AMT变速器操纵机构的设计毕业设计.docx
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AMT变速器操纵机构的设计毕业设计
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AMT变速器操纵机构的设计
摘要：
AMT是一种经济型的自动变速器，在汽车上具有广阔的应用空间。
它是在手动机械式变速器的基础上增加自动变速操纵系统组成的，它既保持了手动机械式变速器的优点，又具备自动变速器自动换档的功能。
AMT非常适合中国汽车工业的现状，国内汽车采用AMT自动变速技术可以保留原有的手动变速器生产线，也就大大节省用于重建专业生产线及设备的投资，具有重要的现实意义。
在AMT的设计开发中，离合器操纵机构和选换档操纵机构的设计及优化是AMT设计的重点和难点，它们直接影响到AMT系统的性能。
本文介绍了AMT的基本组成、结构和工作原理，并对其自动控制过程中的关键技术——离合器的结合控制规律和变速器的换档控制规律进行了分析，在此基础上，针对某型号的5档手动机械式变速器，设计开发了离合器自动操纵机构和选换档操纵机构。
关键词：
AMT；液压操纵机构；电控；设计
THEDESIGNOFOPERATINGMECHANISMFORAMT
LIShuiyong
CollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China
Abstract：
AMTisaneconomicalautomatictransmission.Thereforeithasextensiveapplicationspaceinthemotorvehicle.AMTconsistsofincreasingautomatictransmissioncontrolsystembasedonmechanicaltransmission.Ithastheadvantagesofmanualmechanicaltransmissionandtheshiftfunctionofautomatictransmissionautomatic.AMTisverysuitableforautomotiveindustryrealityinchina.ThedevelopmentandproductionofAMTmayretainpreviousproductlineofmanualtransmissionandgreatlysavetheinvestmentforreconstructionofprofessionalproductionlineandequipment,soithasimportantrealitymeaning.
DuringthedesignanddevelopmentofAMT,designandoptimizationofselection-shiftactuatorisoneofkeyandspecialdifficultiesforAMTdesign.TheperformancewillhavedirecteffectonthewholeperformanceofAMTsystem.Thisdissertationintroducesthebasiccomposition,structureandworkingprincipleofAMTanddiscusseskeytechnologyinthecontrolprocessontheAMT-thecombinationofclutchandtransmissionshiftcontrollaw.Onthisbasis,Idesignanddevelopautomaticcontrolsandshifttheclutchactuatorforakindof5-speedmanualtransmission.
KeyWords：
AMT;Hydraulicoperatingmechanism;Electroniccontrol;Design
0文献综述
车辆的自动变速技术是优化车辆性能和完善传动系统的一个重要方向，是目前开发与推广的核心技术之一。
从1939年美国通用汽车公司率先将自动变速器应用在Oldsmobile轿车上开始，自动变速技术得到了快速的发展。
近代微电子技术在车辆上的应用，更使得自动变速技术在车辆上的应用越来越广泛。
0.1自动变速器的类型
目前使用的汽车自动变速器主要有3种形式[1]：
液力机械式（ATAutomaticTransmission）；机械式（AMTAutomatedMechanicalTransmission）；无级式（CVTContinuouslyVariableTransmission）。
其中无级式又可分为机械式、静压式和电力式。
AT传动系统目前占据着自动变速系统的主导地位，它是指液力变矩器和行星齿轮变速器组成的自动变速系统，这种变速系统诞生于20世纪30年代，经过70年多的发展，其技术已十分成熟，在美国和日本有着较高的市场占有率。
AT传动系统简化了操纵，提高了舒适性和车辆平均速度以及行驶安全性和通过性，但是，它存在传动效率低、结构复杂、制造困难、成本高等缺点。
通过传动比的连续变化，无级式自动变速器CVT可以使车辆外界行驶条件和发动机负载实现最佳匹配，使此时的发动机在高效区运转，燃烧完全，排放减少，噪音降低，从而充分发挥了发动机的潜力，使汽车有良好的动力经济性。
但无级自动变速器传动效率低，起动性能差，价格昂贵，难以制造，设备更换量大，只有在特别高级的轿车上使用。
在上述缺点解决之前，其推广价值大打折扣。
提到AMT传动系统，必须先了解手动变速器（MTManualTransmission）。
MT由变速传动机构和操纵机构组成。
变速传动机构依靠不同齿轮间的啮合来改变传动比。
按变速器传动齿轮轴的数目，MT可分为两轴式变速器和三轴式变速器。
在MT传动系统基础上增加自动变速操纵系统，就可以组成AMT。
AMT具有手动机械变速器传动效率高、成本低、易于制造等优点，同时又具备自动变速器自动换档的功能。
0.2AMT的发展过程
早在二十世纪六七十年代欧洲一些手动变速器生产厂家就已开始离合器自动化的研究，通过全机械或液压控制实现离合器的自动化，这应该算是AMT最早的雏形。
在近50年的时间里，AMT的发展大致为两个阶段[2]：
单独控制阶段和整体控制阶段。
单独控制指AMT的控制对象只包括选换档机构、离合器、油门机构，其控制的策略只是实现起步、换档时的人工操纵的自动化；整体控制不仅实现人工操纵的自动化，而是对整个传动系统进行控制，以提高传动系统的性能和智能。
AMT的单独控制又经历了三个阶段。
第一阶段是半自动AMT的发展与成熟阶段。
20世纪70年代中期，AMT的研究方向是半自动辅助换档系统。
车辆的换档时刻由驾驶员决定，由电子控制系统完成换档操作的功能。
瑞典Scania的CAG系统、德国DamlerBenz的EPS系统采用的都是半自动AMT。
同一时期，白俄罗斯工学院采用2参数换档规律由控制系统完成选档和换档时机的确定及其执行。
第二阶段是全自动的AMT发展。
从1981年底，五十铃公司和富士公司开始开发，于1984年秋在世界上最先研制成功电子控制机械式有级全自动变速器NAVI-5装于轿车投放市场，该车已经能够实现车辆的起步、换档自动控制。
同期，日本的Nissan、德国的ZF等公司都对全自动AMT进行了研究开发，研究的重点是离合器的起步控制、换档操纵规律，使全自动进入了实用阶段。
第三阶段是智能化的研究。
由于离合器的起步控制和换档操纵规律与外界道路环境情况、人的主观驾驶意图、车辆的运行状态密切相关，一般的控制策略易造成离合器的过快磨损、弯道意外换档等不良现象。
故采用模糊控制策略、神经网络控制策略等智能控制方法，以提高传动系统的智能。
图0.1为采埃孚公司设计制造的AMT自动变速器。
AMT的整体控制是在微电子技术在车辆上广泛采用的基础上产生的，是将AMT的控制同发动机、ABS、ASR、ACCS（AutonomousCruiseControlSystem）的控制相结合，实现动力传动系统一体化控制，提高传动系统的性能，优化控制效果。
美国伊顿公司的最新产品Autoshift涵盖了6、7、10、18档变速器，与电控发动机相匹配，换档操作过程无需分离离合器，通过控制发动机及变速器内的制动装置对发动机转速进行调节，使换档主从件实现同步，完成换档操作。
由于采用AMT的车辆存在换档期间中断动力的缺点，为了扩大应用范围，AMT在以下方面做了改进：
AMT集成化，除控制器在外通过电线相连外，所有操纵执行元件都与变速器集成一体；进一步提高AMT的传动效率，降低油耗，变速器设计上尽量减少齿轮啮合对数，尽量采用直接档；采用双离合器，实现换档过程不切断动力。
另外，将AMT与轮边电动机/发电机相结合，形成混合动力传动，换档期间电动机驱动车辆，车辆制动时发电机将机械能转换成电能储存起来，这种混合驱动方式可能是AMT技术发展的趋势。
图0.1采埃孚公司的AMT自动变速器
Fig0.1AutomatedMechanicalTransmissionOfZF
0.3AMT的优点和缺点
AMT是在手动机械式变速器基础上增加自动变速操纵系统组成的，它既保持了手动机械式变速器的优点，又具备自动变速器自动换档的功能。
正因为AMT的诸多优点，F1赛场已经完全是AMT的天下。
目前，马瑞利公司是法拉利、雷诺和红牛等车队的供应商，几乎所有的F1赛车和豪华跑车都装载了AMT技术。
0.3.1AMT的优点
与MT相比，AMT由ECU控制自动换档，换档过程准确，换档冲击较小，燃油经济性较好，可以提高机件（发动机、离合器、变速器等）的寿命，防护滥用离合器。
更重要的是可以大大降低驾驶员的工作强度，减轻驾驶员的疲劳程度，提升运输效率，有效的避免交通事故的发生。
如表0.1所示。
表0.1MT与AMT的性能比较
Tab0.1PerformanceComparisonOfMTandAMT
参数
MT
AMT
传动效率
高
与MT同
燃油经济性
不同车参数不一
比MT高
加速性能
不同车参数不一
与MT同
换档品质
因驾驶员而异
优于优秀驾驶员
舒适性
差
良好
驾驶难度
困难
容易
成本
低
较小
制造难度
小
较小
技术成熟性
成熟
国外有成熟商品
生产继承性
好
好
维修
简单
较简单
表0.2其他形式自动变速器与AMT的性能比较
Tab0.2PerformanceComparisonOfAT、CVTandAMT
项目
AT
CVT
AMT
驾驶性
佳
特佳
中佳
可靠性
佳
中
佳
输入扭力容量
大
小
大
传动效率
大约85%
约90%
93%
基本前进档数
4档
无级
5档
机械结构
高
中高（但不适合后轮传动）
中
油压系统
高
中高
中
控制系统
中高
高
高
产品进入市场时间
1930年
1980年
1990年
开发费用（以AT为1）
1
1
0.7
生产成本（以AT为1）
1
1
0.7
与AT相比，AMT的传动效率高，排放减少，重量轻，尺寸较小，维修简单。
相对于AT和CVT而言，AMT是在普通机械变速器（MT）上进行改造而成的，它保留了绝大部分原来的总成部件，仅改变其中手动换档操纵部分，其生产制造继承性好，改造投入费用少，通用性好。
如表0.2所示。
0.3.2AMT的缺点
AMT换档过程不可避免地存在动力中断，只有在一个结合元件分离后，另一个结合元件才能结合，无法实现结合元件的搭接控制。
因此不可避免地存在换档功率损失，并且换档和起步必然不够平稳，冲击较大，换档舒适性受到影响。
另外，AMT控制环节比AT多，难实现精确控制，控制性能较差。
0.4AMT在我国的研究现状和应用前景
我国对AMT技术的研究工作开展较晚，国内的研制水平基本上处于单独控制的第二阶段，和国外相比还存在着相当大的差距，但在理论上的研究和国际水平相当。
吉林工业大学对AMT理论进行了广泛的研究，先后提出了2参数最佳换档规律、动态3参数换档规律、最佳同步换档规律、动态闭环换档控制、离合器模糊起步控制等理论，并在轻型车、重型车、轿车等不同的车型上进行了装车实验。
深圳市欣源晨实业有限公司在轿车上实现了AMT自动换档，其执行机构为普通电机，由3个电机分别实现油门、离合器、选档、换档的操作动作，通过对传动机构的设计，选档和换档的操作只需一个电机就可完成，离合器的驱动机构采用省力装置，减小了驱动电机的功率。
2008年12月19日，装配由中国重汽与威伯科（WABCO）公司合作开发的“SMARTSHIFT-AMT”变速器（智能换档手自一体变速器）的HOWOA7重卡在济南上市，揭开了中国商用车AMT产业化的序幕。
2009年12月2日，五款搭载AMT的奇瑞QQ新车在北京亮相。
结合我国国情，推广AMT市场发展潜力巨大。
预计2012年，我国中重载货车装有自动变速器的比例可能会达到10%左右，将为AMT技术的发展提供了足够的空间；对于城市公交客车，在满足驾驶舒适简便和低成本的双重条件下，AMT应是其首选对象[3]；AMT具有最佳的性价比，是中低档轿车最好的选择。
综上所述，在国内自主生产的大客车、载货车辆和轿车等车辆上采用AMT技术，实现车辆的自动换档，具有广阔的前景。
1引言
1.1AMT系统的基本组成和工作原理
AMT是在传统的固定轴式变速器和干式离合器的基础上，应用微电子驾驶和控制理论，以电子控制器（ECU）为核心，通过电动、液压或气动执行机构对选换档机构、离合器、油门进行操纵，来实现起步和换档的自动操作。
一般来说，AMT系统由下列四大部分组成[4]：
被控制对象、电子控制器、传感器、执行机构。
图1.1为AMT系统的组成结构图。
具体来说，AMT由以下部分组成：
（1）被控制对象
AMT系统要实现其功能，并不是孤立的、单纯控制变速器就能实现的，需要对变速器、离合器、发动机进行综合的控制，才能达到自动控制的目的，实现自动变速的效果。
因此被控制对象包含变速器、离合器、发动机。
（2）电子控制器
电子控制器接受换档范围及换档规律选择机构和控制参数信号发生器传来的信号，进行比较和处理，并按照预定的换档规律选择档位和换档时刻，同时发出相应的换档指令令换档执行机构进行换档。
它是系统的核心部分，主要包括各信号处理单元、CPU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
传感器为换档控制器提供控制参数信号。
常用传感器有速度传感器（包括发动机转速、输入轴转速、车速传感器）、温度传感器、压力传感器、位移传感器、档位传感器、加速度传感器等；对三参数换档控制规律，通常采用节气门电位计、霍尔转速传感器和加速度传感器。
（4）执行机构
执行机构接受换档控制器的指令，完成变速器中档位的变换。
包括离合器执行机构和换档执行机构两部分。
执行机构主要是指高速电磁阀、液压缸、油泵、步进电机、继电器等。
执行机构主要由节气门开度自动调节执行机构、离合器自动执行机构、选换档自动执行机构、坡道启动辅助装置等组成。
图1.1AMT系统的组成结构图
Fig1.1TheStructureOfAMTSystem
AMT的基本控制原理是：
ECU根据驾驶员的操纵（对油门踏板、制动踏板、转向盘、选档器的操纵）和车辆的运行状态（车速、发动机转速、节气门开度、变速器输入轴转速），综合判断、确定驾驶员的意图以及路面情况，采用相应的控制规律，发出控制指令，借助于相应的执行机构，对车辆的动力传动系统进行联合操纵。
1.2开发AMT系统的性能要求
根据实际的车况、路况以及驾驶员的意图来给出最佳的档位、完成车辆的起步和完成换档过程的自动控制是自动变速器应实现的基本功能。
为了高质量地完成这些功能，使其在使用中更加方便可靠，AMT应达到以下性能要求：
（1）系统的工作性能可靠
采用AMT将手动排档转变成自动排档后，要真正做到提高行车安全性、减轻司机劳动强度。
在电子控制单元ECU的设计中，应该照顾各种安全操作上的问题。
为了加强系统的可靠性，可在内部设置多重检测系统，通过声、光报警等方式随时监测工作状态，另外，还可设计备份工作电路，使其在故障状态下仍能最大限度地保障车辆驾驶的安全性。
（2）应有良好的燃油经济性能，并延长车辆的使用寿命
良好的燃油经济性能是AMT设计的一个重要目标。
要将每一次的档位变更都控制在最佳工况状态，避免一切不正常的燃油消耗及机件的不合理磨损。
（3）降低排放，保护环境
在AMT系统中，离合器采用的是干式离合器，不需要高压液压油参与工作，因此与国际上流行的液力自动变速器AT相比较，优化汽车排放的状况，降低行驶噪音。
（4）结构要简单，易于安装和维修保养
在本系统中，电动机械式自动变速器由四个相对独立的执行器共同配合完成自动变速工作，分别是一个离合器执行机构、三个档位动作器。
如果需要加装此AMT系统，则不必对原车做任何结构上的改动，因而安装、维修极其简单方便。
（5）制造成本要低，生产效率高，适合中国国情
电动机械式自动变速器设计简单，机械零件不多，生产成本也很低，批量生产全套装置成本估计可控制在人民币4000元左右。
市场潜力很大，在中国乃至世界都有极高的推广应用价值。
（6）系统功能可扩展性强
要求可以在ECU控制系统中增加许多附加功能，例如加装IC片后形成操纵系统的识别与防盗，以及加入控制车速、降低驾驶风险等功能。
1.3AMT研究的重点问题
根据实际的车况、路况以及驾驶员的意图来给出最佳的档位、完成车辆的起步和完成换档过程的自动控制是自动变速器应实现的基本功能。
为了高质量地完成这些功能，使其在使用中更加方便、可靠，AMT的研究问题在不断深化与扩展，己经涉及到AMT系统的在线故障诊断、电磁兼容、AMT与车辆的其他电控系统的资源信息共享等方面。
但在AMT车辆自动变速控制技术中，以下几个问题应该是研究的根本和关键：
（1）车辆档位决策和控制
档位决策就是根据车辆运行情况、道路情况和驾驶员意图，按照某些目标（如经济性、动力性）最优的原则确定车辆变速器当前应该所处的档位，并通过选换档执行机构控制变换器进行换档。
从全机械式的机械档位调节装置，到基于微处理器的电控自动变速器，最佳档位的的决策方法一直在不断发展。
归纳起来，档位决策方法可分为以下两种：
第一种是基于理论求解方法，在选定一定的换档控制参数后，按照指标最优原则求出换档规律，即通过采用两参数（车速、油门）或三参数（车速、加速度、油门）基于车辆燃料经济性或行驶动力性最优性能指标的要求所形成的、通过较完整的理论与求解步骤获得的换档规律，按照这个规律换档就可以使车辆燃料经济性能或动力性能最佳。
但在实际当中，当车辆的运行情况与理论求解条件不一致时，这种规律给出的档位却是不能令人满意的。
集中表现为：
在起伏路面行驶时换档频繁、与驾驶员的操作不协调等。
第二种是基于专家系统的换档规律，即利用优秀驾驶员的经验和其他专家的知识所进行的档位决策，力争使得自动变速器的档位选择与人的操作过程相似。
如HiroshiYamaguchi根据试验结果分析和人工经验，采用车速、节气门开度、发动机转度和档位为控制参数，归纳出控制规则，模仿熟练司机驾车中相应操纵以改善自动变速器的性能。
实验表明，采用这种模糊控制的自动变速器的车辆，在野外无论是上坡还是下坡，换档的频率明显减少。
（2）离合器接合控制
离合器接合控制就是根据车辆状况、路况和驾驶员的意图获得离合器接合规律，并由控制执行机构按照此规律进行离合器接合控制。
发动机特性是其性能指标随运行工况的变化关系，发动机的工作过程是一个较复杂的过程，发动机模型一般都是在发动机稳态实验数据的基础上，采用拟合公式来描述。
离合器起步和换档过程中要保证其快速分离、平稳接合。
分离、结合过程中需要和发动机油门开度协调配合，同时离合器模型存在着非线性、时变、滞后等问题，离合器起步控制问题成为AMT技术的关键。
换档过程中，离合器要自动分离和接合，最主要的还是接合速度控制问题。
接合过快会造成严重冲击，影响乘坐舒适性和传动系寿命，甚至造成发动机熄火；接合过慢，导致离合器滑磨时间过长，温度急剧上升，会加速摩擦副的磨损，也影响车辆的动力性，这些使离合器控制问题复杂化。
1.4本论文的主要内容
本文对AMT的基本组成、结构和工作原理进行了介绍，并对其自动控制过程中的关键技术——离合器的结合控制规律和变速器的换档控制规律进行了分析，在此基础上，针对某型号的5档手动变速器，设计开发了离合器自动操纵机构和换档操纵机构。
2AMT操纵机构的基本结构
2.1AMT操纵系统的组成
AMT换档操纵系统包括离合器分离、接合机构，换档执行机构。
对于电控液压驱动的换档操纵机构来说，还要有控制整个机构的液压动力源。
操纵系统中还必须有供驾驶员选择换档操作模式的选择器，以便按负载与路况选择相应的经济性或动力性等换档模式，以及使离合器平稳接合的控制规律，为驾驶员提供干预自动换档系统的可能性。
自动换档系统换档规律选择及离合器接合控制是根据控制参数变化来实现的，因此必须有反映该参数的信号采集系统，包括转速、位移、压力等各类传感器，将各种参数的变化情况传送到电子控制单元，以实现换档过
程。
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