商用車AMT選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

范珊珊，馬 淵，孫文軍，聶幸福

(陜西法士特汽車傳動(dòng)研究院，陜西 西安 710119)

0 引言

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)是在傳統(tǒng)機(jī)械齒輪式變速器的基礎(chǔ)上，加裝一套選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)換擋，使車輛獲得良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減少駕駛員疲勞，提高乘坐舒適性，因此在商用車上得到了廣泛應(yīng)用，歐洲商用車AMT匹配率更是高達(dá)90%。國(guó)內(nèi)從2016年開始，AMT匹配率也開始增長(zhǎng)，尤其是自動(dòng)駕駛和新能源技術(shù)等新技術(shù)的推廣都離不開自動(dòng)變速器的支撐，所以AMT的重要性越來(lái)越凸顯。

1 選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類

AMT的換擋過(guò)程是由選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械變速器的換擋操縱機(jī)構(gòu)，完成一系列相應(yīng)動(dòng)作并通過(guò)傳感器將擋位信息反饋給駕駛員，因此，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度、響應(yīng)速度、反饋情況等直接決定了變速器換擋品質(zhì)的高低，影響到AMT的應(yīng)用情況，進(jìn)而又影響整車性能。

1.1 按驅(qū)動(dòng)形式分類

根據(jù)其驅(qū)動(dòng)形式的不同，選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為電控液動(dòng)、電控氣動(dòng)和電控電動(dòng)三種形式。

電控液動(dòng)式選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)以液壓油為工作介質(zhì)，通過(guò)控制電磁閥的關(guān)斷來(lái)自動(dòng)完成擋位切換。液壓系統(tǒng)容量大、精度高、操作簡(jiǎn)便，具有緩沖作用，能吸收一定沖擊。但也有一些明顯的缺點(diǎn)，首先是對(duì)液壓油品質(zhì)、管路密封性要求高，受溫度影響較大；其次是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)困難，易泄漏，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。

電控電動(dòng)式選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)中直流電機(jī)TCU(Transmission Control Unit)根據(jù)指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要?dú)庠椿蛘咭簤河驮矗h(huán)境適應(yīng)能力提高，但選換擋的動(dòng)作遲緩，精度也沒(méi)有液壓系統(tǒng)高，控制方法較難，且電機(jī)成本高。

電控氣動(dòng)形式的選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)且污染少。然而與上述兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，由于氣體本身的特性，氣動(dòng)系統(tǒng)有很多不利于精確控制的弱點(diǎn)。近年來(lái)隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各類性價(jià)比高的氣動(dòng)電磁閥、執(zhí)行元件和傳感器不斷涌現(xiàn)，拓寬了氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍，而且可直接利用車輛原有的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的氣源，因此節(jié)能環(huán)保、成本低廉的氣動(dòng)AMT成為當(dāng)前商用車市場(chǎng)的主流。表1為現(xiàn)有AMT產(chǎn)品的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類。

表1 AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類

1.2 按布置形式分類

根據(jù)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)在變速箱上布置形式的不同，可將其分為外裝式和集成式。外裝式在變速箱本體上直接加裝，無(wú)需對(duì)箱體進(jìn)行大量改動(dòng)，最常見的是XY型選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其選擋氣缸和掛擋氣缸處于正交，在TCU控制下，有一個(gè)換擋撥頭在變速箱預(yù)先設(shè)置好的選換擋軌道上延X(jué)、Y方向移動(dòng)到指定位置，配合完成擋位切換，如圖1所示。

圖1 外裝式XY型氣動(dòng)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

以16擋AMT變速箱為例，結(jié)構(gòu)為2×4×2，主箱4擋外加1個(gè)倒擋，那么需要3個(gè)撥叉軸(1/2擋撥叉軸，3/4擋撥叉軸，倒擋撥叉軸)，即選擋方向需要3個(gè)位置。另外由于空擋的需要，掛擋方向也存在3個(gè)位置，如圖2所示。選擋和換擋可由2個(gè)兩位三通電磁閥驅(qū)動(dòng)，當(dāng)單獨(dú)激活1個(gè)電磁閥時(shí)，活塞桿到達(dá)氣缸的一側(cè)；當(dāng)兩個(gè)電磁閥同時(shí)激活時(shí)，活塞桿到達(dá)中間位置，也就是空擋位置或者選擋的中間位置。

圖2 選換擋方向位置示意圖

這種選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變速箱機(jī)械本體不用做大的改動(dòng)，只是上蓋需要留出安裝接口；但由于連接選換擋電磁閥和傳感器到TCU的線束裸露在外，容易出現(xiàn)故障，且氣管也布置在外，變速箱整體美觀性下降。

集成式選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生，它將TCU、選換擋電磁閥、傳感器和選換擋氣缸集成于一體(見圖3)，選擋氣缸與換擋氣缸仍然處于正交，帶動(dòng)與之鉸接的選換擋軸移動(dòng)，從而完成選擋和掛擋動(dòng)作。這需要在變速箱殼體上設(shè)計(jì)一個(gè)幾乎全密封的腔體，放置執(zhí)行機(jī)構(gòu)，防止?jié)櫥惋w濺，而且加工精度要求高，需保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件與變速箱上撥叉軸的同軸度；但省去了線束氣管等，可靠性提高，故障率降低。

圖3 集成式選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成

ZF兩代AMT Astronic和Traxon均采用集成式選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是一軸多叉，如圖4所示。其具有以下特點(diǎn)：①選擋氣缸直線移動(dòng)，有3個(gè)位置；②選擋推桿的撥頭與選擋氣缸鉸接，在氣缸帶動(dòng)下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；③選擋推桿與撥叉軸固連，選擋推桿旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)撥叉軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度；撥叉軸上連接3個(gè)安裝角度不同的撥叉，每轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，對(duì)應(yīng)有一個(gè)撥叉被選中，這就是選擋動(dòng)作；④撥叉軸前后移動(dòng)，可掛上不同擋位。這種一軸多叉式設(shè)計(jì)，將原先主箱的3根撥叉軸減少到1根，設(shè)計(jì)巧妙，節(jié)省零件。

圖4 一軸多叉選換擋示意圖

最新一代VOLVO I-shift也采用集成式選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是沒(méi)有選擋，各撥叉軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，與雙離合自動(dòng)變速箱DCT(Dual Clutch Transmission)工作方式類似，當(dāng)上一擋位工作時(shí)，可以預(yù)選下一擋位作準(zhǔn)備，選換擋速度更快，動(dòng)力間斷時(shí)間短，換擋更舒適，而且該換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅可以用于AMT，還可兼容DCT。集成式撥叉軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 集成式撥叉軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

但該換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于AMT時(shí)可移植性不好，因?yàn)槌叽缦拗?，最多可以布?個(gè)氣缸，除去范圍擋和半擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的氣缸，可用于主箱撥叉軸的只有2個(gè)氣缸，也就限制了主箱最多4個(gè)擋位，只可以用于12擋AMT，或者用于2×5結(jié)構(gòu)的10擋AMT。

2 選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜上所述，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式、集成式、一軸多叉形式的選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較適用于商用車AMT。以下介紹的變速箱即采用上述方案，TCU與選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成在一起，統(tǒng)稱換擋控制單元(Shift Control Unit)。

2.1 選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成

該變速箱由主箱、前副箱和后副箱三段構(gòu)成，對(duì)應(yīng)的選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)SCU包括主箱換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、選擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、范圍擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、半擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，另外還集成了壓力調(diào)節(jié)器、中間軸轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和4個(gè)位移傳感器。離合器電磁閥和中間軸制動(dòng)器電磁閥也在SCU中，通過(guò)變速箱殼體內(nèi)部氣道與其驅(qū)動(dòng)氣缸相連通，選換擋控制機(jī)構(gòu)組成如圖6所示。

從圖6中可以看出，選擋氣缸有3個(gè)位置，由2個(gè)兩位三通電磁閥驅(qū)動(dòng)。換擋氣缸、半擋氣缸、范圍擋氣缸結(jié)構(gòu)類似。中間軸制動(dòng)器動(dòng)作簡(jiǎn)單，在換擋過(guò)程中開通一定時(shí)間來(lái)降低中間軸以及與之相連的齒輪轉(zhuǎn)速，起調(diào)速作用，沒(méi)有位置上的控制，由1個(gè)兩位三通電磁閥驅(qū)動(dòng)就可完成工作。離合器控制較復(fù)雜，有4個(gè)兩位兩通電磁閥，其中2個(gè)快速開關(guān)閥、2個(gè)慢速開關(guān)閥，要求離合器控制過(guò)程中能較好地跟隨目標(biāo)位移曲線。

圖6 選換擋控制機(jī)構(gòu)組成

2.2 選擋互鎖裝置

在一軸多叉結(jié)構(gòu)中，選擋撥頭以與撥叉軸鉸接的點(diǎn)為圓心旋轉(zhuǎn)±22.5°，帶動(dòng)撥叉軸分別轉(zhuǎn)動(dòng)到3個(gè)選擋位置，每個(gè)選擋位置對(duì)應(yīng)一個(gè)撥叉，可以掛入相應(yīng)擋位。從功能安全的角度考慮，變速箱同時(shí)掛入兩個(gè)擋位是很嚴(yán)重的情況，可能導(dǎo)致變速箱扭轉(zhuǎn)，甚至傳動(dòng)系抱死。為了保證車輛安全行駛，選擋互鎖是必要的措施。根據(jù)一軸多叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)互鎖棘輪，如圖7所示，上面的凹槽尺寸與選擋撥頭大小相匹配，當(dāng)轉(zhuǎn)到某一位置時(shí)，棘爪鎖止，保證在某一時(shí)刻只有一個(gè)撥叉可以前后移動(dòng)。

圖7 互鎖棘輪

這種互鎖裝置取消了互鎖鋼球和彈簧機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)巧妙，但是對(duì)加工和安裝精度要求高。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案，搭載16擋和12擋變速箱，在臺(tái)架上進(jìn)行靜態(tài)主箱選掛擋試驗(yàn)和前后副箱掛擋試驗(yàn)，同時(shí)還建立整車環(huán)境，進(jìn)行動(dòng)態(tài)換擋性能試驗(yàn)。

主箱靜態(tài)掛擋試驗(yàn)中，電機(jī)以50 r/min～100 r/min轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)輸出軸，進(jìn)行循環(huán)選擋和掛擋操作，該試驗(yàn)進(jìn)行到800萬(wàn)次執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍能正常工作，其主箱壽命遠(yuǎn)超過(guò)800萬(wàn)次。前副箱靜態(tài)掛擋試驗(yàn)中，將主箱置于空擋，前端電機(jī)以1 000 r/min轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)輸入軸，循環(huán)進(jìn)行前副箱擋位切換，目前該試驗(yàn)進(jìn)行到280萬(wàn)次，已達(dá)到壽命要求。后副箱靜態(tài)掛擋試驗(yàn)時(shí)，后端電機(jī)以400 r/min～500 r/min轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)輸出軸，同時(shí)主箱保持在空擋，循環(huán)進(jìn)行后副箱高低擋位切換，已達(dá)到100萬(wàn)次壽命。靜態(tài)掛擋試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 靜態(tài)掛擋試驗(yàn)

在整車試驗(yàn)中，分別進(jìn)行起步掛擋、行車過(guò)程升擋、行車過(guò)程降擋等各種工況下的換擋操作。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：換擋時(shí)間可以控制在500 ms內(nèi)；另外通過(guò)AVL Drive進(jìn)行客觀換擋性能評(píng)估，其各項(xiàng)指標(biāo)均在7.5分以上，完全滿足商用車使用要求。

4 結(jié)論

選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇決定了商用車AMT換擋品質(zhì)。在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的當(dāng)前市場(chǎng)上，存在多種選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本文從動(dòng)力源、布置方式、選換擋配合等方面對(duì)比分析了當(dāng)前最常見的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終確定使用集成式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)能與變速箱更好地融為一體，省去了外部線束和氣管布置，變速箱外觀效果整潔，且一軸多叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，零部件數(shù)量減少，可移植性好。經(jīng)過(guò)臺(tái)架以及整車試驗(yàn)驗(yàn)證，該選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案能夠大大提高AMT換擋品質(zhì)和可靠性。