电控离合器及其自动变档系统*

杜德跃，孔佳利

电控离合器及其自动变档系统*

杜德跃，孔佳利

（山东华宇工学院，山东 德州 253000）

自动变速器能够自动进行换挡操作，不需要驾驶员踩离合换挡，大大减轻了驾驶员的劳动强度，尤其在双离合自动变速器推出之后进一步推动了变速器自动化的进程。文章在分析了现有自动变速器和手动变速器的优缺点之后，根据机械传动原理给出了变速器电控化、精确化的方案。该设备是一种新型的由电脑进行控制的自动变速器，能够在极短的时间内完成换挡操作，同时保证传动的效率。在实际制作过程中证明了本套方案的可行性、可靠性及耐久性，具有不可比拟的优势。

变速器；机械传动装置；电控变速系统

1 设计背景

随着自动变速器技术的越来越成熟，目前绝大部分车型均为自动档车型，市面上的自动变速器主要可以分为三类：

（1）AT变速器，AT变速器通过行星齿轮组进行传递动力，有着连接平稳，操作容易等优点，但AT变速器对速度反应较慢、传动效率低、费油等缺点严重阻碍了AT变速器的发展。

（2）CT变速器，CT变速器采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传递，当棘轮槽宽变化时相应改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速。因此是唯一能实现无极变速的变速器。有着重量轻、体积小、零件少等优点，但是也有天生带来的传动带容易损坏、不能承受大扭矩等缺陷。

（3）AMT变速器，AMT变速器是在手动档的基础上进行改造，通过微机控制实现的自动换档的变速器。AMT变速器有较好的基础，成本低，但是各厂商的微机控制方案不同，也就造成了装车后实际体验差距较大。

综合各变速器的优缺点以及查阅大量资料后我们设计了一种基于MT变速器的电控离合及其自动变档系统。本套系统换档时间短，结合平稳同时能够传递较大的扭矩。

2 设计方案

2.1 总体方案

电控离合器及其自动变档系统由齿轮组、液压控制装置、信号检测模块等组成。变速器输出轴各齿轮上安装有摩擦片，输入轴齿轮与中间轴齿轮处于常啮合状态，中间轴上的齿轮和输出轴上的齿轮处于常啮合状态，输出轴各齿轮上均安装有摩擦片，摩擦片由摩擦衬片和芯板粘结而成。输出轴上相邻两齿轮之间各安装有一个可轴向移动的滑块，滑块由摩擦衬片和芯板组成。发动机动力从输入轴进入，经过中间轴上的齿轮带动输出轴上的齿轮转动，当滑块与输出轴上的齿轮的摩擦片紧密接触时，二者之间通过摩擦形成动力传递路线，发动机的动力经过输入轴齿轮、中间轴齿轮、输出轴齿轮、万向传动装置传递给驱动轮，使汽车获得前进的动力。

滑块的运动由液压装置进行控制，液压装置由ECU进行精确控制。液压装置单独设置液压泵提供动力，液压泵由发动机带动旋转，在液压缸上设置有位置检测装置与压力检测装置。液压缸与滑块之间通过拨叉进行连接，换档时通过拨叉将液压缸的力传递给滑块，液压缸上的位置检测装置和压力检测装置提供给ECU一个反馈信号，当发动机转速较低，车速为零，ECU判断驾驶员是要起步或倒车时，ECU根据发动机的动力与自动控制滑块与输出轴齿轮摩擦片之间压力的大小，提高汽车起步时的平顺性，使汽车平稳起步。ECU根据车速、发动机转速、油门踏板信号等判断驾驶员驾驶意图，控制液压装置运动进而带动滑块运动，控制滑块与输出轴上不同齿轮的摩擦片接触摩擦，以此传递发动机的动力以及完成变速器各档位的切换。

ECU内部存储有换挡逻辑的信息，发动机启动后各传感器将检测到的信号反馈给ECU，ECU对接收到的各项信号进行分析并确定各部件的实时工作状态以及驾驶员的驾驶意图。

当驾驶员踩下刹车踏板时，ECU控制液压装置使得滑块与齿轮的摩擦片分离，切断动力传递路线。此时驾驶员可挂入所需档位（行车档、倒档或低速档），随着驾驶员逐渐放松制动踏板，ECU控制滑块与摩擦片逐渐进行接触，动力经变速器以及传动系统传给驱动轮。之后ECU根据油门踏板、车速等信号自动判断驾驶员驾驶意图并进行换档操作，减少了由于频繁换档给驾驶员带来的驾驶疲劳。当ECU检测到某部件异常时会通过蜂鸣器进行报警提示，并通过仪表盘上故障指示灯的闪烁来告知驾驶员。若ECU判定汽车不符合行驶条件时，则会通过蜂鸣器进行报警并控制危险报警灯闪烁，以此告知驾驶员及时检查并排除车辆故障。故障排除后驾驶员需要重新打开电源开关，使系统进行自检，系统确保各部件符合行驶条件之后方可驾驶。

本套方案在变速器之前仍保留有离合器，通过不同类型之间进行比较，最终确定选用转矩容量大、性能稳定、结构简单紧凑、通风散热性好适合高速旋转的膜片弹簧式离合器，主要用于缓和传动系统瞬时过载对变速器以及传动系统的冲击，提高各部件使用寿命。

2.2 齿轮组设计

齿轮组部分由摩擦片、齿轮、齿轮轴等组成。齿轮采用HB＞350，HRC>50的中碳钢，通过锻造毛坯→常化→粗切→调质→精切→高、中频淬火→低温回火→珩齿或研磨剂跑合、电火花跑合[1]等工艺进行后期处理，以此来提高齿面的硬度、接触强度以及耐磨性，齿芯还能保持调质后的韧性，耐冲击能力好，承载能力较高。摩擦片由摩擦衬片和芯板粘结而成，其中摩擦衬片为纸基摩擦材料且表面具有良好渗透性，为了提高摩擦副换热性能，在摩擦衬片表面设计有冷却油槽，以确保湿式多片离合器滑摩过程中冷却润滑效果[2]。摩擦片与齿轮通过齿轮轴上的花键进行周向固定，摩擦片可以在齿轮轴上由拨叉进行控制沿花键做轴向移动，拨叉由液压管路控制其移动方向及速度。

齿轮组通过壳体进行封装，壳体内装有湿式变速器专用齿轮油，油液主要用于齿轮之间的润滑以及传递滑块和摩擦片之间的热量。

变速器的档位如图1所示，输出轴上从左到右依次为1档、4档、2档、5档、3档和倒档。

图1 变速器的档位

2.3 液压装置动力部分设计

在整个电控离合及其自动变档系统中由液压泵作为整个系统的动力元件，液压缸作为换档执行元件。液压泵采用齿轮泵，如图2所示。泵轴一端伸出与一带轮相连，带轮套装在齿轮泵的泵轴上，泵轴上设计有C型键的键槽，带轮套在泵轴上之后通过键进行紧固连接，防止带轮与泵轴之间产生相对的转动。液压泵的动力由发动机进行提供，通过皮带连接发动机与液压泵，当发动机运转时同时带动液压泵转动，以此来产生油压，进而控制液压装置运动，控制变速器换档。液压泵固定在发动机架上，液压泵的进油口连接一油箱，油箱安装在发动机下方，以保证油箱与空气有足够大的接触面积，通过空气对油箱内的液压油进行散热，防止油温过高。液压缸选择双出杆式液压缸，液压缸的油口处各安装有一个电磁阀，用以控制进入液压缸的流量。液压缸缸体与变速器壳体固定连接，液压杆在电磁阀的控制下做直线运动，液压杆与拨叉相连，通过拨叉控制滑块的运动。

图2 齿轮泵

2.4 液压控制管路设计

齿轮泵一端连接油箱，一端连接液压装置管路，用以输出油压。在液压泵的输出端并联一个溢流阀，当系统压力达到阀值之后液压油通过溢流阀直接流回油箱，保护液压管路不会因为过高的油压而造成的损坏。每个液压缸两侧设置有一个电磁阀，ECU通过控制电磁阀的电压进而控制电磁阀的开度大小，变速器的输出轴上每相邻两齿轮之间采用一个滑块的设计，每个滑块对应一个液压缸，通过拨叉连接滑块与液压缸。液压缸的运动受ECU控制，并通过拨叉将液压缸的力传递给滑块，控制滑块与齿轮的摩擦片进行接触，传递动力。通过接收到的由液压缸上的压力检测装置检测的信号调整滑块与齿轮摩擦片的压力，使得汽车能够平稳起步。在急加速时系统会自动增大电磁阀的开度，增加滑块与齿轮摩擦片的压力，使得发动机的动力尽可能多的传递到驱动车轮，减少由于滑块与齿轮摩擦片之间打滑而造成的能量的损失。由于液压系统在发动机启动之后一直处于工作状态，所以液压油的选择对于整个液压系统的工作稳定性至关重要。在液压管路设计中，我们根据以下三点去选择所需的液压油：

（1）系统的工作环境：如温度、湿度、空气的清洁度等。

（2）系统的工况：如泵的类型、系统的工作温度和工作压力等。

（3）经济性：应考虑液压油的价格、更换周期、维护使用是否方便、对设备寿命的影响等[3]。

所以要根据使用地区以及环境条件选择适合的液压油，以合适为目的。同时防止进入水分和空气，以免影响使用。

3 结论

电控离合及其自动变档系统采用齿轮传动的方式传递发动机的动力，通过在齿轮上加装摩擦片，在输出轴上加装滑块的方式形成动力传递路线，将发动机的动力传递给驱动车轮。在整套系统中液压泵是供能元件，在发动机启动后负责建立起整个管路的油压，并维持在一个稳定的数值。液压缸的运动由ECU控制电磁阀来实现，并且输出轴上每相邻两个齿轮之间有一个滑块，变速器内部档位分布顺序为输出轴上从左到右依次是1档、4档、2档、5档、3档和倒档。在换档时使预传动滑块先进行运动，待预传动滑块与齿轮摩擦片接触时，传动滑块与摩擦片进行分离，两者之间通过液压缸上的压力传感器来检测信号，以确定两者的工作状态。此类设计方案的优点是每个滑块的运动都是单独进行控制，在运动过程中不会产生运动干涉，同时还能自定义换挡逻辑，例如预传动滑块与齿轮摩擦片之间的压力达到某一数值时，传动滑块与齿轮摩擦片进行分离，通过大量的计算以及实际实验来确定最终的数值，尽可能地缩短换档所需要的时间，消除由于换档带来的顿挫感，提高换挡过程中的平顺性。在不同的车型中汽车生产厂商可以根据需要去设定换档逻辑（例如运动型车型注重换档时的动力性，而普通家用车型更注重平顺性），在定义换档逻辑方面给予汽车生产厂商更多的空间，去针对不同需求的客户做出客户更满意的产品，也更容易做到变速器与整车的适配，以此来获得更好的驾驶体验，提高产品竞争力，提高用户满意度。

[1] 邓玉容.齿轮常用材料的选择及其热处理工艺分析[J].科技创新与应用.2017.70-72.

[2] 陈瑶.湿式多片离合器温度特性及热失效研究[D].重庆:重庆理工大学,2019.

[3] 鲍晓兵.液压油的选用和维护[J].液压气动与密封.2008.第2期. 4-6.

Electronic Control Clutch and Automatic Gear Shift System*

Du Deyue, Kong Jiali

（Shandong Huayu Institute of Technology, Shandong Dezhou 253000）

The automatic transmission can carry on the shift operation automatically, does not need the driver to step on the clutch shift, has greatly reduced the driver's labor intensity, especially after the double clutch automatic transmission launches further promoted the transmission automation process. After analyzing the advantages and disadvantages of the existing automatic transmission and the manual transmission, the electronic control and precision scheme of the transmission is given according to the principle of mechanical transmission. The equipment is a new type of automatic transmission controlled by computer, which can complete shift operation in a very short time and ensure the efficiency of transmission. The feasibility and reliability of this scheme are proved in the actual production process And durability, has incomparable advantages.

Transmission; Mechanical transmission; Electronic control variable speed system

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.017

U463.22+1.4

A

1671-7988(2021)03-58-03

U463.22+1.4

A

1671-7988(2021)03-58-03

杜德跃（1999-），就读于山东华宇工学院本科汽车服务工程专业学生。

2020年山东省大学生省级创新创业训练计划项目《电控离合器及其自动变档系统》项目编号：S20201385 7033。