鄭福洪

（畢節(jié)市財貿(mào)學校，貴州 畢節(jié) 551700）

引言

變速器為汽車發(fā)動機的關鍵部件，液力機械式自動變速器可在不切斷動力的情況下實現(xiàn)換擋操作，而且具有起步平穩(wěn)的優(yōu)勢，但是，液力機械式自動變速器傳動效率較低。手動固定式齒輪變速器雖然傳動效率高、制造成本低，但是換擋困難，對駕駛員的操作要求較高。機械式變速器是以微型計算機控制為核心的固定軸式變速器，具有傳動效率高、制造成本低、操作方便的優(yōu)勢，因此被廣泛應用于當前混合動力系統(tǒng)的汽車中[1]。本文將著重對機械式變速器進行設計，并對其進行試驗研究。

1 機械式變速器的總體設計

汽車為當前人們?nèi)粘３鲂械闹饕煌üぞ撸移涿磕耆匀灰詭浊лv的速度增長。在當前石油資源消耗嚴重、環(huán)境污染嚴重以及混合動力汽車續(xù)航里程長、動力性能優(yōu)越等特點形勢下，混合動力汽車將成為當前汽車的主流。在眾多類型的變速器對比后，將機械式變速器應用于混合動力汽車為最佳選擇[2]。

機械式變速器是在固定軸式齒輪變速箱的基礎上，基于微型處理器為核心將換擋、選擋、供油等操作集成為一體實現(xiàn)的變速器。鑒于混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車的特殊性，機械式變速器的應用也相對復雜。機械式變速器在混合動力汽車的應用如圖1所示。

圖1 機械式變速器在混合動力汽車上的應用

2 機械式變速器執(zhí)行機構(gòu)的設計

執(zhí)行機構(gòu)為機械式變速器的關鍵部件，其直接影響機械式變速器的性能甚至整車的性能。

可應用于機械式變速器執(zhí)行機構(gòu)動力源的控制方式包括有電液控制方式、電氣控制方式以及全電控制方式。其中，電氣控制系統(tǒng)換擋速度慢且成本較低；電液控制系統(tǒng)響應速度快、扭矩范圍廣，但是該系統(tǒng)存在成本高、所占空間較大、車內(nèi)布置復雜等缺點；全電控制系統(tǒng)響應速度快、控制精度高、制造成本低，但是該系統(tǒng)的控制程度復雜，包括有兩電機、三電機以及四電機的控制方式[3]。

綜合分析執(zhí)行機構(gòu)不同動力源的優(yōu)劣性對比結(jié)果，針對混合動力汽車擬采用三電機全電控制系統(tǒng)為其執(zhí)行機構(gòu)的動力源。本節(jié)將根據(jù)經(jīng)驗及車體實際布置設計兩種三電機驅(qū)動方式，并對其進行對比得出最佳驅(qū)動方案。

2.1 三電機驅(qū)動方案一

基于三電機驅(qū)動方案下的換擋、選擋機構(gòu)傳動三維模型如下頁圖2所示。

如圖2所示的基于三電機驅(qū)動方案選擋換單執(zhí)行機構(gòu)為平行軸式絲杠螺母齒輪傳動機構(gòu)。其中，該傳動機構(gòu)中的絲杠實現(xiàn)軸向方向的傳動，而齒輪實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。該種選擋、換擋機構(gòu)對應的傳動系統(tǒng)可從很大程度上降低驅(qū)動電機的功率，延長混合動力汽車的使用壽命。而且，基于平行軸式絲杠螺母齒輪傳動機構(gòu)可以確保離合器在工作中所承受的阻力相對穩(wěn)定。

圖2 選擋、換擋機構(gòu)傳動三維模型

2.2 三電機驅(qū)動方案二

三電機驅(qū)動方案二中的選擋和換擋執(zhí)行機構(gòu)分別采用兩個電機完成，其對應的三維模型如下頁圖3所示。

圖3 選擋、換擋采用獨自電機執(zhí)行機構(gòu)三維模型圖

如圖3所示的傳動機構(gòu)采用凸輪機構(gòu)完成換擋操作，從而導致在實際操作中出現(xiàn)選擋不準確的問題。同時，圖3所示的傳動機構(gòu)對應的機械結(jié)構(gòu)復雜，導致加工困難較大，最終成品的精度較低[4]。

綜合對比上述兩種方案，最終選擇方案一對三電機進行驅(qū)動。因此，基于方案一完成對驅(qū)動電機進行選型設計，包括選擋電機和掛擋電機。

3 選擋電機的選型

選擋電機總的行程為15 mm，結(jié)合混合動力汽車的選擋策略設定選定操作執(zhí)行的時間為0.15 s，一般電機的額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。結(jié)合相關理論計算，得出選擋電機的扭矩為0.011 9 N·m。結(jié)合冗余設計的原則，設計電機的傳動效率為50%，則實際電機所需扭矩為0.023 8 N·m，換算得出選擋電機的功率為10 W。

4 掛擋電機的選型

掛擋電機總的行程為20°，結(jié)合混合動力汽車的掛擋策略設定選定操作執(zhí)行的時間為0.2 s，一般電機的額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。結(jié)合冗余設計的原則，設計電機的傳動效率為50%，則實際電機所需扭矩為0.083 3 N·m，換算得出掛擋電機的功率為35 W。

5 機械式變速器試驗研究

機械式變速器的控制為一個龐大的電氣控制系統(tǒng)，其需根據(jù)混合動力汽車的實際工控并根據(jù)提前設定的規(guī)律和決策完成汽車的換擋、起步等操作；同時，機械式變速器電氣控制系統(tǒng)還具備對換擋決策和換擋品質(zhì)的控制功能。根據(jù)混合動力汽車的工況設計如圖4所示的控制策略流程圖。

圖4 機械式變速器控制策略流程圖

為驗證本文所設計機械式變速器對混合動力汽車的控制效果，驗證其是否滿足整車的控制要求，分別對相應的臺架試驗和整車試驗進行研究。

5.1 臺架試驗

針對本文所設計的機械式變速器的臺架試驗需完成對臺架功能的檢查、變速器控制系統(tǒng)的調(diào)試與標定以及正式開展機械式變速器的驗證試驗[5]。并在此對三電機驅(qū)動的方案一和方案二進行對比，對比結(jié)果如表1所示。

表1 兩方案換擋過程中的最大車速降值對比 km/h

如表1所示，隨著節(jié)氣門開度的增加，在實際換擋過程中最大車速降值減小，而且，在節(jié)氣門同樣開度大小下，方案一對應的車速降值小于方案二，與理論分析結(jié)論一致。

5.2 整車試驗

將方案一的驅(qū)動方案應用于整車試驗中，得出如下結(jié)論：

1）平行軸式絲杠螺母齒輪傳動機構(gòu)為主驅(qū)動方案被應用于混合動力汽車中，其對應的經(jīng)濟性和動力性得到明顯的改善；

2）方案一的驅(qū)動方案下整車的油耗得到明顯改善。

6 結(jié)語

變速器為汽車發(fā)動機的關鍵部件，其性能直接決定整車動力、油耗等，因此，對于不同類型汽車應選擇合適的變速器實現(xiàn)對汽車的驅(qū)動。本文注重對機械式變速器執(zhí)行機構(gòu)進行設計，采用全電機控制系統(tǒng)對機械式變速器進行控制。經(jīng)試驗分析可知，基于三電機驅(qū)動方案下的平行軸式絲杠螺母齒輪傳動機構(gòu)被應用于混合動力汽車中對汽車運行的經(jīng)濟性、動力性以及油耗均得到明顯改善，而且，該傳動機構(gòu)在換擋過程中汽車車速降值不明顯。