商用车AMT选换挡执行机构设计

范珊珊，马 渊，孙文军，聂幸福

(陕西法士特汽车传动研究院，陕西 西安 710119)

0 引言

电控机械式自动变速器(AMT)是在传统机械齿轮式变速器的基础上，加装一套选换挡执行机构和离合器执行机构，实现传动系统的自动换挡，使车辆获得良好的动力性和燃油经济性，同时减少驾驶员疲劳，提高乘坐舒适性，因此在商用车上得到了广泛应用，欧洲商用车AMT匹配率更是高达90%。国内从2016年开始，AMT匹配率也开始增长，尤其是自动驾驶和新能源技术等新技术的推广都离不开自动变速器的支撑，所以AMT的重要性越来越凸显。

1 选换挡执行机构分类

AMT的换挡过程是由选换挡执行机构代替传统机械变速器的换挡操纵机构，完成一系列相应动作并通过传感器将挡位信息反馈给驾驶员，因此，该执行机构的控制精度、响应速度、反馈情况等直接决定了变速器换挡品质的高低，影响到AMT的应用情况，进而又影响整车性能。

1.1 按驱动形式分类

根据其驱动形式的不同，选换挡执行机构分为电控液动、电控气动和电控电动三种形式。

电控液动式选换挡执行机构以液压油为工作介质，通过控制电磁阀的关断来自动完成挡位切换。液压系统容量大、精度高、操作简便，具有缓冲作用，能吸收一定冲击。但也有一些明显的缺点，首先是对液压油品质、管路密封性要求高，受温度影响较大；其次是结构复杂，维护保养困难，易泄漏，对环境污染严重。

电控电动式选换挡执行机构中直流电机TCU(Transmission Control Unit)根据指令控制执行机构。其特点是结构简单，不需要气源或者液压油源，环境适应能力提高，但选换挡的动作迟缓，精度也没有液压系统高，控制方法较难，且电机成本高。

电控气动形式的选换挡执行机构操作简便，易于实现且污染少。然而与上述两种执行机构相比，由于气体本身的特性，气动系统有很多不利于精确控制的弱点。近年来随着汽车电子技术的飞速发展，各类性价比高的气动电磁阀、执行元件和传感器不断涌现，拓宽了气动执行机构的应用范围，而且可直接利用车辆原有的气压制动系统的气源，因此节能环保、成本低廉的气动AMT成为当前商用车市场的主流。表1为现有AMT产品的主要执行机构分类。

表1 AMT执行机构分类

1.2 按布置形式分类

根据选换挡执行机构在变速箱上布置形式的不同，可将其分为外装式和集成式。外装式在变速箱本体上直接加装，无需对箱体进行大量改动，最常见的是XY型选换挡执行机构，其选挡气缸和挂挡气缸处于正交，在TCU控制下，有一个换挡拨头在变速箱预先设置好的选换挡轨道上延X、Y方向移动到指定位置，配合完成挡位切换，如图1所示。

图1 外装式XY型气动选换挡执行机构

以16挡AMT变速箱为例，结构为2×4×2，主箱4挡外加1个倒挡，那么需要3个拨叉轴(1/2挡拨叉轴，3/4挡拨叉轴，倒挡拨叉轴)，即选挡方向需要3个位置。另外由于空挡的需要，挂挡方向也存在3个位置，如图2所示。选挡和换挡可由2个两位三通电磁阀驱动，当单独激活1个电磁阀时，活塞杆到达气缸的一侧；当两个电磁阀同时激活时，活塞杆到达中间位置，也就是空挡位置或者选挡的中间位置。

图2 选换挡方向位置示意图

这种选换挡执行机构结构简单，变速箱机械本体不用做大的改动，只是上盖需要留出安装接口；但由于连接选换挡电磁阀和传感器到TCU的线束裸露在外，容易出现故障，且气管也布置在外，变速箱整体美观性下降。

集成式选换挡执行机构在这种情况下应运而生，它将TCU、选换挡电磁阀、传感器和选换挡气缸集成于一体(见图3)，选挡气缸与换挡气缸仍然处于正交，带动与之铰接的选换挡轴移动，从而完成选挡和挂挡动作。这需要在变速箱壳体上设计一个几乎全密封的腔体，放置执行机构，防止润滑油飞溅，而且加工精度要求高，需保证执行机构运动部件与变速箱上拨叉轴的同轴度；但省去了线束气管等，可靠性提高，故障率降低。

图3 集成式选换挡执行机构组成

ZF两代AMT Astronic和Traxon均采用集成式选换挡执行机构，其特点是一轴多叉，如图4所示。其具有以下特点：①选挡气缸直线移动，有3个位置；②选挡推杆的拨头与选挡气缸铰接，在气缸带动下作旋转运动；③选挡推杆与拨叉轴固连，选挡推杆旋转时带动拨叉轴转动一定角度；拨叉轴上连接3个安装角度不同的拨叉，每转过一定角度，对应有一个拨叉被选中，这就是选挡动作；④拨叉轴前后移动，可挂上不同挡位。这种一轴多叉式设计，将原先主箱的3根拨叉轴减少到1根，设计巧妙，节省零件。

图4 一轴多叉选换挡示意图

最新一代VOLVO I-shift也采用集成式选换挡执行机构，其特点是没有选挡，各拨叉轴独立驱动，与双离合自动变速箱DCT(Dual Clutch Transmission)工作方式类似，当上一挡位工作时，可以预选下一挡位作准备，选换挡速度更快，动力间断时间短，换挡更舒适，而且该换挡执行机构不仅可以用于AMT，还可兼容DCT。集成式拨叉轴独立驱动换挡执行机构结构如图5所示。

图5 集成式拨叉轴独立驱动换挡执行机构

但该换挡执行机构用于AMT时可移植性不好，因为尺寸限制，最多可以布置4个气缸，除去范围挡和半挡执行机构所需的气缸，可用于主箱拨叉轴的只有2个气缸，也就限制了主箱最多4个挡位，只可以用于12挡AMT，或者用于2×5结构的10挡AMT。

2 选换挡执行机构设计

综上所述，气动驱动方式、集成式、一轴多叉形式的选换挡执行机构比较适用于商用车AMT。以下介绍的变速箱即采用上述方案，TCU与选换挡执行机构集成在一起，统称换挡控制单元(Shift Control Unit)。

2.1 选换挡执行机构构成

该变速箱由主箱、前副箱和后副箱三段构成，对应的选换挡执行机构SCU包括主箱换挡执行机构、选挡执行机构、范围挡执行机构、半挡执行机构，另外还集成了压力调节器、中间轴转速传感器、温度传感器、压力传感器和4个位移传感器。离合器电磁阀和中间轴制动器电磁阀也在SCU中，通过变速箱壳体内部气道与其驱动气缸相连通，选换挡控制机构组成如图6所示。

从图6中可以看出，选挡气缸有3个位置，由2个两位三通电磁阀驱动。换挡气缸、半挡气缸、范围挡气缸结构类似。中间轴制动器动作简单，在换挡过程中开通一定时间来降低中间轴以及与之相连的齿轮转速，起调速作用，没有位置上的控制，由1个两位三通电磁阀驱动就可完成工作。离合器控制较复杂，有4个两位两通电磁阀，其中2个快速开关阀、2个慢速开关阀，要求离合器控制过程中能较好地跟随目标位移曲线。

图6 选换挡控制机构组成

2.2 选挡互锁装置

在一轴多叉结构中，选挡拨头以与拨叉轴铰接的点为圆心旋转±22.5°，带动拨叉轴分别转动到3个选挡位置，每个选挡位置对应一个拨叉，可以挂入相应挡位。从功能安全的角度考虑，变速箱同时挂入两个挡位是很严重的情况，可能导致变速箱扭转，甚至传动系抱死。为了保证车辆安全行驶，选挡互锁是必要的措施。根据一轴多叉结构设计了一个互锁棘轮，如图7所示，上面的凹槽尺寸与选挡拨头大小相匹配，当转到某一位置时，棘爪锁止，保证在某一时刻只有一个拨叉可以前后移动。

图7 互锁棘轮

这种互锁装置取消了互锁钢球和弹簧机构，设计巧妙，但是对加工和安装精度要求高。

3 试验验证

为了验证该选换挡执行机构方案，搭载16挡和12挡变速箱，在台架上进行静态主箱选挂挡试验和前后副箱挂挡试验，同时还建立整车环境，进行动态换挡性能试验。

主箱静态挂挡试验中，电机以50 r/min～100 r/min转速驱动输出轴，进行循环选挡和挂挡操作，该试验进行到800万次执行机构仍能正常工作，其主箱寿命远超过800万次。前副箱静态挂挡试验中，将主箱置于空挡，前端电机以1 000 r/min转速驱动输入轴，循环进行前副箱挡位切换，目前该试验进行到280万次，已达到寿命要求。后副箱静态挂挡试验时，后端电机以400 r/min～500 r/min转速驱动输出轴，同时主箱保持在空挡，循环进行后副箱高低挡位切换，已达到100万次寿命。静态挂挡试验如图8所示。

图8 静态挂挡试验

在整车试验中，分别进行起步挂挡、行车过程升挡、行车过程降挡等各种工况下的换挡操作。统计结果显示：换挡时间可以控制在500 ms内；另外通过AVL Drive进行客观换挡性能评估，其各项指标均在7.5分以上，完全满足商用车使用要求。

4 结论

选换挡执行机构的选择决定了商用车AMT换挡品质。在竞争日益激烈的当前市场上，存在多种选换挡执行机构，本文从动力源、布置方式、选换挡配合等方面对比分析了当前最常见的换挡执行机构，最终确定使用集成式气动执行机构，其设计能与变速箱更好地融为一体，省去了外部线束和气管布置，变速箱外观效果整洁，且一轴多叉的结构设计巧妙，零部件数量减少，可移植性好。经过台架以及整车试验验证，该选换挡执行机构方案能够大大提高AMT换挡品质和可靠性。