自动机械式变速换挡执行机构设计仿真毕业论文

 2020-04-08 03:04
摘 要 机械式自动变速器AMT是在保持传统机械式手动变速器(MT)基本构造的前提下,增加了电子控制的自动执行机构单元,代替了原来人工操作的离合器分离与接合、选挂档以及发动机转速和转矩的调节等过程,实现了换挡过程的自动化,极大方便了驾驶人。同时相对于AT而言,AMT具有传动效率高,燃油经济性好等特点。在提倡环保和节能的大趋势下,AMT高效率,操作方便和低成本,使其更符合自动变速器的发展方向。 本文在分析机械式自动变速器(AMT)换挡原理和换挡品质的基础上,提出液压换挡执行系统总体设计,将执行系统分为三大模块:动力源模块、稳压模块、执行机构模块。然后完成了液压系统中液压元件的选型,例如液压泵、电机、电磁阀、液压缸等。又完成了AMT传动部分的结构设计,分别对轴、齿轮、同步器、换挡拨叉进行了设计,并建立了三维模型和部分零件的二维图纸。最后对AMT系统进行了仿真。基于AMESIM仿真软件,搭建了AMT系统,包含选换挡模块,动力传递模块,整车模块。并分别对离合器和换挡油缸进行了图像分析。 本设计通过液压对换挡动作进行驱动;通过平行式换挡机构进行换挡执行,通过同步器进行换挡。以上工作解决了AMT在换挡过程出现的难题,同时保证了换挡过程的平稳性、迅速性,有利于驾驶员的换挡操作,提高了驾驶舒适性。 关键词:自动;换挡;执行器;液压

Abstract

The mechanical automatic transmission AMT adds an electronically controlled automatic actuator unit while maintaining the basic structure of a conventional mechanical manual transmission (MT), replacing the manually operated clutch separation and engagement, the selected gear, and the engine rotational speed. Torque adjustment and other processes have realized the automation of the shift process and have greatly facilitated the driver. At the same time, compared with AT, AMT has the characteristics of high transmission efficiency and good fuel economy. Under the general trend of promoting environmental protection and energy conservation, AMT is highly efficient, easy to operate and low cost, making it more in line with the development direction of automatic transmissions. Based on the analysis of shift principle and shift quality of mechanical automatic transmission (AMT), this paper puts forward the overall design of hydraulic shift execution system and divides the execution system into three modules: power source module, voltage regulator module and actuator module. . Then completed the selection of hydraulic components in the hydraulic system, such as hydraulic pumps, motors, solenoid valves, hydraulic cylinders and so on. The structural design of the AMT transmission part was completed, and the shaft, gear, synchronizer and shift fork were designed separately, and a three-dimensional model and two-dimensional drawings of some parts were established. Finally, the AMT system was simulated. Based on AMESIM simulation software, the AMT system was built, including the selected shift module, power transmission module, and vehicle module. The images of the clutch and shift cylinder were analyzed. This design drives the shifting operation by means of hydraulic pressure; the shifting operation is performed by the parallel shifting mechanism, and the shifting is performed by the synchronizer. The above work solves the problem of the AMT in the shift process, and at the same time ensures the smoothness and rapidity of the shift process, which is beneficial to the driver's shift operation and improves the driving comfort. Key Words: automatic; shift; actuator; hydraulic 目 录 第1章 绪 论 1 1.1 论文的研究背景 1 1.1.1变速器综述 1 1.1.2 AMT国内外发展情况 1 1.1.3 AMT控制方式分类 2 1.2 论文研究的目的和意义 3 1.3 论文的主要研究内容 4 第2章 机械式自动变速器的结构原理与性能指标 5 2.1 机械式自动变速器的组成 5 2.1.1被控系统单元 5 2.1.2执行机构单元 5 2.1.3电子控制器单元 5 2.1.4传感器单元 5 2.2 机械式自动变速器的工作原理 5 2.2.1 AMT控制过程 5 2.2.2 离合器自动控制 6 2.2.3 变速器换挡的自动控制 6 2.2.4 发动机转矩的自动控制 7 2.2.5 TCU的控制 7 2.3 机械式自动变速器的控制方法介绍 7 2.4 AMT的性能指标 8 2.4.1 换挡品质 8 2.4.2 换挡时间 9 2.4.3 换挡冲击源 10 第3章 AMT液压换挡执行系统参数设计 12 3.1 选换挡执行机构设计 12 3.1.1 换挡执行机构类型 12 3.1.2 换挡执行机构设计要求 12 3.1.3 换挡执行机构换挡力分析 13 3.2 液压系统设计 14 3.2.1 液压传动工作特点及组成介绍 14 3.2.2 AMT换挡执行器方案设计 14 3.3 液压系统部件设计和选型 16 3.3.1 液压缸 16 3.3.2 液压泵 16 3.3.3 驱动电机 17 3.3.4溢流阀 17 第4章 变速器机械传动机构设计 19 4.1传动机构方案 19 4.1.1倒挡布置方案 19 4.1.2四挡变速器结构方案 19 4.2 传动比、中心距尺寸确定 20 4.2.1 数据准备 20 4.2.2 档数和传动比 21 4.2.3 中心距 21 4.3 各档齿轮的设计计算 21 4.3.1 齿轮模数 21 4.3.2 压力角、螺旋角 22 4.3.3 齿宽 22 4.3.4 各档齿轮齿数的确定 22 4.3.5 各档齿轮的强度校核和材料选择 23 4.4 轴的设计 25 4.4.1 轴的结构 25 4.4.2 初选轴的直径 26 4.4.3 轴的强度校核 27 4.5 同步器的设计 28 4.5.1 同步器的结构设计 28 4.5.2 锁环式同步器的工作原理 29 4.5.3 同步环主要参数的确定 30 第5 章 基于AMESim的AMT的建模与仿真 31 5.1 AMESim软件介绍 31 5.2 基于AMESim的AMT模型的建立 31 5.2.1 换挡执行机构模块建立 32 5.2.2 传动机构模块建立 34 5.2.3 整车模块建立 36 5.3 仿真图像及结果 38 5.3.1 换挡力和换挡油缸行程分析 38 5.3.2 离合器接合过程分析 38 第6章 总结与展望 40 参考文献 41 致 谢 44

第1章 绪 论

1.1 论文的研究背景

1.1.1变速器综述 一般而言,变速器是汽车不可缺少的一个构成部分,它对车辆的行驶效率,和驾驶的难易程度都有影响[1]。传统的机械式变速器(MT)虽然结构简单,成本低,传动效率高,但是对驾驶技术要求较高。尤其在行人多的市区运行时,驾驶员的驾驶强度大,容易疲惫,甚至有时会造成危险。而配置了自动变速器的车型使用安全,操作简单,受到广大客户的青睐。所以自动变速器的应用越来越广。 目前国内外乘用车使用最广泛的自动变速器的是液力自动变速器(AT)[1]。AT靠液力变矩器来实现自动平滑换挡,液力变矩器通过液体的流动,把来自发动机的扭矩提高后传递给齿轮系统,同时液压控制系统根据驾驶需要来操控齿轮系统,使其得到相应的旋转方向和传动比,执行升档、降档。所以AT具有较高的安全性,操作性,舒适性,但AT存在平均传动效率较低,油耗高的问题。此外,它价格高,重量重,结构复杂,维护困难。所以随着汽车工业的不断发展,涌现出许多新型变速器,如:无极变速器(CVT),双离合变速器(DCT),机械式自动变速器(AMT)[2]。 CVT可以连续不分级地改变变速器输入轮和输出轮的相对半径,以此实现无极调速。因此,无论车速是否相同,它可以由无极调速使发动机一直在最佳油耗区工作,提高发动机的工作效率,所以CVT是提高汽车燃油经济性的最理想装置,但CVT大多是用钢带传动,但是钢带易打滑,效率低,使用寿命不理想。 DCT是齿轮传动,传动效率较高,它由两个离合器组成,当一个档位开始退掉时,另一个档位开始进入。所以在两档切换过程中,可以做到动力不中断。这也是DCT的最大优点。但也由于两个离合器组成,所以它系统复杂,所占空间较大,成本较高。 AMT是在保持传统机械式手动变速器(MT)基本构造的前提下,增加了电子控制的自动执行机构单元,代替了原来人工操作的离合器分离与接合、选挂档以及发动机转速和转矩的调节等操作过程,实现了换挡过程的自动化,极大方便了驾驶人[3]。在国家提倡环保和节能的大趋势下,AMT高效率,操作方便和低成本,使其更符合自动变速器的发展方向。 1.1.2 AMT国内外发展情况 AMT控制技术的发展走过了半自动化阶段,自动化阶段和智能化阶段[4]。半自动化阶段始于20世纪70年代。它侧重于车辆换挡选档的自动化,并未研究离合器自动化。 AMT在半自动化阶段主要代表有德国的Semishift系统、瑞典的AG系统、美国的SAMT系统和德国的EPS系统。自动化阶段始于20世纪80年代,实现了控制系统的电控液压控制,逐步实现了产品化。例如,Eaton公司将重型卡车的手动变速箱改造成可自动换档的SAMT变速箱;日野汽车在巴士上配备了具有自动控制功能的EE传输系统。智能阶段近年来才开始。其特点是操作更方便,参数匹配更完善,控制策略更优化。在智能化阶段,AMT完成商业化,带来庞大的经济效益。例如奔驰Sprint公司的商用车Sprint Shift机械式自动变速器受到了用户的广泛欢迎,充分展现了自动变速器的便利性。欧洲汽车制造商已将变速箱执行器重新配置为内置结构,并推出了AS Tronic2,大大节省了变速箱空间。 国内AMT的研究工作起步较晚,至今已有20年历史,主要集中在大学和商用车制造公司。例如,吉林创造性地提出了基于各种驾驶条件的动态三参数换档规则(即,车辆速度,加速度和油门开度)和智能控制换档规程。这些结果适用于越野车辆并取得了良好的验证结果。南昌江铃汽车集团在江西省研究的AMT变速器JE520AMT和JE538AMT两大系列产品开发并应用于MPV,SUV和轻型卡车,实现动力,经济性和舒适性的最佳控制,深受消费者欢迎。 当然,以传统AT机械机构为原型的AMT系统都配有离合器。使用离合器的AMT 与AT一样,一般是断开动力源后换挡,换挡的品质和平顺性难以和AT 比肩。在实际换挡过程中,还是存在一个时刻,及原先的档位已退掉,而新的档位还没啮合上,即这瞬间存在动力中断问题。另外,在脱开原档位前降低发动机转矩和接合新档位后恢复转矩的两个过程,对输出到车轮的动力还是有很大的影响。 1.1.3 AMT控制方式分类 根据AMT选换挡和离合器的操纵方式的不同可分为气压驱动式和电动机驱动式、液压驱动式三种[5]。 液压驱动式执行机构应用较广泛。其操作模式是ECU和TCU先发出控制指令,然后该指令传递给液压泵驱动,最后选定的换挡机构和离合器执行机构在液压油的驱动下换挡过程[6]。该技术相对比较成熟,具有操作简便,易于保护,起步换挡品质好的特点。但液压系统受外界温度影响较大,而一旦出现密封元件问题,就会导致液压油的泄漏,影响到整个变速箱正常运行。 电控变速驱动器的驱动力直接来源于电动机。 换挡执行机构具有结构相对简单,重量轻,环境适应性好的特点。 同时,由于液压执行机构被更容易控制且精度更高的马达代替,因此系统的操作误差减小,并且控制方法也简单[7]。缺点是这种变速器的种类较少,应用范围相对有限,电动机的可靠性不太高。该技术目前尚处于起步阶段,从发展前景讲,只要电动机可靠性问题得到解决,电动执行机构的AMT就会获得巨大的发展空间。    
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