u c t u r e ，d u t c h m 此页若属实。请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 用过的材辩。与我一同工作的丽志慰本研究所傲的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 E t l l l l 趟：! 垒 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的靓定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢牲翮始牛 注：请将此声嘲装订在论文的目录翦。 闩期跏卅在。，易 武迅理王盍堂硒堂焦j 金塞 第一章绪论 1 1 电动汽车的发展现状 汽车工业已成为现代经济的支柱产业。2 0 0 5 年全球汽车产量超过6 0 0 0 万辆， 保有量7 亿辆，譬前世界上的石油资源5 0 己被汽车消耗掉。在美国，每1 3 人 就有一辆轿车，在欧洲，每1 5 人有一辆，在日本，则为每2 人一辆。汽车工业 的飞速发展在给人类生活带来极大便利的同时也给地球环境带来了极大的破坏。 1 9 9 6 年世界上共排放二氧化碳大约为2 0 0 亿吨，美国居第一位，占2 5 ，其中汽 车大约占排放量的2 0 ，中国居第二位，占1 3 5 。面对严峻的环境污染的同时， 还不得不面对石油短缺这个更加严重的问题。我国现在是汽车工业发展最迅猛的 国家，1 9 8 8 年全国汽车年产量为6 4 6 9 万辆，1 9 9 0 年达到5 0 9 万辆，2 0 0 2 年 增至3 2 5 1 万辆；2 0 0 3 年产量达到4 2 0 万辆，2 0 0 5 年达到6 0 0 万辆。然而我国 也是石油资源缺乏的国家，目前我国石油预测储量9 4 0 亿吨，可开采储量5 2 6 亿吨，可开采期限1 9 年，并且我国从1 9 9 4 年开始成为石油进口国。2 0 0 0 年原 油产量1 6 亿吨，进口原油0 7 3 亿吨，成品油进口0 3 亿吨，预测2 0 1 0 年，原 油需求3 6 亿吨，国内产量2 亿吨，进口1 6 亿吨，进口原油占需求量4 5 ，这 不仅使汽车用油更加困难，而且更严重的危及到国家经济安全。至此，全球汽车 工业在面临着严峻的环境污染问题的同时，还不得不面临着更加紧迫的能源缺乏 问题。内燃机一直是上个世纪最主要的汽车动力设备，今天，世界上生产的汽车 几乎都在使用内燃式发动机，勿庸置疑内燃机汽车的发展，走到今天已成极限。 而电动汽车的发展正是在这样的背景下又迎来了新的发展契机，相对于传统汽车 而言，电动汽车不仅行驶时废气排放低( 纯电动车行驶时为零排放，燃料电池汽 车任何行驶状态下均是零排放) ，而且因其使用的是二次能源，所以来源广泛。 其中，对于电动汽车，据计算，每年每辆电动汽车可节省1 4 1 8 吨石油。所以 电动汽车的使用，将对全球性节能及治理污染有着十分重要的意义。现在世界各 国都在大力发展电动汽车项目，其中日本丰田公司在这方面的技术相对领先并且 成熟，其中一款混联式混合动力轿车p r i u s 已经于1 9 9 7 年开始量产，如今销售 量已经突破4 0 万辆。电动汽车的发展必然也随之带动了自动变速器在电动汽车 上的广泛应用。现代电动汽车的传动机构多采用自动变速器，其中丰田公司的 p r i u s 的传动机构就是采用的是连续可变传动比自动变速器( f 旧，我国东风电 动汽车公司研发的一款并联式混合动力城市公交客车采用的是电控机械式自动 武这堡工盍堂亟土皇焦盈奎 变速器( 朋) 。但是正在开发的许多电动汽车，尤其是混合动力汽车，由于被结 构布置和反馈控制等复杂因素的影响而在传动系统中没有使用自动变速器，这样 虽然使动力总成结构更加简单、控制更加容易，但是由于汽车行驶工况复杂，固 定的传动比，使得汽车驱动轮的转矩和转速的变化范围始终受到限制，这样不得 不在一定程度上以牺牲汽车的动力性和经济性为代价。随着电动汽车的全面开发 和应用，尤其是混合动力汽车技术的不断优化和完善，自动变速器的应用将越来 越广泛。 1 2 自动变速器的分类 在汽车传动系的发展过程中，自动变速一直是人们追求的目标。随着计算机 技术在汽车领域的广泛应用，自动变速技术得到了飞速的发展。在汽车日益普及， 非熟练驾驶员大量增加，同时电动汽车不断蓬勃发展的今天，汽车自动变速器的 应用有着更加重要的意义，发展空间也越来越大。 现在市场上的变速器细分为五类：手动变速器( 蚴、电控机械式自动变速器 ( 血哪、连续可变传动比自动变速器( f 啪和电控液力机械自动变速器( A T ) ，双离 合器电控机械式自动变速器( D C T ) 。 它们各自都有不同的优缺点。手动变速器M T 传动效率高，但是操作不方便， 传动比不连续，动力性、经济性略差，但是随着自动变速器的不断发展，手动变 速器的舞台已经越来越狭小。 目前，对全球各地区自动变速器的市场现状进行的总结和预测分析表明： 目前在北美，爿，占有绝对的优势地位，其他的自动变速器和手动变速器占很小 的市场份额；欧洲和其他地区则是手动变速器占主导地位，其他自动变速器到 2 0 1 1 年占有大约2 0 的市场份额；日本和韩国市场上，爿，大约占7 0 ，C V T 的 市场份额增加较大，大约占1 5 。其他类型的自动变速器份额很小。总的来看， 到2 0 1 1 年A T 占据4 7 的市场份额，仍然占自动变速器市场的主导地位；f 限 优4 胛总共占2 0 的市场份额，是增长速度最快的；倒7 1 占3 3 ，有较大幅度 的下降。 从以上的调查数据表明，彳，仍然占有绝对的优势，而C V T , D C T , A M T 则 是三足鼎立，各有千秋。但是无论是彳，还是C V T , D C T ,A M T , 它们的优势和 劣势都是非常的明显。四者之间的特点如表卜1 所示。连续可变传动比自动交速 器C V T 是真正意义上的无级变速，C V T 变速平滑，乘坐舒适性好，起步性能好， 燃料经济性较差，传动扭距有限，仅仅适合小排量车型，难以普及。目前，全球 使用最多的自动变速器是电控液力机械自动变速器爿兀在, 4 r q a ，液力变矩器具 有无级连续变速和交矩的能力，对外部负载具有良好的自动调节和适应性能，使 2 武逯垄王左堂殛里燕诠塞 车辆起步平稳，加速迅速、均匀、柔和，加之液体传动本身特有的减震性能，又 进一步降低了传动系的尖峰载荷和扭转振动。它延长了传动系的使用寿命，提高 了乘坐舒适性和车辆平均速度，以及行使安全性和通过性等。因此，它是目前世 界车辆自动变速器的主导产品。目前美国轿车I T 的装车率达到9 5 左右，西欧 也达到3 0 左右。但是A T 的发展有个致命的缺点就是液力变矩器的效率低，汽 车特别耗油，为了解决这个问题，早期主要采用叶片优化设计、变矩器闭锁、增 加机械传动档数、使用超速档等方法来提高工作效率。随着全球资源短缺，燃油 表卜1 各种自动变速器的优势对比 爿M r D C r爿rC 玎 燃油经济性 J - j - + 成本+0 价格+ + _ 上一J 一 重量，尺寸+ + + 0 起步性能+ + + + 传递扭矩能力+ + + + 换档品质+ + 热容能力+ 反应速度+ +0O 安全性+ - L 技术难度+ + +0 ( 注：+ + 一好，+ 一较好O 一一般，一一较差，一差) 经济性日益成为最受人们关注的汽车性能指标。就在各大汽车公司不断采用多档 化的方法来改进爿州| q 同时，电控机械式自动变速器( 朋) 得到了快速的发展，在 北美，目前A E r 的普及率已经达到1 0 以上。电控机械式自动变速器是在原有 固定轴式齿轮变速器的基础上，把选、换档和离合器及发动机油门的操纵控制自 动化。A Y T 实现了液力机械式自动变速器的功能和优点，并且，由于4 7 是完全 在平行轴式手动变速器的基础上加装自动操纵机构实现自动换档的，因此，它仍 保留了原手动变速器传动效率高、价廉、易于制造等优点。而且，它另一个最大 的优点就是可以充分利用现有手动变速器的生产设备，特别适合像我国这种变速 器生产厂家完全使用手动变速器生产设备的情况。从世界范围来看，它是自动变 速的一个重要发展方向。但是，且椰1 也存在它的一些缺点，它的工作原理决定 了它在换档过程中首先要分离离合器，然后将变速器挂空档、再选档、换档，最 后接合离合器。这样，当离合器分离后，直到离合器再重新接合之前，发动机的 动力将不能被传递到车轮去驱动车辆运行，所以换档过程中产生了动力传递的中 武逯理至盍鲎亟堂僮监塞 断，这种非动力换档车辆必然产生减速度，换档时间长，给车辆的加速性、舒适 性等带来不利影响，这样，也就不可避免地要影响换档品质以及车辆动力性和经 济性。由于A M T 是非动力换档，即在换档过程中有动力中断，因此在起步和换档 品质上与爿，1 相比有一定差距。为了进一步提高机械式自动变速器的性能，人们 研究出了动力换档机械式自动变速器，主要有辅助扭矩型和双离合器式自动变速 器( 优功，其中D C T 融合了A T 和传统的A M T 的优点，是目前欧洲大力研究和发展 的新一代自动变速器。在双离合器式自动变速器f 彬，中，变速器各档位主动 齿轮按奇、偶数档位分别与输入轴上设置的两个离合器a ，G 连接，离合器以G 交替传递工作动力以实现档位切换，保证整个换档过程中动力不中断。实现动力 性换档。7 的燃油经济性好，比传统的4 档A T 提高1 8 ，比f 盯提高8 ，比6 档手动变速器M T 提高2 ；结构紧凑，重量轻，扭矩传递能力大；起步性能和换 档品质好。但是，如此的优点也同样带来了它的劣势，一是结构复杂，控制困难； 二是由于应用面还不广泛造成其目前制造成本偏高。 l 。3 课题研究的目标和爽容 鉴于未来石油资源的极度紧张，电动汽车即将被广泛应用的现实，在权衡各 种自动变速器的优缺点的基础之上，本课题以探索性的角度尝试一种将离合与变 速两者集合为一体的齿轮离合式自动变速器的设计与研究。 传统变速器属于汽车传动系部分，但是根据国家最新标准G B T 1 9 5 9 6 2 0 0 4 ，电动汽车的动力系是动力单元与传动系的组成，两者之间是密不可分的， 必须统一设计和综合控制，因此仍然属于其中部分动力装置研究的范畴。 该项设计称为齿轮离合式自动变速器，该项设计专门针对的是电动汽车。 齿轮离合式自动变速器中的核心结构是齿轮离合器，齿轮离合器与摩擦片式 离合器相比较具有以下几个方面的优势： ( 1 ) 摩擦片式离合器所传递的扭矩与摩擦片的材料、摩擦片的数量和几何尺 寸以及摩擦面问的压紧力有关，传递扭矩有限，为了得到较大的扭矩往往采用的 方式是增加从动盘的数目和尺寸，这样会造成离合器尺寸过大，这都会严重影响 到发动机以及变速器的布置。而齿轮离合器采用的是齿轮副结构，其传递扭矩大 小仅与啮合齿轮的模数、齿宽、齿轮类型等有关，齿轮传动具有传递扭矩大，传 递效率高的特点，而且几何尺寸灵活，无须像摩擦片式离合器一样，为得到较大 扭矩而将结构尺寸设计庞大，因此可以将齿轮离合器直接安置到自动变速器中， 仅仅用一套装置就代替了摩擦片式离合器与机械式交速器两套装置的组合功能。 ( 2 ) 摩擦片式离合器，在换档过程中会造成摩擦片发热，因此磨损严重，寿 命周期远比传动稳定的齿轮离合器短。 4 武邀堡王太堂亟堂焦监塞 ( 3 ) 齿轮离合器零件简单，易布置，成本低廉。 因此该项课题的研究目标就是设计用以替代摩擦片式离合器和机械式变速 器的传动机构齿轮离合式自动变速器。 该项设计将要完成的工作内容有如下四点： ( 1 ) 齿轮离合式自动变速器的结构及工作原理的研究。 ( 2 ) W G 6 1 2 0 电动汽车齿轮离合式自动变速器结构参数的设计。 ( 3 ) W G 6 1 2 0 电动汽车齿轮离合式自动变速器主要零部件的参数设计计算。 ( 4 ) W G 6 1 2 0 电动汽车齿轮离合式自动变速器三维建模以及有限元分析。 该齿轮离合式自动变速器，专门针对的是电动汽车，因此它具有与传统传动 机构不同的结构特征，具体表现为如下两点： ( 1 ) 不同的原动机和不同的同步原理。传统汽车的动力原为内燃机，由于内 燃机的转速不能达到实时精确控制，因此换档过程中是利用同步器摩擦原理来达 到中间轴与输出轴的转速同步；然而齿轮离合式自动变速器，专门针对的是电动 汽车，动力原为电动机，由于电动机转速具有实时可控性，同时扭矩瞬态零输出 避免了齿轮离合器内外齿轮啮合过程中转速不同造成的轴向和周向冲击，并且由 于电机可以反转，因而可以不用再额外设置倒档。这样与传统的变速器结构相比 更加简单。 ( 2 ) 不同的传动换档结构。传统汽车上变速器与离合器是分开的，是两套完 全不同的装置。但是该齿轮离合式自动变速器则将变速、离合接合为一体，基于 电动机转速可控的特点，它用单一的变速器同时代替了摩擦片式离合器与变速器 组合的传动换档机构。 虽然齿轮离合式自动变速器内部仍然采用传统齿轮式变速器的平行轴的结 构形式，但是由于针对的原动机不同，采用的同步原理不同，同时加入数对齿轮 离合器，因此使得齿轮离合式自动变速器的整体结构、工作原理和控制策略完全 区别与传统变速器。所以在对该齿轮离合式自动变速器进行零部件结构设计时， 无论是关键参数的选取、计算，还是强度校核，均没有现存的经验设计可以借鉴， 因此在下面的章节中将逐步阐述该项设计的工作原理、控制策略，拓展应用；并 根据具体设计要求依照机械设计手册对齿轮离合式自动变速器的内部平行轴结 构中主要的零部件参数进行独立设计和计算；为了确定设计计算校核的可靠性， 使用三维设计软件嬲建立该项设计的三维实体模型。并使用仿真分析软件h N S Y S 对主要零部件三维实体模型进行结构静力学分析，通过仿真分析，确定该项设计 的可行性及优缺点。 本课题就是从创造性、探索性的角度尝试设计一种专门用于电动汽车的自动 变速器，并通过上述的研究过程和研究方法确定该项设计的可行性。 武遗堡王友堂亟堂位监塞 第二章齿轮离合式自动变速器结构与工作原理 2 1 齿轮离合式自动变速器的结构 该项设计全称为电动车用齿轮离合式自动变速器结构设计，由于该变速器的 输入端必须使用的是电机传动，因此该项设计尤其专门针对的是纯电动汽车、串 联式混合动力汽车和燃料电池汽车，其结构如图2 - 1 所示。 图2 1 齿轮离合器式自动变速器结构简图 该齿轮离合式自动变速器，其结构特征包括：变速箱B O X ：输入轴S 、中 间轴毛、输出轴是；一档变速传动齿轮z ，、Z 2 ；二档变速传动齿轮z ，、z 4 ； 三档变速传动齿轮z 。Z 。；常啮合传动齿轮z 7 、z R ；一档变速齿轮离合器外齿 轮Z 9 ，内齿轮z 1 2 ；二档变速齿轮离合器外齿轮z l o ，内齿轮z 1 3 ；三档变速齿轮 离合器外齿轮z 1 ，内齿轮z 1 4 ：分别与三个档位变速的齿轮离合器外齿轮刚性连 接的花键套筒乩l 、皿 乩3 ；分别套在齿轮z 2 、z 4 、z 5 内面的光捐套筒乩4 、 S L 5 、疆6 ；花键套筒跖l 、S L ”观3 上的花键槽s 日、l s ：岛、玛；滚动定位轴 承昌、B 2 、岛、毋、玩；三组齿轮离合器换档电子控制执行机构S M ，、S M ，、 S M 3 。 传统汽车上变速器与离合器是分开的，是两套完全不同的装置。但是该三齿 轮离合式自动变速器则将变速器、离合器接合为一体，它用单一的变速器同时代 6 武遐垄厶堂亟堂焦监塞 替了摩擦片式离合器与变速器组合的换档传动机构，该机构结构更加简单，扩展 性强，同时它沿用了A g l 的平行轴的布置形式，比勘刀制造方便，成本低；同时 继承了A k I T 良好的动力性和经济性；由于用一个离合器控制一档，这样带来电子 控制更加简单方便，更加容易实现；并且其结构使得在换档控制上，虽然无法达 达到脱7 动力性水平但是却明显高于A k L r 的换档质量，其换档时间可控制在1 s 中以内，接近无动力中断换档的效果。 该齿轮离合式自动变速器的具体结构如下： 1 输入轴S 左端通过轴承马支撑在变速箱B O X 的箱体上，右端通过轴承 风支撑在输出轴邑左端的轴内，齿轮z 1 、z 3 、z 1 4 分别固定在输入轴S 上，套 筒观，、观。也分别空套在输入轴S 上，齿轮z ；空套在套筒乩。上，外齿轮z 。套 在套筒乩3 的花键槽s B 上，电子控制执行机构S M 3 与外齿轮z 。通过拨叉相连 接，执行机构可推动拨叉带动齿轮z 。在套筒乩，的花键槽s B 上做轴向运动。 2 中间轴s 2 左端、右端分别通过过轴承岛、玩支撑在变速箱B O X 的箱体 的两侧，齿轮z 6 、z 7 、z 1 2 、z 1 3 分别固定在输入轴s 2 上，套简1 、乩2 、观4 、 s k 分别空套在中间轴s 2 上e ，齿轮z 2 、z 4 又分别空套在套筒观4 、观5 上，外 齿轮z 9 、z l o 分别套在套筒乩1 、乩2 的花键槽鹋、| s _ 是上，电子控制执行机构 分别与外齿轮z 9 、z 】o 通过拨叉相连接，执行机构S M ，、S M ，可推动拨叉带动齿 轮z 9 、z 】o 分别在套筒乩l 、s t 2 的花键槽躅、s P 2 上做轴向运动。 3 输出轴s 3 的左端套在轴承岛上，右端通过轴承吼支撑在箱体上，齿轮z R 固定在输出轴s ，上。 4 动力从输入轴昌的左端输入进入变速箱B O X , 经过变速动力从输出轴S 右端输出。 该齿轮离合式自动变速器采用上述结构，可达到三档自动变速的功能。在该 项设计中，要着重解决的问题是齿轮离合式自动变速器在换档过程中，齿轮离合 器啮合齿轮副转速同步的问题。 2 2 齿轮离合式自动变速器的工作原理 2 2 1 各档工作状态 该齿轮离合式自动变速器的具体工作原理如下所述： 1 当执行机构脚1 工作时，z 9 和z 1 2 处于啮合状态，齿轮离合器外齿轮 z l o 、z 1 1 分别与齿轮离合器内齿轮z 1 3 、z 1 4 均是脱开状态。来自电机动力首先 进入输入轴墨，通过输入轴S 动力将被传递给固定在输入轴& 上的一档传动输 入齿轮Z 1 ，然后动力输入齿轮z l 遂将动力传递给空套在中间轴s 2 上并与之常啮 武迅堡王太堂巫盘堂僮i 金塞 合动力输出齿轮z ，动力输出齿轮z ：与套筒观。通过螺钉刚性连接，而一档齿 轮离合器外齿轮z 。由于通过花键龃与套简乩，刚性连接遂得到从齿轮z ，传递 来的动力，当执行结构S M t 向左推动齿轮离合器外齿轮z 0 与齿轮离合器内齿轮 z ，啮合后，固定在中间轴是上的离合器外齿轮z 1 ，就会又将动力传递给同样固 定在中间轴s ：上的常啮合动力输入齿轮z ，最后齿轮z 7 再将动力传递给固定在 输出轴S 上动力输出齿轮z 8 ，齿轮z 8 再传递给输出轴s ，并最终完成一档传动向 外输出动力的过程。一档传动的动力输入输出路径如图2 2 所示。 、 。 二n 。、 i 警f ，f 月 h 萨掣x 一旌鼻 少。野旷；l i “l 一 戈 ：b 警一“一硼jt j ： i ，r 。| | 、“ 矗二r ? ”_ a 二 _ 、k l 图2 2 一档传动动力输入输出路径 2 当执行机构S M 2 工作时，z l o 和z 1 3 处于啮合状态，齿轮离合器外齿轮z Q 、 z 1 1 分别与齿轮离合器内齿轮Z 1 2 、z 1 4 均是脱开状态。来自电机动力首先进入输 入轴墨，通过输入轴马动力将被传递给固定在输入轴S 上的二档传动输入齿轮 z 3 ，然后动力输入齿轮z 3 遂将动力传递给空套在中间轴岛上并与之常啮合动力 输出齿轮z 4 ，动力输出齿轮z 4 与套筒乩2 通过螺钉刚性连接，而齿轮离合器外 齿轮z l o 由于通过花键s B 与套简2 刚性连接遂得到从齿轮z 。传递来的动力， 当执行结构跗2 向右推动齿轮离合器外齿轮z 】o 与齿轮离合器内齿轮z 1 ，啮合 后，固定在中间轴s 2 上的离合器内齿轮Z 1 3 就会又将动力传递给同样固定在中间 轴S z 上的常啮合动力输入齿轮z 7 ，最后齿轮z 7 再将动力传递给固定在输出轴& 上动力输出齿轮z 8 ，齿轮Z 8 再传递给输出轴S 并最终完成二档传动向外输出动 力的过程。二档传动动力输入输出路径如图2 3 所示。 8 武逯理王盍堂亟堂焦论塞 一、。，iX 图2 3 二档传动动力输出输入路径 3 当执行机构S M ，工作时，z 1 1 和z 1 4 处于啮合状态，齿轮离合器外齿轮z 。、 Z t 。分别与齿轮离合器内齿轮z 1 ：、z 廿均是脱开状态。来自电机动力首先进入输 入轴墨，通过输入轴S 动力将被传递给固定在输入轴S 上的三档齿轮离合器内 齿轮z 1 。，当执行结构S M 2 向右推动三档齿轮离合器外齿轮z 】，与三档齿轮离合 器内齿轮Z 1 。啮合后，动力经z ，。再传递给齿轮离台器外齿轮z 】，而齿轮离合器 外齿轮z 。由于通过花键S 5 与套筒S b 刚性连接遂得到从齿轮z 。传递来的动 力，而三档动力输入齿轮z ，与套筒犯，通过螺钉刚性连接，因此得到乩，传递来 的动力，于是空套的动力输入齿轮z ；将动力再传递给与之常啮合并固定在中间 轴岛的三档动力输出齿轮z 6 ，接着动力输出齿轮磊会将动力又传递给同样固定 在中间轴s ：上的常啮合动力输入齿轮z 7 ，最后齿轮z ，再将动力传递给固定在输 出轴& 上常啮合输出齿轮z R ，齿轮z 。再传递给输出轴S 并最终完成三档传动向 外输出动力的过程。动力输出输入路径如图2 4 所示。 图2 - 4 三档传动动力输出输入路径 以上就是该三档齿轮离合器自动变速箱三个传动档位向外输出动力的流程。 9 2 2 2 换档过程及控制方法 2 2 2 1 从低速档位切换至高速档位 ( 1 ) 分离准备阶段 此时，低速档位齿轮离合器内外啮合齿轮即将分离。 分离准备阶段扭矩情况 驯r = 巧( 2 - 1 ) 式中： L 。车轮此时的驱动转矩； n 地面此时的阻力矩。 掣- 一巧( 2 - - 2 ) 式中： 。，电机此日于的输出转矩； 珞整个动力传动过程中的转矩损失。 分离准备阶段转速情况 N 咖一t l g N w ( 2 - - 3 ) 式中： f ，。电机此时输出转速； 。车轮此时转速： _ 变速箱低速档位传动比； f 。汽车主减速比。 ( 2 ) 齿轮离合罂分离阶段 此时，低速档位齿轮离合器换档执行机构推动齿轮离合器外齿轮与内齿轮发 生分离，此时齿轮离合式自动变速器处于空档状态，此时，五。一0 。 ( 3 ) 电机调速阶段 此过程为低速档位齿轮离合器内外啮合齿轮分离后到高速档位齿轮离合器 内外齿轮啮合之间的过程。这个过程中，电机需要在电子单元的控制下瞬时降低 电机的转速。 此过程中t O ，由于汽车具有惯性同时车轮本身具有转动惯量，因此可 以近似认为帆，一O 。 从低速档位齿轮离合器内外齿轮分离到高速档位齿轮离合器内外 齿轮啮合之间的时间差； ? 从低速档位齿轮离合器内外齿轮分离到高速档位齿轮离合器内外 齿轮啮合之间车轮转速的变化值。 1 0 武逯堡工盘堂亟堂焦j 垒塞一 由于f 一0 ，车轮的转速。基本维持不变，因此假如此时变速器直接切换 至高速档位，由于传动比发生了明显变化，为了使变速器转换至高速档位后，电 机的转速保持与此时车轮转速的重新匹配，电机的转速应迅速发生变化，此时电 机的输出转速应在缸时间内变化为： 咄；i h s + N w ( 2 - - 4 ) 式中： ，变速器由低速档切换至高速档后，电机应输出的转速； “变速器高速档位传动比。 这样电机在从低速档切换至高速档的转换过程中就存在相当大的转速差，即： 她州2 “叫一岫f t ( i l i h ) f g “ ( 2 5 ) 式中： 抽。变速器由低速档切换至高速档时，电机应瞬时降低的转速。 显然，这对于齿轮离舍器来说过大的转速差是难以承受的，高速运转下切换 齿轮离合器会出现严重的打齿现象，并发出尖锐的机械撞击声，严重的会导致将 齿轮打裂，使离合器遭到破坏，轻则不仅噪声严重同时也会挑战齿轮的弯曲疲劳 极限和齿面接触疲劳极限，严重的影响到齿轮离含器的使用寿命。因此，齿轮离 合器现在仅仅应用在一些小功率小扭矩低速的传动机械上。或者，为了尽量解决 上述问题，通过对齿轮离合器采取某些适当的技术改进以改善齿轮离合器的分离 和接合。例如，在齿轮离合器中进入接合侧的齿的顶端加工出很大的倒角( 1 0 0 1 5 0 ) ：此外，有的离合器，将被联接的那个半离合器的齿设计成每隔一齿( 或几 个齿) 齿长缩短一半：还有的离合器另一半的内齿每隔一齿取消一个齿。 虽然齿轮传动是机械传动中最普遍最重要的一种传动型式，具有传动效率 高，传动比稳定，工作可靠，寿命长，适用的速度和传递的功率广等一些歹u 的优 点，但是因为上述由于转速差过大不容易换档的致命缺点，所以当今传统的内燃 机汽车普遍使用的离合器仍然多采用的是摩擦片式离合器，虽然传动效率略低但 是传动平稳，汽车容易换档。 在电机调速阶段，为了达到瞬态降低转速的目的，电机的输出扭矩不再是零， 此时有： 毛叫埘棚2 ( 2 - - 6 ) 式中： m 高速档位输入端齿轮质量； 。高速档位输入端齿轮角加速度； P 高速档位输入端齿轮转动半径。 此时，电机输出扭矩，扭矩传递到高速档位输入端齿轮副上，在外扭矩的作 武这堡兰太堂亟堂位硷塞一 用下，高速档位输入端齿轮的转速瞬时改变。而此时电机的输出扭矩大小将根据 实际工况由电子单元控制。 一般来说，对于齿轮离合器可完成内外齿轮接合分离允许的转速差约为彳 ，：2 0 5 0 r m i n ，而由内燃机作为动力源的传统汽车来说，由于行驶工况的复 杂性，发动机转速跳变严重，即便是在平稳的路面，匀速行驶的条件下，采集到 的内燃机转速的信号误差都可达到J N = J O 5 0 r m i n ，因此齿轮离合器对于传 统的内燃机汽车来说，无法取代摩擦片式离合器。 但是，对于目前广泛推广的纯电动汽车、串联式混合动力汽车以及燃料电池 汽车来说，由于都是由电机来驱动，而电机具有转速可调的特点，这样使得齿轮 离合式自动变速器可以用在以上各类汽车的传动系上。 为了验证电机在齿轮离合器换档过程中做到瞬时调速目的，笔者在电机试验 台上对西门子公司生产的一种三相异步交流电机A C 9 0 进行了调速试验，电机试 验台与试验结果分别如下图2 5 和2 - 6 所示。 试验数据说明，电机转速调整过程迅速，从图中可以发现整个过程的时间t * O 3 。O 4 S 。因此，电机的调速功能就能够为齿轮离合器平稳过渡换档提供了 有利的技术保障。 电机的调速是个实时动态的过程，当高速端齿轮离合器内外齿轮的转速差调 整到删= l O 5 0 r m i n 后高速端齿轮离合器内外齿轮可以开始啮合，但是在即 将啮合的瞬态过程中，电机的调速过程仍然在继续进行，在电子单元的控制下， 电机仍然会根据从车轮采集来的转速信号，不断更新调节电机的最新转速。总之， 使得高速端齿轮离合器内外齿轮的转速差不断趋近于零，始终为换档提供优质的 啮合条件。 图2 5 三相异步交流电机A C 9 0 试验台 图2 - 6 三相异步交流电机A c 9 0 试验结果 因此在电机调速的缸时间内，通过电机跟踪车轮转速，调整电机此时的输 入转速，并使得A 。一o ，此时电机调速任务完成，等待过程结束。 ( 4 ) 换档结束 ” 电机调速阶段和高速档齿轮离合器内外齿轮啮合几乎是同步过程，高速档齿 轮离合器内外齿轮转速差达到合理范围内，啮合迅速进行。变速器挂入高速档位 后，电机输出扭矩将根据实际工况而定。在整个换档过程中，电机的输出扭矩在 电子单元的控制下，始终动态变化。 这样该齿轮离合器自动变速箱就完成了从低速档位向高速档位转换的过程。 2 2 2 2 从高速档位切换至低速档位 ( 1 ) 分离准备阶段 此时，高速档位齿轮离合器内外啮合齿轮即将分离。 分离准备阶段扭矩情况 掣r 。弓 z o 一，一z ， 分离准备阶段转速情况 N 哪i h i g N w ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 7 ) ( 2 ) 齿轮离合器分离阶段 此时，低速档位齿轮离合器换档执行机构推动齿轮离合器外齿轮与内齿轮发 生分离，此时齿轮离合式自动变速器处于空档状态，此时，毛。0 。 ( 3 ) 电机调速阶段 此过程为高速档位齿轮离合器内外啮合齿轮分离后到低速档位齿轮离合器 内外齿轮啮合之间的瞬态过程。在这个瞬态过程中，电机在电子单元的控制下根 1 3 ：一 一 r；l； l l J；。p r 黉攀 ：_一；： 一 i | | | i 一 于；1；一i寻 一i 一 一 ，；：；+1；lJ： Y-： 矿；一 。一 | | 焉 一 一 p：q13量：L 4一跫 武汉理王杰堂亟堂位监塞 据采集的车轮转速的信号不断实时调节电机的转速。 此过程中觚一0 ，由于汽车具有惯性同时车轮本身具有转动惯量，因此可 以近似认为A N