【正文】 ......... 41 2021 屆機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒論 自從 德國 工程師 卡爾 奔馳 （ KralBenz） 發(fā)明汽車開始，在人類的不斷追求汽車先進性能和功能下，汽車技術(shù)不斷向前發(fā)展著。進入 80 年代以后，隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的使用和普及，先進電子技術(shù)在汽車上的使用極大地提高了汽車的動力性、經(jīng)濟性、舒適性和方便性，因而在汽車上得到了日益廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在的汽車正 在逐步電子化、自動化。汽車變速器的作用是傳遞動力，并在動力的傳遞過程中改變傳動比，以調(diào)節(jié)或變換發(fā)動機的特性，同時通過變速來適應(yīng)不同的駕駛要求。汽車變速系統(tǒng)整體上是由手動換檔向自動換檔變速發(fā)展，尤其是高速發(fā)展的計算機技術(shù)應(yīng)用于換檔變速系統(tǒng)，使汽車自動變速技術(shù)得到了充分的發(fā)展，其理論與設(shè)計水平也達到了相對的完善。 采用自動變速器，實現(xiàn)自動換擋，不但可以使汽車的駕駛變得更簡單、省力，而且可以有效的提高汽車的舒適性、安全性并降低排放，因而長期以來，這一直是人們努力的目標。隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，電控自動變速器的性能 不斷完善，價格不斷降低，在汽車上的應(yīng)用日益廣泛?，F(xiàn)在，城市客車和公共汽車上自動變速器的裝車率，美國是 100%，歐洲發(fā)達國家也在 90%以上；在轎車上，日本中高級轎車上裝用自動變速器的車輛比例超過了 80%，美國則一直在 90%以上 【 1】 。就我國汽車行業(yè)現(xiàn)狀而言，汽車廠家生產(chǎn)的轎車和客車大多數(shù)是手動操縱，與當今汽車發(fā)展潮流極不相稱。隨著人民生活水平的提高，轎車的需求量將會大幅度增加，為了滿足家庭非職業(yè)駕駛者的需求，對自動化變速車輛的需求也會有很大的提高。由于電子、計算機技術(shù)的發(fā)展，高檔轎車生產(chǎn)成本降低，轎車正以加速 的步伐進入我國普通家庭。在此情況下，立足國內(nèi)自主開發(fā)自動或半自動變速車輛都具有重大社會意義和經(jīng)濟效益。 AMT 自動變速技術(shù)的發(fā)展與趨勢 AMT 的控制原理 AMT 保持原有的機械變速器結(jié)構(gòu)不變，通過加裝微機控制的自動操縱2021 屆機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 機構(gòu)，取代原來由駕駛員人工完成的離合器分離、接合、換檔以及發(fā)動機相應(yīng)同步調(diào)節(jié)等操作，最終實現(xiàn)換檔全過程序列操縱的自動化。最為典型的 AMT 是 1984 年五十鈴公司生產(chǎn)的 NAVI5【 1】 。其基本工作原理如圖 11所示。由圖可見， AMT 由電子控制單元（ ECU）通過執(zhí)行機構(gòu)分別控制發(fā)動機、離合器和變速器。自動離合器執(zhí)行機構(gòu)、自動換檔執(zhí)行機構(gòu)和自動油門調(diào)節(jié)機構(gòu)相互獨立。 圖 11 NAVI5 的整體控制策略 【 2】 駕駛員通過加速踏板和操縱桿向電子控制單元（ ECU）傳遞控制信號；電子控制單元采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器等信號，時刻掌握著車輛的行駛狀態(tài)；電子控制單元（ ECU）根據(jù)這些信號按存儲于其中的最佳程序（最佳換檔規(guī)律、離合器最佳接合規(guī)律、發(fā)動機油門自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律等），對發(fā)動機供油、離合器的分離與接合、變速器換檔三者的動作與時序?qū)崿F(xiàn)最佳匹配，從而獲得優(yōu)良的燃油經(jīng)濟性與動力性能 以及平穩(wěn)起步與迅速換檔的能力，以達到駕駛員所期望的結(jié)果。 AMT 自動變速系統(tǒng)發(fā)展 AMT 的發(fā)展大致可分為以下三個階段 【 3】 。 （ 1） .半自動 AMT 階段，即 SAMT 階段（ 1975— 1984） 2021 屆機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 Fichtelamp。Sachs 公司的 Saxomat 便是基于這一思想的較為成熟的 AMT產(chǎn)品。該裝置利用電子技術(shù)控制干摩擦離合器，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于一個確定值時控制離合器分離；當駕駛員踩下油門時重新接合離合器。同時在換檔手柄上安裝開關(guān)傳感器，確保駕駛員換檔時分離和接合離合器。瑞典Scania 的 CAG 系統(tǒng)，德國 DaimlerBenz 公司的 EPS 系統(tǒng)，美國的 SMAT系統(tǒng)等均為這種形式 【 4】 。但由于受當時電子技術(shù)水平的限制其效果并不理想。車輛起步時易使發(fā)動機熄火和失速，仍然存在接合沖擊，分離滯后等缺陷。 （ 2） .全自動 AMT 階段（ 1984— 1990）。 從 80 年代中期開始，人們從技術(shù)角度上考慮如何實現(xiàn)對離合器的自動控制。其標志是 1984 年 ISUZU 投放于市場的 NAVAI5 電控機械式自動變速器。它采用了計算機控制系統(tǒng)微機，主要完成起步與換檔時離合器及檔位的控制。它彌補了 AT 價格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷，提供廉價的全自動變速器產(chǎn)品。 隨后日本的 Nissan、美國的 FordEaton 等公司均開展此方面的研究，其整體結(jié)構(gòu)都與 NAVAI5 相似 【 5】【 6】 。但是該時期的產(chǎn)品本身仍存在著明顯的缺點：如換檔規(guī)律仍不完善，在坡道彎道等特殊道路條件下出現(xiàn)頻繁和意外的換檔現(xiàn)象；離合器的控制也不完美，造成車輛起步與換檔時的沖擊現(xiàn)象，舒適性很差。 （ 3） .智能化 IAMT 階段（ 1990— 至今） 換檔規(guī)律和車輛起步時離合器的控制問題都受外界環(huán)境、駕駛員的主觀愿望和車輛客觀運行狀態(tài)的影響。國內(nèi)外都采用智能方法進行此方面的研究，智能化 IAMT 在復(fù)雜多變的外界條件下 使車輛的換檔和起步性能有進一步的提高。設(shè)計重量輕、體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、便于維修和拆裝的執(zhí)行機構(gòu)，實施精度高、響應(yīng)快、魯棒形強的控制策略是今后離合器自動操縱的發(fā)展方向。 自動離合器的研究與開發(fā)現(xiàn)狀 自動離合器的構(gòu)成和基本原理 離合器作為傳動系中的一個重要環(huán)節(jié)，它起著傳遞或者中斷動力的作2021 屆機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 用。對于裝有傳統(tǒng)的機械式變速箱（ MT）的汽車，駕駛員在汽車起步或者換檔時需踩下離合器踏板，然后再慢慢松開踏板，完成離合器的接合過程。為了減輕駕駛員的勞動強度，自動離合器應(yīng)運而生。傳統(tǒng)意義上的自動離合器只對 離合器的分離與接合過程進行控制，如果同時對油門開度以及換檔操縱進行控制，就構(gòu)成一個完整的 AMT 了。 圖 12 離合器控制組成原理 【 7】 自動離合器工作原理如圖 12 所示。離合器控制器 ECU 實時監(jiān)控各傳感器的狀態(tài)，當換檔手柄開關(guān)按下時， ECU 立刻發(fā)出信號驅(qū)動電機執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)離合器快速分離，并根據(jù)離合器位移傳感器的信號確定離合器的位置；松開換檔手柄， ECU 根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速以及油門開度等信號進行判斷，按照一定的控制策略實現(xiàn)離合器的快速而平穩(wěn)的接合。自動離合器主要由傳感器信號采集、 ECU 邏輯判斷及執(zhí)行機構(gòu) 動作三個部分組成。根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的不同主要分為氣動、液壓和電機三種。 自動離合器研究的重點問題 起步控制一直是困擾自動離合器的難題，也是 AMT 自動變速的性能比AT 差的主要原因。首先，控制系統(tǒng)的可靠性要求離合器與發(fā)動機相互協(xié)調(diào)2021 屆機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 和配合，以避免因發(fā)動機異常熄火導(dǎo)致起步失敗，否則將成為交通事故的重大隱患；其次，控制系統(tǒng)對環(huán)境要有自適應(yīng)性，這些環(huán)境包括：通過紅綠燈、進出車庫、坡道起步、冰雪路面起步等；再次，控制系統(tǒng)要能夠滿足不同駕駛員的主觀愿望，如平穩(wěn)起步愿望、急起步愿望等。由于離合器工作過程的動力學模型本身 存在變結(jié)構(gòu)非線性、時變和滯后等特性，而且離合器接合過程存在互相矛盾的評價指標，既要起步平穩(wěn)又要減少磨損 【 8】 。所有這些都使得離合器控制問題復(fù)雜化。 本文研究的主要內(nèi)容 AMT 是在原有的機械式手動變速器結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過加裝微機控制的自動操縱機構(gòu)，取代原來由駕駛員人工完成的離合器分離、接合、換檔以及發(fā)動機相應(yīng)同步調(diào)節(jié)等操作，最終實現(xiàn)換檔全過程操縱的自動化。它既具有 AT 自動變速的優(yōu)點，又保留 MT 傳動效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、容易制造的長處。特別是在當前電子技術(shù)比較成熟的情況下，如果能夠較好的解決 AMT 自控系統(tǒng)的技術(shù)問題，使其性能與 AT 相當，則可以取代 AT，具有相當廣闊的市場前景。因此，要研究 AMT，最重要的就是研究自動離合器。本文的工作僅為自動離合器執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計。 畢業(yè)設(shè)計要求：開發(fā) AMT 項目中的離合器執(zhí)行機構(gòu)。 內(nèi)容要求：在現(xiàn)有傳統(tǒng)手動變速器的基礎(chǔ)上，不改動 160 變速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只改動離合器操縱機構(gòu)，設(shè)計離合器執(zhí)行機構(gòu)，設(shè)計機構(gòu)滿足設(shè)計要求與技術(shù)指標，具體設(shè)計要求與技術(shù)指標見《 AMT 機械執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計要求與驗收標準》。 技術(shù)方法與路線： AMT 采用四電機方案，即執(zhí)行選檔、換檔、前后離合器分離與結(jié)合四個電 機，電機通過選檔、換檔、前后離合器執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)選檔、換檔、離合器分離與接合。 畢業(yè)設(shè)計的基本思路是：首先了解自動變速器特別是 AMT 技術(shù)的發(fā)展與趨勢，然后基于原離合器提出幾種可行 AMT 自動離合器執(zhí)行機構(gòu)的方案，進而通過對比確定其中的一種方案作為最終設(shè)計方案。其主要工作是對選定方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制裝配圖和零件圖。 2021 屆機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 2021 屆機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 2 章 總體方案確定 前、后離合器執(zhí)行機構(gòu)都是在原離合器上改裝的，其傳動方式相同，結(jié)構(gòu)相似。即通過電機提供動力源，經(jīng)過減速傳動裝置，同時把回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，推動離合器總 泵桿，把壓力傳至分泵，最終把力和運動傳到離合器的分離叉和分離軸承，實現(xiàn)離合器的分離與結(jié)合。 離合器執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計要求 離合器執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計參數(shù)要求 離合器執(zhí)行機構(gòu)是用來實現(xiàn)離合器分離與接合的動力提供裝置，為了保證離合器的正常、持久地工作，需要滿足如下的要求： （ 1）執(zhí)行時間要求，在電控部分符合要求情況下，各執(zhí)行機構(gòu)要保證如下執(zhí)行時間要求：前離合器： 秒；后離合器： 秒。 （ 2）行程要求：前離合器總泵推桿行程為 35mm，后離合器總泵推桿行程為 30mm。 （ 3）負荷要求：前離合器膜片彈簧 分離指處最大分離力為 1310N, 總泵復(fù)位彈簧行程為 30mm，彈簧彈性系數(shù)為 。后離合器分離撥叉處最大分離力 875N，總泵復(fù)位彈簧行程為 30mm，彈簧彈性系數(shù)為。 （ 4）執(zhí)行精度要求：前后執(zhí)行機構(gòu)動力輸出點小于 。 （ 5）鎖止要求：前后離合器都應(yīng)具有鎖止功能。 （ 6）工作壽命：機械壽命取決于額定負荷條件下滾動軸承和軸承套之間，以及內(nèi)部渦輪蝸桿的磨損（內(nèi)部耐久性試驗：在額定負荷條件下工作次數(shù)大于 20 萬次）。其余無限制。 （ 7）防護要求： 1）輸出軸與殼體之間應(yīng)設(shè)有防潛水機 構(gòu)。 2）各傳動部分俄轉(zhuǎn)軸和套均采用不銹鋼材料。 3）防護等級：防潛水。 （ 8）耐腐蝕要求：耐潤滑油、耐汽油柴油、耐電解液、鹽霧、制動液、防凍液腐蝕。 2021 屆機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 離合器終端傳動要求 （ 1）離合器液壓傳動部分結(jié)構(gòu)不做改變，其結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。離合器執(zhí)行機構(gòu)推動主泵推桿，推桿壓縮液壓油，把力傳到分泵推桿，分泵推桿使分離叉繞一固定點旋轉(zhuǎn)，撥動分離軸承，實現(xiàn)分離與接合。液壓缸的液壓由汽車內(nèi)部的總泵提供。 圖 21 離合器液壓傳動部分 （ 2）液壓傳動傳動計算 設(shè)分離軸承所需的力為 2F ，分缸提供的力為 1F ，執(zhí)行機構(gòu)提供給主缸的力為 0F ；主泵截面直徑為 0d ，分泵截面直徑為 1d ；分離叉繞點旋轉(zhuǎn)分為兩段。它們之間的力幾何關(guān)系如下： 2121LFFL? 110FFAA? 220 2