AMT Automated Mechanical Transmission 1.基本原理: ?在手动变速箱的基础上发展而来 ,保留了原来手动变速箱的换挡机构与 离合器 。操作手动变速器需要踩离合 ,选择适当挡位等动作 ,而AMT 则是通过电脑控制的自动操作机构去完成 。 ?AMT的核心技术是计算机控制 。 ?与AT最大的区别在于AMT具有干式摩擦离合器 ,AT则是通过液力变矩 器连接 。 AMT执行机构 AMT执行机构 丝杠螺母、齿轮传动方案 电机 弹簧 螺母 滚子 干式离合器 分离杠杆 ?丝杠螺母将旋转运动转化为直线运动:电机旋转 带动丝杠转动,驱动螺母向下移动,同时带动和 螺母联接的滚子向下移动。 ?分离杠杆相当于一个杠杆机构,弹簧和分离轴承 分别对这个杠杆的两端施加作用力, ?滚子起着一个支点的作用,滚子向下移动,使得 杠杆的传动比不断的变化, ?当压缩弹簧的力足够大的时候,分离轴承开始被 推动,来实现离合器的分离与结合。 传动机构 ?蜗轮蜗杆、齿轮齿条传动方案 该传动方案是通过蜗轮蜗杆传动和齿轮齿条啮 合传动来实现变速器的选、换挡的工作过程。 电机1 电机2 机械式自动变速器AMT Automated Mechanical Transmission 2. AMT的优点: ?结构简单 ?成本低廉 3. AMT的缺点: ?换挡时由于是齿轮、离合器接合 ,平顺性没有普通的AT液力 接合好 ; ?MT类似 ,控制油门与离合需要较高的熟练度 ,控制不好会出 现换挡时抖动(尤其在低速时)和斜坡起步溜车现象 ,因此 AMT对ECU的控制能力要求很高 。 4. AMT的控制原理: ?离合器控制 ?起步控制 *坡道起步 *急加速起步 ?换挡控制 ?爬行控制 ?选换挡控制 ?经济性换挡 车 速 km/h ?动力性换挡 150 100 50 0 20 10 0 0 200 400 600 时间t 800 1000 1200 0 100 200 300 400 500 600 700 自动变速器控制系统主要包括以下几个部分: 驾驶员 加速踏板信 号(行程、速 率) CAN总线 杆位 选择 自动 巡航 开关 换挡 规律 选择 制动 踏板 信号 手/自 动选 择 状态参 数及报 警信息 传感器信号 发动机控制单元 转速 和转 矩信 号等 TCU 离合器压 力,油温 等信号 离合器 压力 信号 电控单元 转速 和档 执行机构和传感器信号 位信 号 被控对象 电子油门执行机构 离合器执行机构 换挡执行机构 油泵 发动机 变速器 起步过程控制:起步过程离合器动力学模型 Jv、bv Je、be 发动机转矩Te(N.m) 200 150 100 50 0 6000 Tc Te ωe ωc TLc Te Je+Jv、be+bv TLc 离合器 0.8 1 ω 发动 机转 4000 速n e( 2000 rpm ) 0 0 0.2 0.4 节气 度β 门开 0.6 a. 离合器滑摩阶段传动系统动力学模型 b. 离合器接合后传动系统动力学模型 发动机稳态输出扭矩 滑摩阶段离合器动力学方程为: 接合合阶段离合器动力学方程为: ? J e?e ? Te ? be ? ?e ? Tc ? ( J e ? J v )? ? Te ? (be ? bv )? ? TLC ? J v?c ? Tc ? bv ? ?c ? TLC 起步过程控制仿真 3000 2500 3500 7 6 5 3000 冲击度/(m/s3) 2500 2000 1500 1000 500 0 0 0.5 1 冲击度/(m/s3) 发动机转速 离合器从 动盘转速 1.5 2 时间/(s) 2.5 3 转速/(rpm) 4 3 2 1 5 4 3 2 1 0 -1 -2 0 0.5 1 1.5 2 时间/(s) 2.5 3 转速/(rpm) 2000 1500 1000 500 0 发动机转速 0 离合器从 动盘转速 -1 3 -2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 时间/(s) 3 0 0.5 1 1.5 2 时间/(s) 2.5 7 6 目标接 合速度 12 7 离合器接合速度/(mm/s) 目标接 合速度 12 10 10 8 6 4 2 6 离合器接合速度/(mm/ s) 离合器位移/(mm) 离合器位移/(mm) 1 1.5 2 时间/(s) 2.5 3 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0 8 6 4 2 实际接 合速度 实际接 合速度 -1 0 0 0.25 0.5 1 1.5 2 时间/(s) 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 时间/(s) -1 3 0 0.5 0.35 0 0 0.5 1 1.5 2 时间/( 0.3 0.2 节气门开度 0 0.5 1 1.5 2 时间/(s) 2.5 3 0.25 0.2 0.15 0.1 节气门开度 0.15 0.1 0.05 0.05 0 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 时间/(s) 3 20%定油门起步仿真结果 30%定油门起步仿真结果 换挡过程控制仿真 1 0.9 节气门开度(%) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1-2 2-1 3-2 2-3 4-3 3-4 5-4 4-5 最佳经济性的换档原理 升挡规律 降挡规律 50 0 车速(km/h) 100 150 200 动力性换挡规律的制定 最佳动力性的换档原理 最佳动力性换档规律计算方法 换挡过程控制 换挡过程车辆传动系统动力学模型 Ccm Je Jc 第一轴 Jm Jt ctw Jw 离合器完全接合时车辆传动系统动力学方程为: ? 1 ? ? [k tw ?? tw ? c tw ( ? ? w )] ?[ J e ? J c ? J eq (i g ( n ) , i d )]? ? Te ? i g (n) id i g (n) id ? ? ? ? ? ? w ) ? T L (? w ) ? J w ? w ? k tw ?? tw ? c tw ( i g (n) id ? ? ? ? ??w ??? cw ? i i d g (n) ? 离合器 kcm ig id ktw 车轮 Js1 Js2 同步器 离合器滑摩阶段时车辆传动系统动力学方程为: 离合器断开时车辆传动系统动力学方程为: ? ? J e?e ? Te ? 1 ? ? [ktw??tw ? ctw ( c ? ?w )] ?[ J c ? J eq (ig ( n ) , id )]?c ? ? ig ( n )id ig ( n )id ? ? ? J ? ? k ?? ? c ( ?c ? ? ) ? T (? ) ? tw tw tw w L w ? w w ig ( n )id ? ? ??? cw ? ?c ? ?w id ig ( n ) ? ? ? ? J e?e ? Te ? Tc ( xc ) ? 1 ? ? [ktw??tw ? ctw ( c ? ?w )] ?[ J c ? J eq (ig ( n ) , id )]?c ? Tc ( xc ) ? ig ( n )id ig ( n )id ? ? ? J ? ? k ?? ? c ( ?c ? ? ) ? T (? ) ? tw tw tw w L w ? w w ig ( n )id ? ? ???cw ? ?c ? ?w id ig ( n ) ? ? 换挡过程控制仿真 7 离合器接合速度/(mm/s) 4200 4000 3800 5500 7 离合器接合速度/(mm/s) 6 转速/(rpm) 5000 4500 4000 3500 6 5 4 3 2 1 0 发动机转速 5 4 3 2 1 0 变速器输出轴转速*i1 转速/(rpm) 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 0 0.1 实际接 合速度 实际接 合速度 目标接 合速度 发动机转速 3000 2500 2000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 时间/(s) 1.2 1.4 变速器输出轴转速*i2 0.2 0.3 0.4 时间/ 0.5 (s) 0.6 0.7 -1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.6 目标接 合速度 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 时间/(s) 1.4 1.6 -1 时间/(s) 7 7 6 离合器位移/(mm) 6 5 4 3 2 1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 时间/(s) 0.7 离合器位移/(mm) 5 4 3 2 1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 时间/(s) 1.4 1.6 一档升二档控制过程仿真(20%油门开度, 车速31.57km/h) 二档降一档控制过程仿真(30%油门开度, 车速31.96km/h) 液力式自动变速器 (AT ,automatic transmission) 1.优点 (1) 整车具有更好的驾驶性能 (2) 良好的燃油经济性 (3) 较好的行车安全性 (4) 降低废气排放 2.缺点 (1) 结构较复杂 (2) 传动效率低 组成部分 1.液力变矩器 2.齿轮变速机构 3. 换挡执行机构 4.液压控制系统 5.电子控制系统 ①液力变矩器——位于自动变速器的最前端,安装在发动机的飞轮 上。利用液力传递动力,具有一定的减速增扭功能,并能实现无级 变速。 ②行星齿轮变速器——包括行星齿轮变速机构(太阳轮、齿圈、行 星齿轮、行星齿轮架)和换档执行机构(离合器、制动器、单向离 合器)。变速机构有5~6个前进档和1个倒档。换档执行机构可以 使变速机构处于不同档位,实现不同的传动比输出。 ③液压操纵系统——包括油泵、阀体、电磁阀、及液压管路用于控 制自动变速器升降档。 ④电子或液压控制系统——包括电控单元(ECU)、传感器、执行 器及控制电路等,可按照设定的换档规律实现自动换档。 ⑤油冷却和滤清装置——包括冷油器和滤油器,用于控制油温和分 离杂质。 ⑥壳体 3. 液力变矩器的组成 主要由泵轮、涡轮、导轮组成。 在液力偶合器的基础上,增设导轮。导轮介于泵轮和涡轮 之间,通过单向离合器,单向固定在输出轴上。(可顺转, 不能逆转) 泵轮与壳连成一体为 主动元件; 壳体做成两半,用螺 栓连接,壳外有起动齿圈 起动 壳 涡轮 泵轮 涡轮悬浮在变矩器内 与从动轴相连; 导轮悬浮在泵轮与涡 轮之间,通过单向离合器 及导轮固定套固定在变速 器外壳上,单向离合器使 导轮可以顺时针方向转动 而不能逆时针方向转动。 齿圈 导轮 壳 液力变矩器 液力变矩器工作原理 四、液力变矩器特性 1. 定义:当发动机转速和转矩一定时,泵轮的转速和转矩也一 定,变矩比K、传动效率η与转速比i之间的变化规律。 K=Tw/Tb≥1 i=nw/nb≤1 η=Pw/Pb=Ki≤1 2. 特性曲线 失速点 偶合点 变矩器的运行具有双重特征, ?在偶合点之前(即低速时), 变矩器具有扭矩增大功能, ?达到偶合点后,不再具有扭矩 增大功能,变成了偶合器。 锁止离合器锁止的液力变矩器 ? 锁止离合器盘与泵轮相接,锁止离合器摩擦片与涡轮相接 ?带锁止离合器的液力变矩器的活塞在油压的作用下,将多片式锁 止离合器的盘与摩擦片压紧成为一体,使涡轮与泵轮连接成一体 ,此时液力传动变为离合器传动,为刚性连接 ?提高了传动效率,避免变矩器的油温升高 锁止离合器功能 ?行驶阻力小 发动机转速较高,此时不需要增扭,锁止离合器将变矩器的 泵轮和涡轮锁住,可以提高传动效率,能节油5%左右。 ?行驶阻力大 发动机转速降低,此时锁止离合器分离,实现增扭。 单向离合器功能 ? 为了防止汽车高速时出现变矩器的输出扭矩小于输 入扭矩的现象,在导轮和固定轴之间设置单向离合器。 ? ? 当在低速时,作用在导轮叶片正面的液体通过单向 离合器锁止使导轮固定,产生增大扭矩的效果。 当在高速时,作用在导轮叶片的扭矩不能增大。作 用在导轮背面的液体通过单向离合器的超越(释放), 使导轮自由旋转,此时变矩器实际上变成了偶合器, 它只能传递力矩。 五、行星齿轮变速机构 多数自动变速器是采用 多排以由电控系统或液压控 制系统行星齿轮机构提供不 同的传动比。传动比可以由 驾驶员手动选择,也可通过 接合和释放换挡离合器和制 动器自动选择。 ? 辛普森式变速器 ? 拉维萘尔赫式自动变速器 单向离合器工作原理 凸块式单向离合器 单向离合器工作原理 滚珠式单向离合器 五、A140电控自动变速器 1挡:C1、F1工作 2挡:C1、B2工作 倒挡:C2、B3工作 无级变速器 CVT Continuously Variable Transmission 金属带设计 1、CVT 技术的优缺点 ? 内燃机的工作特性; ?摩擦面传递动力; ?速度的改变是通过摩擦面接触的半径来进行; CVT自动变速箱的性能参数比较 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 自动变速箱 手动变速箱 CVT 8,1 8,0 9,3 0~100km/h加速时间(秒) 10,8 10,6 10,4 10,2 10,0 9,8 9,6 9,4 9,2 10,6 9,9 9,7 自动变速箱 手动变速箱 CVT 平均百公里油耗(升) 注:Audi A6 2.8L配备三种变速箱测定数据 CVT无级变速器 2、无级变速传动的分类 ? 变节圆传动 如:锥、盘、环及球面传动; ? 摩擦传动 如:带式、链式传动; 3、金属传动带式无级变速传动(CVT)的技术特点 ? ? ? 基本结构与工作原理 关键部件:金属传动带、工作轮、液压泵 性能指标 Toroidal Traction Drive CVT: ? 依靠滚珠滚子与输入盘 之间的摩擦力传递扭矩 粘性油液具有高剪切强 度; 滚子与输入轴之间的角 度变化导致变速器速比 ? ? the opposing roller. ? 经 济 性 : 装 CVT 的 汽 车 比 装 自 动 变 速 器 的 汽 车 提 高 约 8%~12%,与机械变速汽车相当。 动力性:装CVT的汽车加速性能比装自动变速器的汽车提高 约7.5%~11.5%,在较高速时还略优于机械变速汽车。 传动效率:CVT传动装置除机械传动外,因液压控制系统、 金属传动带的摩擦等要消耗能量,它的传动效率一定低于机 械变速器的效率,最多只能接近机械变速器的效率。 排放:CVT系统因其有较宽的速比变化范围,并能根据汽车 行驶阻力和驾驶员选定的工作模式连续地改变速比,使发动 机输出功率和汽车行驶阻力达到最佳匹配,保证发动机始终 平稳地处在最佳工况下工作,从而改善汽车燃料经济性和发 动机的排放。 ? ? ? 4、CVT的控制目标 CVT传动系的主要任务 ? 把发动机输出功率可靠地传递到驱动轮,并尽可能减小功率 损失。(夹紧力控制) ? 根据汽车的运行条件,按驾驶员选定的工作模式自动改变速 比,使发动机维持在理想的工作点。(速比控制) 目标夹紧力控制 主从动轮的推力比 夹紧力控制 ? 在实际应用中,由 于所采用的控制阀的 不同,其实现也有所 不同。如比例压力控 制阀为连续的模拟量 控制;对开关阀可采 用调制脉宽方式或调 制脉冲方式。 脉宽调制方式 脉冲调制方式 ? 用调制脉宽方式 , 采用开关阀实现比例 控制的原理是改变液 压阀参与工作的比例 。 脉冲调制与脉宽调制驱动信号的区别 目标速比控制 ? 主动轮的转速与从动 轮的转速之比 主从动轮的节圆半径 之比 目标速比 ? ? CVT目标速比的确定 发动机最佳经济曲线和最佳动力曲线 对应每一个节气门开度,都存 在发动机在该条件下的最佳经 济点(最低耗油率点)和最大 功率点。从大到小连续改变节 气门开度,就得到发动机一条 最佳经济线和一条最大功率线。 对应发动机的 任一节气门开 度,都有一个 目标速比,使 发动机具有最 小的燃油消耗 或最大的功率 输出。 最佳经济行目标速比图 最佳动力性目标速比图 CVT夹紧力的确定 金属带式无级变速器所能传 递的最大转矩与从动轮液压 缸轴向夹紧力之间的关系为 QDN ? Tmax cos? / 2 /(2?RDR ) 夹紧力控制系统的控制框图 图 单位转矩时压力与速比的关系 双离合器自动变速器(Dual Clutch Transmission, DCT) 技术特点 ?动力无中断 一个离合器控制奇数挡(一挡、三挡、五挡和倒挡),另一个 离合器控制偶数挡(二挡、四挡和六挡)。 ?自动换挡 ?良好的动力、经济性和换挡平顺性 ?控制复杂、控制精度要求高 双离合器自动变速器结构和工作原理 双离合器自动变速器(Dual Clutch Transmission, DCT) 工作过程 ?车辆处于停车状态时,离合器1、2都分离,不传递动力。 ?当车辆起步时,自动换挡机构将挡位切换为1挡,然后离合器 1接合,车辆开始起步运行,控制过程与AMT类似;此时离合器 2仍然处于分离状态,不传递动力,但2挡已被预先选定。 ?换挡过程:离合器1开始分离,同时离合器2 开始接合,2 个 离合器交替切换,直到离合器1完全分离,离合器2完全接合, 整个换挡过程结束。 换挡控制策略及电控技术 ?离合器同步 1. 变速器在换挡过程中,一个离合器由结合到滑摩再到分 离状态,另一个离合器由分离到滑摩再到结合状态,为 了使动力不中断,两个离合器必然存在工作重叠的部分; 2. 如果两个离合器重叠量过大,则会出现挂双挡的情况, 容易导致发动机熄火;如果两个离合器重叠量过小,则 仍会出现少量动力切换中断的情况。 ?频繁升降档; ?跳档:遇紧急情况突然减速, 连续降低两、三挡工况; ?发动机输出转矩估计; 双离合器起步仿真分析 发动机数值模型 200 150 Te/N.m 100 50 0 6000 4000 2000 ne/rpm 0 20 0 α/% 60 40 100 80 发动机稳态输出扭矩 发动机仿真模型 双离合器起步仿真分析 双离合器模型 为了对干式双离合器扭矩计算模型进行简化,假定离合器工 作过程中的摩擦系数维持恒定,即为摩擦副静摩擦系数μ。根据 该假设得到离合器传递扭矩的表达式如下: 2( R3 ? r 3 ) Tc ? sign ??e ? ?c ? Tcs ? sign ??e ? ?c ? Z ? Fn 3( R 2 ? r 2 ) 干 式 双 离 合 器 模 型 双离合器起步仿真分析 车辆传动系统动力学模型 为分析与比较单离合器起步和双离合器起步两种起步方式的 特性,分别建立单、双离合器起步动力学模型如下: 单离合器起步: ? ? I e?e ? Te ? Tc1 ? Te ? 2rc kc f c Lc1 ?I ? ? T i i ? ? T ? c1 1 0 t r ? v v ? ? C A(3.6?v rw ) 2 Tr ? (( f ? sin ? i )mg ? D )rw ? 21.15 ? ? I v ? ? t mrw 2 ? 双离合器起步: ? ? I e?e ? Te ? Tc1 ? Tc 2 ? Te ? 2rc kc f c Lc1 ? 2rc kc f c Lc 2 ? I ? ? (T i ? T i )i ? ? T ? c1 1 c2 2 0 t r ? v v ? ? CD A(3.6?v rw ) 2 )rw ?Tr ? (( f ? sin ? i )mg ? 21.15 ? ? I v ? ? t mrw 2 ? 传动系统动力学模型 双离合器起步仿真分析 双离合器起步控制策略 驾驶员起步意图通常分为缓起步、正常起步和急起步: 1、当油门开度β<25%时为缓起步,此时要求起步冲击度较小 ,起步经济性较好,故采用双离合器二挡起步; 2、当25%≤β<60%为正常起步,该工况出现频率较高,对离 合器寿命影响最大,此时即要求车辆起步动力性较好,又要尽量均 衡作用在两个离合器上的滑摩功,保证两个离合器磨损寿命基本相 同,故采用双离合器一挡起步; 3、当60%≤β为急起步,主要出现于驾驶员遇到紧急情况或冲 出障碍时,此时要求起步动力性好,同时允许有较大的起步冲击度 。由于急起步工况出现频率较低,故该工况对离合器寿命影响较小 ,采用动力性最好的单离合器一挡起步。 双离合器起步仿真分析 离合器行程控制 离合器目标行程: Tm Lm ? ? Lk 2rc kc f c 节气门开度β (%) 目标行程Lm (mm) ≤8% 1.1 12 1.36 20 1.63 离合器结合速度: Vm ? j? mrw 2rc kc f cis i0?t 60 1.82 80 1.91 40 1.74 结合速度Vm (mm/s) 0.78 1.16 1.94 3.87 5.8 5.8 一挡起步离合器目标行程和结合速度 节气门开度β (%) 目标行程Lm (mm) 结合速度Vm (mm/s) ≤8% 1.1 0.95 12 1.36 1.43 20 1.63 2.39 40 1.74 4.78 60 1.82 7.17 80 1.91 9.56 二挡起步离合器目标行程和结合速度 双离合器起步仿真分析 离合器行程控制 根据以上参数即可建立离合器行程计算模型如下: (a)离合器1行程控制模型 (b)离合器2行程控制模型