藺朝莉，楊 平

(1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院， 重慶 401331;2.重慶工商職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院， 重慶 401520)

AMT電控自動(dòng)變速器通過加裝電控離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和自動(dòng)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)手動(dòng)變速器的離合器踏板和換擋桿，因而保留了手動(dòng)變速器的高效率和加速性能[1]。但相較于其他自動(dòng)變速器，它的換擋效率還有待提高。其原因是 AMT 在選換擋時(shí)，兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要配合完成摘擋、選擋和掛擋3個(gè)過程，從摘下原擋位到掛上新?lián)跷恍枰粋€(gè)邏輯過程。該過程中離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)歷分離和結(jié)合，由于機(jī)械摩擦、彈性變形、裝配誤差及間隙等影響因素的存在,使響應(yīng)速度和傳動(dòng)效率受到影響，進(jìn)而影響整車的換擋品質(zhì)[2-3]。AMT離合器的傳動(dòng)效率能夠表征上述影響因素對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)工作性能的影響，AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率高，則離合器控制精度高、控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，可以有效縮短換擋過程中的動(dòng)力中斷時(shí)間。因此，通過試驗(yàn)研究離合器的傳動(dòng)效率，不僅對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型和功率匹配具有重要意義，而且對(duì)控制策略制定和控制系統(tǒng)開發(fā)具有重要的參考價(jià)值。

本文針對(duì)某AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)制定了傳動(dòng)效率試驗(yàn)方案，搭建了AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率測(cè)試平臺(tái)，并利用該平臺(tái)測(cè)量了不同工況條件下的傳動(dòng)效率，為研究離合器控制特性和換擋品質(zhì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)原理

1.1 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

試驗(yàn)對(duì)象為電控-電動(dòng)式離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其動(dòng)力源為伺服電機(jī)。動(dòng)力傳動(dòng)裝置由齒扇齒輪和齒輪齒條兩級(jí)傳動(dòng)組成，如圖1所示。動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生，通過弧形齒扇把動(dòng)力傳遞給圓柱齒輪，再由圓柱齒輪傳遞給直齒齒條。直齒齒條把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，齒條與離合器分離撥叉相連，進(jìn)而帶動(dòng)分離軸承運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)離合器的斷開。齒扇齒輪的傳動(dòng)比為0.255，齒輪齒條的傳動(dòng)比為1。

圖1 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)總成

1.2 試驗(yàn)原理

1) 在動(dòng)力輸入端設(shè)置角位移傳感器測(cè)得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入軸的角位移，并安裝扭矩傳感器，用于測(cè)量傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入扭矩。一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩也用以上方法測(cè)得。

2) 為求得整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞效率，還需計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩。該二級(jí)傳動(dòng)的輸出為直線運(yùn)動(dòng)，需要用力傳感器測(cè)量齒條的推力，用位移傳感器測(cè)量齒條的工作行程。力傳感器采用BK-2B型力傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊，抗側(cè)向力強(qiáng)，精度高，拉、壓輸出對(duì)稱性好，性能穩(wěn)定可靠和安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)[4]。位移傳感器為JCXF1光柵尺，具有優(yōu)異的重復(fù)定位能力和高等級(jí)的測(cè)量精度。

3) 選用安川直流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)ΣSGMAV06A作為動(dòng)力裝置。相較于交流電機(jī)，其具有調(diào)速方便，調(diào)速范圍寬，且低速性能好的優(yōu)點(diǎn)。

4) 選用STEKI公司的PB5磁粉制動(dòng)器為加載裝置。它以激磁電流作為控制條件，具有穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。磁粉制動(dòng)器的動(dòng)力輸出方式為轉(zhuǎn)動(dòng)，而齒條的運(yùn)動(dòng)路徑為直線，因而需要加裝陪試件將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)。

5) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪齒扇的正反轉(zhuǎn)和齒條的來(lái)回運(yùn)動(dòng)都有一定的行程要求。為防止伺服電機(jī)在某一轉(zhuǎn)動(dòng)方向超出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作行程導(dǎo)致試驗(yàn)臺(tái)損壞，需要設(shè)置一個(gè)限位保護(hù)裝置。接近開關(guān)可以在不與目標(biāo)物實(shí)際接觸的情況下檢測(cè)目標(biāo)物與傳感器的距離，從而達(dá)到保護(hù)的目的。

臺(tái)架整體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 臺(tái)架整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)的搭建

課題結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康模肐nventor三維軟件設(shè)計(jì)了兩套夾具，再通過試驗(yàn)對(duì)象與夾具的裝配完成整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與虛擬裝配。將設(shè)計(jì)的夾具按照?qǐng)D紙進(jìn)行加工，然后將各試驗(yàn)裝置與夾具在工作臺(tái)上進(jìn)行安裝，完成試驗(yàn)臺(tái)架的搭建。圖3為離合器一、二級(jí)傳動(dòng)效率試驗(yàn)臺(tái)的虛擬和實(shí)物裝配圖，圖4為離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體傳動(dòng)效率試驗(yàn)臺(tái)的虛擬和實(shí)物裝配圖。

圖3 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)一、二級(jí)傳動(dòng)效率試驗(yàn)臺(tái)模型圖和實(shí)物圖

圖4 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體傳動(dòng)效率試驗(yàn)臺(tái)模型圖及實(shí)物圖

2.2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)基于Labwindows/CVI交互式C語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)，其整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。設(shè)計(jì)好的測(cè)試系統(tǒng)能對(duì)執(zhí)行時(shí)間、輸入/輸出轉(zhuǎn)矩、離合器工作行程、負(fù)載等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)，進(jìn)而高效準(zhǔn)確地得到相關(guān)參數(shù)的性能曲線。如果試驗(yàn)過程中出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)能自動(dòng)開啟保護(hù)功能，以保證人員和設(shè)備的安全。

圖5 AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 傳動(dòng)效率試驗(yàn)分析

3.1 平均傳動(dòng)效率

由于設(shè)計(jì)、制造加工等因素的影響，離合器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各齒輪副之間不可避免地會(huì)出現(xiàn)間隙、摩擦和變形等情況，使離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入能量無(wú)法完全轉(zhuǎn)化為分離撥叉的輸出能量。因此，本文從能量守恒的原則出發(fā)，提出離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)平均傳動(dòng)效率的概念[5]。首先計(jì)算Δt時(shí)間內(nèi)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入總功和輸出總功，然后將i時(shí)刻Δt時(shí)間內(nèi)輸出總功Wio與輸入總功WiI之比作為離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)某一瞬態(tài)的傳動(dòng)效率ηi：

(1)

(2)

利用式(1)求得的瞬態(tài)傳動(dòng)效率能夠準(zhǔn)確掌握各個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的能量走勢(shì)，從而清晰、直觀地判斷動(dòng)力傳遞過程中能量損失較為嚴(yán)重的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和位置軌跡。利用式(2)求得的平均傳動(dòng)效率，可以分析離合器不同加載扭矩和執(zhí)行時(shí)間條件下傳動(dòng)效率的變化規(guī)律，進(jìn)而為離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

3.2 試驗(yàn)方法

AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作時(shí)間只有200 ms左右。但由于試驗(yàn)臺(tái)軟、硬件的限制以及整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在，試驗(yàn)執(zhí)行時(shí)間無(wú)法保證與實(shí)際執(zhí)行時(shí)間一致，但可以通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體傳動(dòng)效率試驗(yàn)與一、二級(jí)傳動(dòng)效率試驗(yàn)的執(zhí)行時(shí)間和傳動(dòng)效率的變化規(guī)律找出其內(nèi)在的相關(guān)聯(lián)系。因此，試驗(yàn)參照國(guó)家相關(guān)傳動(dòng)效率試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作工況和設(shè)計(jì)參數(shù)，通過磁粉加載器設(shè)置了18、15、13、11、9和 7 N·m六種加載工況，每種載荷工況下分別設(shè)定的執(zhí)行時(shí)間為10、7、5、3和1 s，每種工況重復(fù)10個(gè)循環(huán)，最后計(jì)算每種工況下傳動(dòng)效率的平均值。每種載荷工況下的不同執(zhí)行時(shí)間通過定負(fù)載-變時(shí)間和定時(shí)間-變負(fù)載兩種試驗(yàn)的排列組合實(shí)現(xiàn)[6-7]。

3.3 定時(shí)間變負(fù)載試驗(yàn)

將6種負(fù)載工況對(duì)應(yīng)的5個(gè)執(zhí)行時(shí)間分別進(jìn)行定時(shí)間變負(fù)載試驗(yàn)。每種負(fù)載時(shí)間條件下，通過多次重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算每種工況傳動(dòng)效率的平均值，其中，執(zhí)行時(shí)間為10 s，加載扭矩分別為17、15、13、11、9和7 N·m的離合器整體傳動(dòng)效率、離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)一、二級(jí)傳動(dòng)效率試驗(yàn)結(jié)果分別如圖6(a)～(c)所示。圖6中橫坐標(biāo)為離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為傳動(dòng)效率。一、二級(jí)傳動(dòng)效率和整體傳動(dòng)效率具有一致的變化趨勢(shì)，即負(fù)載越大，傳動(dòng)效率越高。一級(jí)傳動(dòng)效率隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加變化較小，而二級(jí)傳動(dòng)效率波動(dòng)較大。

圖6 定時(shí)間-變負(fù)載工況下的傳動(dòng)效率

再根據(jù)式(2)求出上述工況的平均傳動(dòng)效率，得到傳動(dòng)效率-負(fù)載扭轉(zhuǎn)之間的關(guān)系曲線，即不同負(fù)載扭矩下的平均傳動(dòng)效率，如圖7所示。圖7中：橫坐標(biāo)為加載扭矩；縱坐標(biāo)為傳動(dòng)效率。該關(guān)系曲線的獲取為后續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型和換擋時(shí)間的精確計(jì)算提供了依據(jù)。

由圖7(a)～(c)的總體變化規(guī)律和相互對(duì)比可知：二級(jí)齒輪齒條傳動(dòng)效率較高，當(dāng)負(fù)載為17 N·m時(shí)，可以到達(dá)98%以上；一級(jí)齒輪齒扇和整體傳動(dòng)效率較低，主要范圍為20%～40%。隨著加載扭矩的增加，傳動(dòng)效率也增加，最大差值為15%左右，且在低扭矩段傳動(dòng)效率波動(dòng)較大。

3.4 定負(fù)載變時(shí)間試驗(yàn)

參考上述研究方法，得到定負(fù)載變時(shí)間工況下的傳動(dòng)效率-執(zhí)行時(shí)間關(guān)系曲線，如圖6所示。其中：橫坐標(biāo)為執(zhí)行時(shí)間；縱坐標(biāo)為傳動(dòng)效率。由圖8的總體變化規(guī)律可知，傳動(dòng)效率隨執(zhí)行時(shí)間的減小而減小，但以換擋時(shí)間5 s為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)換擋時(shí)間大于5 s 時(shí)，傳動(dòng)效率變化平穩(wěn)，當(dāng)換擋時(shí)間小于5 s時(shí)，傳動(dòng)效率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，尤其是二級(jí)傳動(dòng)效率變化較大。這是因?yàn)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪副存在間隙和裝配誤差，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)在初始運(yùn)動(dòng)瞬間，相當(dāng)一部分的能量用來(lái)克服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性力，從而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)初期平均傳動(dòng)效率較低。但執(zhí)行時(shí)間對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)平均傳動(dòng)效率的影響較小，其變化范圍只有5%左右。二級(jí)傳動(dòng)效率幾乎是一級(jí)傳動(dòng)效率和整體傳動(dòng)效的2.5倍或更多，最高可達(dá)98.4%，二級(jí)傳動(dòng)和整體傳動(dòng)效率都在40%以內(nèi)。

圖7 定時(shí)間變負(fù)載傳動(dòng)效率-負(fù)載扭矩關(guān)系曲線

圖8 定負(fù)載變時(shí)間工況下傳動(dòng)效率-執(zhí)行時(shí)間關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)平均傳動(dòng)效率試驗(yàn)方案，得到了離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率-負(fù)載扭矩和傳動(dòng)效率-執(zhí)行時(shí)間的變化關(guān)系曲線，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的型號(hào)選擇、性能參數(shù)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐，也符合企業(yè)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的要求。

2) 一、二級(jí)傳動(dòng)效率試驗(yàn)和整體傳動(dòng)效率試驗(yàn)的關(guān)系曲線在趨勢(shì)走向上基本一致，說(shuō)明試驗(yàn)臺(tái)的整體設(shè)計(jì)和測(cè)試系統(tǒng)是可行性的。試驗(yàn)得到的效率曲線具有較好的重復(fù)性，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，證明試驗(yàn)結(jié)果是可靠有效的。

3)通過比較圖7和圖8可知，2種工況下傳動(dòng)效率的變化趨勢(shì)基本一致。不管是定負(fù)載變時(shí)間還是定時(shí)間變負(fù)載，一級(jí)傳動(dòng)和整體傳動(dòng)的傳動(dòng)效率都較低，主要在20%～40%范圍內(nèi)波動(dòng)，而二級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)效率都較高，均達(dá)到90%以上。因此通過優(yōu)化一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以有效提高離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體的平均傳動(dòng)效率。

4) 在執(zhí)行時(shí)間恒定時(shí)，離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載變化對(duì)平均傳動(dòng)效率影響較大，且平均傳動(dòng)效率隨負(fù)載的增加而增加；而在負(fù)載恒定時(shí)，執(zhí)行時(shí)間對(duì)平均傳動(dòng)效率影響較小。