电控机械式自动变速器液压换挡执行机构设计.pdf

2 0 1 4年 9月 第 4 2卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I C S S e p ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 7 ． 0 3 2 电控机械式 自动变速器液压换挡执行机构设计 郭朋彦 ，夏斌 ，张宁 ，石学坤 ，冯金泉 1 ．华北水利水 电大学机械 学院，河南郑州 4 5 0 0 1 1 ； 2 ．河南农业大学信 息与管理科 学学院 ，河南郑州 4 5 0 0 0 2 摘要在电控机械式 自动变速器的设计中，换挡执行机构的设计是重点和难点 ，其性能的优劣，将直接影响整车的平 顺性 、舒适性和安全性。以某 5挡手动变速箱为基础，根据换挡执行机构的设计要求 ，开发设计了一款电控液压式换挡执 行机构。对液压系统进行了分析 ，设计了该换挡执行机构的液压系统 ，并对液压系统的主要元件进行了计算和选型；根据 该换挡执行机构、液压原理图和选换挡液压缸分析了该换挡执行机构的工作过程 ；实际制作了该选换挡执行机构，并对对 应的5挡 MT变速器进行了 A M T改造。试验表明该选换挡执行机构能够实现该 5挡变速箱的选挡和换挡，并且结构简 单 、定位准确、反应灵敏 ，换挡品质安全可靠，具有较好的推广应用价值。 关键词A MT变速箱 ；液压换挡执行机构；液压系统；液压缸 中图分类号 U 4 6 3 ． 2 1 2 文 献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 De s i g n o n Hy dr a ul i c S hi f t Ac t u a t o r o f Aut o ma t i c M e c ha ni c a l Tr a n s mi s s i o n GU0 Pe ng y a n。 ，X I A Bi n ，Z HANG Ni n g ，S HI Xu e k u n ，F E NG J i n q u a n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r ， Zh e n g z h o u He n a n 4 5 0 0 1 1．Ch i n a ． 2 ．Co l l e g e o f I n f o r ma t i o n a nd Ma n a g e me n t S c i e n c e，He na n Ag r i c u l t u r a l Uni v e r s i t y，Z h e n g z ho u H e n a n 4 5 0 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h e d e s i g n o f h y d r a u l i c s h i ft a c t u a t o r i s e mp h a s i s a n d d i ffic u l t y o f a u t o m a t i c 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 ， a n d t h e p e r f o r ma n c e o f h y d r a u l i c s h i ft a c t u a t o r d i r e c t l y a f f e c t s t h e r i d e p e rf o r ma n c e ，c o mf o r t a n d s afe t y o f a u t o mo b i l e s ．Ba s e d o n a fi v e s p e e d ma n u a l t r a n s mi s s i o n，a h y d r a u l i c s h i ft a c t u a t o r wa s d e s i g n e d ．T h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e s h i ft a c t u a t o r w a s d e s i g n e d，t h e ma i n h y d r a u l i c c o mp o n e n t s we r e s e l e c t e d a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n c a l c u l a t i o n，a n d t h e w o r k p r o c e s s o f t h e s h i ft a c t u a t o r w a s d e s c r i b e d i n d e t a i l ．T h e s h i ft a c t u a t o r w a s p r a c t i c a l l y m a n u f a c t u r e d ， a n d t h e 5 - s p e e d m a n u M g e a r b o x MT w a s t r a n s f o r m e d i n t o A MT ．T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h i s h y d r a u l i c s h i ft a c t u a t o r c a n c o mp l e t e c h o o s i n g a n d c h a n g i n g g e a r g e n t l y o f t h e fi v e - s p e e d g e a r b o x ，a n d t h i s s t r u c t u r e i s s i mp l e，a c c u r a t e p o s i t i o n i n g ，s e n s i t i v e r e s p o n d ，a n d i t s s h i ft q u ali t y i s s a f e a n d r e l i a b l e ． T h i s s h i ft a c t u a t o r w i l l b e wo r t h a p p l i c a t i o n a nd di s s e mi n a t i o n． Ke ywo r dsAMT；Hy d r a u l i c s h i ft a c t ua t o r ；Hy d r a u l i c s y s t e m ；Hy d r a u l i c c y l i n de r 0前 言 电控机械式 自动变速箱 A M T 是在不改变手 动机械式变速箱 M T 机械传动机构的基础上，通 过 应用电子技术 、现代控制理论 和液压技术 ，以微处 理器为核心，加装控制系统 ，取代原来由驾驶员人工 完成的离合器分离与接合、摘挡、选挡与挂挡操作 ， 最终实现换挡过程的自动化 。 。由于电控机械式 自 动变速箱对原有手动机械式变速箱的机械传动结构作 了最大 限度 的保 留，所 以其不仅具有液力 自动变速器 A T 操纵简单、驾驶舒适、平顺的优点，并且还保 留了原有手动机械变速器传动效率高、成本低 、结构 简单等优点 ；A MT通过控制 系统 的控 制单元 T C U 能够实现汽车行驶 时各种工 况 的 自动选换 挡控 制 。 换挡执行机构 的设计 是 A M T设计 的重 点和难 点 ，其 性能的好坏将直接影响整车的性能 。本文作者以某 5挡手动机械式变速箱为基础，开发设计了一款电控 收稿 日期 2 0 1 3 0 81 3 基金项目河南省教育厅科学技术研究重点项 目 1 3 A 4 6 0 6 9 3 ；河南省科技攻关项 目 1 1 2 1 0 2 2 1 0 1 0 4 ；河南省高等学校实 验教学示范中心 教高 [ 2 0 1 0 ]1 0 4 7号 一 2 5 ；地方所属高校 “ 本科教学工程”国家级大学生校外实践教育基 地建设项 目 作者简介郭朋彦 1 9 8 1 一 ，男 ，博士 ，讲师，主要从事车辆设计与汽车电子技术方面的研究。Em a i l g u o p e n g y a n l 1 6 3． c o m。 1 1 6 机床与液压 第 4 2卷 液压式换挡执行机构。 1 选换挡执行机构设计 选换挡执行 机构 有相 互 正交式 和 平行 式两 种 结 构 ，对于文中研究的5个前进挡、一个倒挡变速箱 结构而言 ，采用 相互正交式 比平行式可节省 1 个液 压 缸和 2 个二位三通电磁阀，所以，结构简单紧凑、质 量轻 。 选换挡执行机 构必须换 挡流 畅 、平 稳 、冲击小 、 定位准确 ，设计 时 ，根据选换挡过程的要求 ，必 须 确定执行机构的行程、选换挡推力、选换挡速度、油 缸内泄量。结合文中研究的变速箱，本选换挡执行机 构应满足以下要求 选挡行程 一1 0～1 0 m m；换挡行 程 一 6～ 6 m m；换挡角 一 1 0 。 ～ l 0 。 。 根据以上要求、参数和挡位示意图 如 图 1所 示 ，设计 出了满足需要 的变速箱 液压选换挡 执行机 构。在 S o l i d E d g e 中建立的液压选换挡执行机构的三 维模 型如 图 2所示 。 N1 2 N3 4 N5 R 选 挡 ．． 卜 图 1 挡位示意 图 I 一选挡液压缸 2 一 选 挡拨 块 卜 选 换挡 拨杆 4 一选 挡轴 一换 挡液 压缸 6 _ _ 换 挡轴 7 -换 挡 导 向块 图2 选换挡执行机构三维模型 换挡执行机构工作原理 选换挡拨杆 3 插在变速 箱的换挡拨叉 一 拨块槽内，通过液压缸 1 的进油或泄 油 ，推动选挡拨块 2移动 ，进而带动选换挡拨杆 3沿 着选挡轴4移动 ，来实现在三根拨叉轴的拨块槽内移 动，即实现选择挡区；使液压缸 5进油或泄油 ，推动 换 挡轴 6 在换挡导 向块 7内移动 ，进 而带动选换挡杆 3绕着选挡轴 4 旋转，来实现摘挡或挂挡。由挡位示 意图可知，选挡和换挡都需要精确定位在 3个位置， 所 以本文 选 、换挡 液压 缸均 采用 单杆 型 双作用 液 压 缸 ，分别 由 2 个二位三通 电磁 阀控制液压缸两端油腔 的进油或泄油，精确实现活塞杆的3个位置，选挡液 压缸 1 用 于挡 区的选择 ，而换挡液压缸 5则用 于摘挡 和挂挡 。 2液压 系统设计 2 ． 1 液压 系统 原理设 计 设计 的液压 系统包括 以下三大部分 1 液压动力单元 液压动力单元包括驱动电 机 、液压 油箱 、液压油泵 、过滤器和溢流阀。该 系统 采用两个 过滤器 ，进油 回路上 的过滤器是防止液压油 箱 里的杂质进入液压系统 ，回油 回路上的过滤器 是防 止液压 系统里 的杂质进人液压油箱 ，采用两个过 滤器 达到了相互保护的作用。 2 稳压单元 稳压单元包括蓄能器、压力传 感器 、电磁 阀。蓄能器在正常工作 时将 系统中的能量 转 变为压缩能或位 能储存起 来 ；当系统压力 较低 时 ， 又将压缩能或位能转变为液压能而释放出来 ，重新补 供给系统；当系统压力瞬间增大时，吸收过高的压 力 ，以保证整个系统正常工作 。压 力传感器实时监测 系统压力 ，并传递给 T C U，在系统 的压力低 于设定值 时，T C U发出信号 ，使液压泵重新供油。 3 执行单元 执行单元包括选挡液压缸、换 挡液压缸和离合器分离液压缸。其中选挡液压缸和换 挡液压缸分别由两个两位三通电磁阀控制 ；离合器分 离液压缸 由 3 个 电磁 阀共 同控制 ，通过 3 个 电磁 阀的 组合 ，可 以实现离合 器的 “ 快一慢一快 ”结合 。 具体液压系统原理图如图 3 所示 。 1 一 液 压 油泵2 一 过滤 器3 一 溢流 阀4 、6 一 选挡 电磁 阀5 一选 挡液压缸7 、9 一换挡 电磁阀8 一换挡液压缸 l 0 、l 1 一离合器 控制阀l 2 一离合器控制油缸l 卜 离合器开关阀l 4 一总开关阀 1 5 一 蓄 能器l 6 一压 力传 感 器l 7 一 驱 动 电机 图3 液压系统原理图 2 ． 2液压 缸 的设 计 2 ． 2 ． 1 液压缸 的结构设计 液压缸是 A M T液压执行机构的重要执行部件， 第 l 7期 郭朋彦 等 电控机械式 自动 变速器液压换 挡执行机构设计 1 1 7 其性能直接影 响着 液压选换挡执行 机构的整体性 能 。所设计 的选挡液压缸 和换挡液压缸 均有 3 个位 置，其结构简单、易于加工、动作灵敏、容易控制。 由于选挡液压缸 和换挡液 压缸结 构相同 ，下面以换挡 液压缸为例 ，进行详细的说明。换挡液压缸的具体结 构如 图 4所示 。 l 一 活塞 杆2 一 缸 体3 一 村 套4 一 液 压缸 盖5 、6 一 液 压油 孔 图 4 换挡液压缸结构示意 图 由图 4可知 ，换挡液压缸缸体为两个 阶梯 ，活塞 杆是三阶梯轴，右侧缸体有一个活动衬套 ，液压缸右 腔的面积大于左腔的面积，左腔的面积大于右侧活塞 杆面积 。 换挡液压缸的工作原理是 当需要换空挡时，5 、 6两个液压油孔都进 油 ，由于右腔 的面积大 于左腔 的 面积 ，因此活塞杆会 向左移 动。当衬套运 动到液 压缸 中部与液压缸台肩右侧相接触时，衬套就被定位，不 能再 向左运动 ，此时 两边所受 的力相 等 ，活塞杆 就被 定为到 中间位置 。中间位置 到左位 时 ，只需使 液压油 孔 6回油即可 ，此时活塞杆右侧所受力 ，将会推着活 塞杆达 到左端 位 置 。如 果需 要从 左 端位 置 到 中 间位 置 ，只需液压 油孔 6进油 ，由于左 腔的面积大于右侧 活塞杆 面积 ，在压力差的作用下 ，会使活塞杆运动到 中问位置。中间位置到右位时，只需使液压油孔 5回 油即可 ，此时活塞杆左侧所受力，将会推着活塞杆达 到右端位 置。 2 ． 2 ． 2 液压缸 的尺寸计算 液压缸的尺寸设计 的合理与否将直接影 响执行 机 构的整体性能 。对液压缸进行受力分析 可知 要 确 定液压缸的活塞杆直径 ，需要先确定最大负载 F和 系统压 力 P ⋯。对 原有 手 动 变速 箱 进 行分 析 ，可得 出最大负载 F8 3 3 N ，初 步选 择 系 统压 力 为 P5 M P a ，机械效率 叼 0 ． 9 。 以活塞杆从油缸中间位置向油缸左端位置运动时 为例 ，对活塞杆进行受力分 析可知 1 ． F P5右 杆’ 7 1 T 杆叼 式 中 d 杆 为活塞杆右端直径 。 代入以上数据可得 d 右 杆1 5 ． 3 6 m m，根据手册 取整 d 右 杆1 6 m m。 由活塞杆各个面积之间的关系，经过计算 ，可选 择右腔 内径 D 2 0 m m，左腔 内径 D 左1 8 m m，左 端活塞杆直径 D 左 杆1 0 m m，衬 套外 径 D 外2 0 m m， 内径 D 1 6 m m。 2 ． 3液 压元 件 的选 型 2 ． 3 ． 1 液压 泵的选 型 1 确定液压泵 的最大流量 q q b ≥ Kq b ⋯ 式 中K为 系统泄漏 系数 ，一般取 1 ． 1 ～1 ． 3 ，小流量 取大值 ，在此取 K1 ． 3 ； q b m a 为执行 元 件需要 的最 大流量 ，L ／ m i n ；可 按 下式计算 gb ⋯ 一 7 7 v 式 中S为液压缸 的大腔截 面积 ； 为液压缸容积效率 ，在此取 0 ． 9 0 ； 为活塞快进时 的速度 ，m ／ s 。 经计算可得 q b m 2 ． 7 I fmi n，q b I3 ． 5 1 L ／rai n。 2 计算液压泵的最大工作压力 P P P ∑卸 ． 式 中 P ． 为执行元件人 口处最大工作压力 ； ∑却； 为主回 路压力损失之和， 可取∑△ p 0 ． 2 ～0 ． 5 M P a ， 在此取 0 ． 5 MP a。 经计算 可得 P 5 ． 5 M P a 。 3 液压泵 的选型 由上述可知 P b 5 ～ M P a ，q b 3 ． 5 1 L ／ m i n 。液 压泵的额定压力要大于计算值的 2 5 ％ ～ 6 0 ％，使泵 的工作 压力有一定 的储备 。对 于 中低 压 ，可取 大值 ； 对于高压系统，可取小值。查液压元件手册，可选取 齿轮泵 C B N ． E 3 0 4 ，额 定压力 为 1 6 M P a ，最高压力为 2 0 M P a ，排量 为 4 m L ／ r ，额 定 转 速 为 2 0 0 0 r ／ m i n ， 最高转速为 3 0 0 0 r ／ m i n 。 2 ． 3 ． 2 驱动 电机 的选 型 驱动 电机的功率 ，由选型液压泵的转速 、排 量和 额定压力计算而得 ，电动机功率 P 可按下式计 算 。 P一 一 M 叩b 叼电 式 中 P 额为液压泵的额定 压力 ； q 额为液压泵的额定 流量 ； 叼 为液压油泵 的总效率 ，取 0 ． 8 ； 1 l 8 机床与液压 第 4 2卷 7 7 自为电动机效率，取 电 0 ． 8 。 通过计算，可以得出电动机功率P 2 0 0 w。查 手册选用功率为 4 0 0 w ，转 速为 2 8 0 0 r ／ ra i n的 D O L 一 6 3 3 2型 电机 。 2 ． 3 ． 3 溢流 阀选型计算 根据溢流阀结构类型，溢流阀可以分为直动式溢 流 阀和先导式 溢 流 阀 ，由于换 挡液 压 系统流 量较 小 ，所以选用直动式溢流阀，通过调节弹簧的压缩量 来改变 阀 口的过流面积和系统的溢流量 ，起 到稳压作 用。液压力与弹簧力的平衡关系式为 p A k 0 F F b F f 式 中 P为系统压力 ； A为溢 流阀阀芯 的有效承压 面积 ； k 为 弹簧 的刚度 ； ‰为弹簧的预压缩量 ； 为 阀的开 口量 ； F 为阀芯 自重； F 为稳态液压力 ； 为摩擦力 。 溢流阀主要根据最大工作压力和最大流量来进行 选择 ，可根据前文计算 的 P 5 ． 5 M P a ，q 3 ． 5 1 L ／ ra i n ，查液压元件手 册 ，可 以选 择溢 流 阀 型号为 Y F L 1 0 H1 ，调压范 围为 0 ． 6～ 8 M P a 。 3选换挡过程分析 结合选换挡执行机构三维模型 图 2 、液压系 统原理 图 图 3 及液压 缸结构 图 图 4 ，举 例分 析选换挡 过程 的实现 。 以 4挡换 5挡为 例详 细 阐述 选换 挡 过程 1 利用液压系统回路中的离合器控制阀 1 3来使离合器 快速分离 ，同时通过发动机 E C U减小发动机供油量； 2 T C U控 制液压 系统 回路 中的换 挡 电磁 阀 7 、9同 时进油，在压力差的作用下使得换挡液压缸的活塞脱 离 4挡进入空挡 N 3 4 ； 3 然后使 液压 系统 回路 中 的选挡电池阀6泄油，在压力的作用下使液压缸活塞 杆从空挡 N 3 4选到空挡 N 5 R； 4 使换挡电池阀 7 泄油并保 持换挡 电池 阀 9通油 ，活塞杆在压力作用 下 带动拨叉挂入 5挡； 5 最后通过控制液压系统 回 路中的离合器控制阀 1 0 、1 1 来实现离合器的 “ 快一 慢一快”结合 ；同时增加发动机供油量，以使车辆 能顺利进入 5 挡 ，并平稳运行。 4 结束语 在某 5挡手动机械式变速箱 的基础上 ，根据选换 挡机构的设计要求 ，设计了液压选换挡执行机构 ，并 建立 了选换挡执行机构 的三维模型 ；在对 液压 系统进 行分析的基础上，设计了换挡执行机构的液压系统 ， 并绘制了液压原理图；根据该系统的负载和选换挡行 程等参数 ，对选换挡液压缸 的结构进行了设计 ，对选 换挡液压缸参数和液压系统主要元件进行了详细的计 算，并对主要元件进行了选型；并在此基础上，以4 挡到5挡为例，对选换挡过程进行了详细的分析。最 后，实际制作了该选换挡执行机构，并对对应的5挡 M T变速器进行 了 A M T改造 ，试验表 明该选换 挡执 行机构及其液压 系统 能够实现该 5挡变速箱的选挡 和 换挡 ，并且具有结构简单 、定位准确 、反 应灵敏 ，换 挡品质安全可靠 ，具有较好的推广应用价值。 参考文献 [ 1 ]何忠波， 白鸿柏． A MT技术的发展现状与展望[ J ] ． 农业 机械学报 ， 2 0 0 7 ， 3 8 5 1 8 11 8 6 ． [ 2 ]张云腾． 重型车 A M T电液换挡执行机构特性的仿真研 究[ D] ． 吉林 吉林大学 ， 2 0 1 2 ． [ 3 ]张彦会， 谭或， 李建平， 等． 自动变速器电液控制系统设 计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 9 2 2 2 2 2 3 ． [ 4 ]黄英， 万国强， 崔涛， 等． A MT换挡过程发动机控制策略 研究 [ J ] ． 2 0 1 2 ， 3 4 3 2 4 5 2 4 8 ． [ 5 ]杨小辉， 徐颖强 ， 李世杰． 载重汽车 A M T气压换挡执行 机构设计与动态分析 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0， 3 8 3 646 6． [ 6 ]张辉， 刘振军， 秦大同． 重型汽车 A 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