电控式AMT脱挡机理分析与预防 Analysis and Prevention of the Mechanism of Electronically Controlled AMT Shifting

严才秀YAN Cai-xiu 王文慧 WANG Wen-hui 宋宁 SONG Ning 周振威 ZHOU Zhen-wei

摘要：汽车电动化是当今社会的一大趋势，与传统燃油汽车一样，脱档也是电动汽车变速器常见故障之一，直接影响行车安全。通过对电控式AMT脱挡机理进行分析，并有针对性的提出预防措施，为电动汽车自动变速器的设计开发提供参考，提升变速器总成的可靠性。

Abstract： The electrification of automobiles is a major trend in today's society. Like traditional fuel vehicles， out-of-gear is also one of the common faults of electric vehicle transmissions， which directly affects driving safety. Through the analysis of the mechanism of electronically controlled AMT shifting， and targeted preventive measures， it provides reference for the design and development of electric vehicle automatic transmission and improves the reliability of the transmission assembly.

關键词：电控式AMT;脱挡;机理分析;预防措施

Key words： electronically controlled AMT;out of gear;mechanism analysis;preventive measures

中图分类号：U463.2                         文献标识码：A                 文章编号：1674-957X（2021）22-0058-02

0  引言

机械式自动变速器（AMT）具有传动效率高、成本低、结构紧凑、易于加工制造等优点，在传统燃油汽车领域已经得到了广泛的应用，而电动汽车受困于换挡过程中的技术难点，目前市面上的电动汽车大多采用直驱的方式作为动力输入，即动力电机配减速器来驱动车辆的方式，如图1所示。随着电动汽车产业的不断发展，电动汽车加装机械式自动变速器这一驱动方式正在得到越来越广泛的应用，AMT脱档问题也随之成为了电动汽车推广的一个关键因素。AMT脱挡是指车辆正常行驶过程中，在没有收到任何换挡指令的情况下，变速器挡位自行从行驶挡位回到空挡的现象[1];车辆的行驶表现是动力中断，车速自行下降，在坡道上甚至存在车辆后溜的可能，存在巨大的行车安全隐患[2-3]。因此开展AMT防脱挡研究具有十分重要的意义，本文通过对AMT脱挡机理进行深入分析，并有针对性的提出预防与改进措施。

1  机械式变速器结构

电动汽车的动力电机具有输入转速高、扭矩小的特点，通常会在动力电机输出端增设一个减速器或变速器达到减速增扭的效果，从而满足电动汽车的动力需求。伴随着传统燃油汽车的飞速发展，目前机械式变速器的内部结构已经非常成熟，主要包含壳体组件、选换挡组件、传动系统、润滑系统、附件等部分组成，图2所示为某两挡机械式变速器结构示意图。其中壳体组件主要用于安装变速器传动系统及附件，需满足一定的强度和密封性要求;选换挡组件主要是满足变速器的换挡需求，可以通过手动操纵也可以采用液压、气动、电控等自动化方式进行选换挡动作;润滑系统主要是为传动齿轮、轴承等提供润滑和降温，尽可能提高变速器的使用寿命;附件则主要是为了变速器能够正常工作提供一系列帮助，如防水透气阀能帮助平衡变速器内部压力、传感器能准确提供变速器转速信息等。

2  防脱挡设计

传统的手动机械式变速器经过多年的发展，已经形成了一系列常规的防脱挡设计方案，其中接合齿倒锥防脱与自锁机构防脱是最为常用的两种方式。AMT是在手动机械式变速器的基础上加装选换挡操纵系统构成[4]，与手动机械式变速器在结构上类似。因此以上两种防脱挡结构也广泛应用于AMT上，对AMT脱挡故障的发生起到了很好的抑制作用。

①接合齿倒锥防脱设计：如图3所示，将接合齿圈和接合套上的接合齿两侧加工成倒锥面（一般单边为2°-4°）。在实际工作过程中，接合齿圈带动接合套转动，在倒锥面上形成一定的正压力。该正压力的轴向分力方向为挂挡方向，当接合套有远离接合齿圈的脱挡趋势时，轴向分力阻止接合套向脱档方向移动，从而达到防脱挡的目的。而且变速器脱挡故障通常发生在爬坡、急加速等大扭矩工况下，此时倒锥面正压力会随着扭矩的增大而增大，能够起到很好的防脱档效果。这是目前应用最为广泛的防脱挡设计。

②自锁机构设计：如图4所示，常见的变速器自锁机构是由自锁钢球、自锁弹簧、自锁堵头等组成，并在拔叉轴上沿轴向设有三个凹槽，当拔插轴移动到某一挡位位置时，自锁钢球在弹簧的作用下下嵌到对应凹槽内，对拔插转轴的旋转或换挡拨叉轴的轴向移动产生一个阻力，起到防止脱挡的作用[5]。

3  ATM脱挡原因分析

ATM的换挡过程涉及到的元件较多且关系复杂，因此影响换挡过程的因素也很多。考虑AMT与手动机械变速器的差异，再结合AMT自身的结构特点与控制方式进行深入分析，造成AMT脱挡的主要原因有以下几个方面：

①变速器内部产生磨损或变形。如齿轮或者齿合套磨损、变速器轴承松动、壳体变形、定位元件松动或变形、拔叉轴磨损或变形等，使得变速器在正常工作过程中会产生较大的脱档轴向力，当变速器内部产生的脱档轴向力大于倒锥和自锁机构提供的防脱力总和时，则会引起AMT脱档。

②防脫挡设计失效。接合齿倒锥设计或自锁机构设计，在防止脱挡的同时也会造成挂挡力和摘挡力的增加，而电控式AMT的换挡执行元件能提供的挂挡力和摘挡力是有限的，且过大的挡位保持力也会导致换挡阻力大、换挡执行器寿命降低和换挡异响等问题。因此，为了确保AMT自动换挡动作的顺利进行，防脱挡力都不能设计的过大，而随着防脱结构的不断磨损，防脱挡效果会逐渐减弱，在某些大扭矩工况下就容易造成AMT脱挡。

③信息采集故障。考虑到AMT自动换挡的需要，其换挡机构上增设了挡位位置传感器，传感器安装实物照片如图5所示，用于实时监测变速器的挡位位置信息，以便变速器控制器（TCU）能够及时了解挡位信息，并在第一时间做出反应。若传感器信息采集出现故障，变速器换挡控制器接收位置信息失败或接收到有误的位置信息，不能及时对即将发生的脱挡故障进行处理或给出错误的操作指令，都会造成变速器的脱挡。

4  设计优化

根据AMT产生脱挡的原因，在AMT开发阶段进行设计优化，可以从设计源头降低脱档的风险，提高变速器的可靠性。①优化变速器的齿轮、接合齿等的表面处理。通过优化热处理工艺参数等方式，提高齿轮、接合齿的表面硬度、强度及热处理深度，减缓变速器的磨损速度，降低AMT在正常生命周期内发生脱挡的风险。②优化常规防脱挡设计参数。在满足AMT换挡和摘挡性能要求的情况下，尽可能的加大接合齿倒锥角度和轴向长度、自锁弹簧刚度、拨叉轴防脱槽的深度等参数，提升AMT的防脱挡性能。③换挡机构进行自锁设计。AMT是通过换挡机构进行换挡动作的，除了通过解决变速器本身的问题以外，也可以从换挡机构入手来解决脱挡的问题。在换挡机构上加装自锁装置或者采用能够反向自锁的传动方式，均能够起到很好的防脱效果。④在AMT换挡控制上进行防脱挡监测。在传感器的选择上可以采用非接触式传感器，相比于接触式传感器，其寿命更有保障，能够为变速器换挡控制器提供可靠的位置信息;其次在换挡控制上可以通过对传感器反馈回来的挡位位置信息进行实时监测，一旦发现挡位位置即将发生脱挡时，及时控制换挡电机介入，也能够有效避免脱挡故障的发生。

5  总结

本文从设计角度介绍了现有的防脱档设计的结构及机理;分析总结了可能产生脱档的原因;并提出预防改进的有效措施。脱挡是AMT较为常见故障之一，在实际工况中引起AMT脱挡的因素很多，如遇到车辆的脱挡问题，需要根据脱挡发生的工况进行具体分析排查，再有针对性的解决问题。

参考文献：

[1]吴伟.手动变速器防脱挡设计分析[J].汽车设计，2020（12）：83-84.

[2]刘晓雷，张红梅，向权力.手动机械式变速器防脱档设计研究[J].汽车与配件，2012（38）：44-45.

[3]吕超.一种轻卡变速器脱档原因分析及改进[J].机械工程与自动化，2015（03）：214-215.

[4]王阳，席军强，陈慧岩.ATM换挡冲击产生机理与对策研究[J].汽车工程，2009，31（03）：253-257.

[5]葛海龙，邱权，莫家奇，等.电驱自动变速器换挡系统自锁装置的设计研究[J].上海汽车，2019（06）：27-31.