范珊珊，馬 淵，孫文軍，聶幸福

(陜西法士特汽車傳動研究院，陜西 西安 710119)

0 引言

電控機械式自動變速器(AMT)是在傳統(tǒng)機械齒輪式變速器的基礎上，加裝一套選換擋執(zhí)行機構和離合器執(zhí)行機構，實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的自動換擋，使車輛獲得良好的動力性和燃油經(jīng)濟性，同時減少駕駛員疲勞，提高乘坐舒適性，因此在商用車上得到了廣泛應用，歐洲商用車AMT匹配率更是高達90%。國內(nèi)從2016年開始，AMT匹配率也開始增長，尤其是自動駕駛和新能源技術等新技術的推廣都離不開自動變速器的支撐，所以AMT的重要性越來越凸顯。

1 選換擋執(zhí)行機構分類

AMT的換擋過程是由選換擋執(zhí)行機構代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械變速器的換擋操縱機構，完成一系列相應動作并通過傳感器將擋位信息反饋給駕駛員，因此，該執(zhí)行機構的控制精度、響應速度、反饋情況等直接決定了變速器換擋品質(zhì)的高低，影響到AMT的應用情況，進而又影響整車性能。

1.1 按驅(qū)動形式分類

根據(jù)其驅(qū)動形式的不同，選換擋執(zhí)行機構分為電控液動、電控氣動和電控電動三種形式。

電控液動式選換擋執(zhí)行機構以液壓油為工作介質(zhì)，通過控制電磁閥的關斷來自動完成擋位切換。液壓系統(tǒng)容量大、精度高、操作簡便，具有緩沖作用，能吸收一定沖擊。但也有一些明顯的缺點，首先是對液壓油品質(zhì)、管路密封性要求高，受溫度影響較大；其次是結構復雜，維護保養(yǎng)困難，易泄漏，對環(huán)境污染嚴重。

電控電動式選換擋執(zhí)行機構中直流電機TCU(Transmission Control Unit)根據(jù)指令控制執(zhí)行機構。其特點是結構簡單，不需要氣源或者液壓油源，環(huán)境適應能力提高，但選換擋的動作遲緩，精度也沒有液壓系統(tǒng)高，控制方法較難，且電機成本高。

電控氣動形式的選換擋執(zhí)行機構操作簡便，易于實現(xiàn)且污染少。然而與上述兩種執(zhí)行機構相比，由于氣體本身的特性，氣動系統(tǒng)有很多不利于精確控制的弱點。近年來隨著汽車電子技術的飛速發(fā)展，各類性價比高的氣動電磁閥、執(zhí)行元件和傳感器不斷涌現(xiàn)，拓寬了氣動執(zhí)行機構的應用范圍，而且可直接利用車輛原有的氣壓制動系統(tǒng)的氣源，因此節(jié)能環(huán)保、成本低廉的氣動AMT成為當前商用車市場的主流。表1為現(xiàn)有AMT產(chǎn)品的主要執(zhí)行機構分類。

表1 AMT執(zhí)行機構分類

1.2 按布置形式分類

根據(jù)選換擋執(zhí)行機構在變速箱上布置形式的不同，可將其分為外裝式和集成式。外裝式在變速箱本體上直接加裝，無需對箱體進行大量改動，最常見的是XY型選換擋執(zhí)行機構，其選擋氣缸和掛擋氣缸處于正交，在TCU控制下，有一個換擋撥頭在變速箱預先設置好的選換擋軌道上延X、Y方向移動到指定位置，配合完成擋位切換，如圖1所示。

圖1 外裝式XY型氣動選換擋執(zhí)行機構

以16擋AMT變速箱為例，結構為2×4×2，主箱4擋外加1個倒擋，那么需要3個撥叉軸(1/2擋撥叉軸，3/4擋撥叉軸，倒擋撥叉軸)，即選擋方向需要3個位置。另外由于空擋的需要，掛擋方向也存在3個位置，如圖2所示。選擋和換擋可由2個兩位三通電磁閥驅(qū)動，當單獨激活1個電磁閥時，活塞桿到達氣缸的一側；當兩個電磁閥同時激活時，活塞桿到達中間位置，也就是空擋位置或者選擋的中間位置。

圖2 選換擋方向位置示意圖

這種選換擋執(zhí)行機構結構簡單，變速箱機械本體不用做大的改動，只是上蓋需要留出安裝接口；但由于連接選換擋電磁閥和傳感器到TCU的線束裸露在外，容易出現(xiàn)故障，且氣管也布置在外，變速箱整體美觀性下降。

集成式選換擋執(zhí)行機構在這種情況下應運而生，它將TCU、選換擋電磁閥、傳感器和選換擋氣缸集成于一體(見圖3)，選擋氣缸與換擋氣缸仍然處于正交，帶動與之鉸接的選換擋軸移動，從而完成選擋和掛擋動作。這需要在變速箱殼體上設計一個幾乎全密封的腔體，放置執(zhí)行機構，防止?jié)櫥惋w濺，而且加工精度要求高，需保證執(zhí)行機構運動部件與變速箱上撥叉軸的同軸度；但省去了線束氣管等，可靠性提高，故障率降低。

圖3 集成式選換擋執(zhí)行機構組成

ZF兩代AMT Astronic和Traxon均采用集成式選換擋執(zhí)行機構，其特點是一軸多叉，如圖4所示。其具有以下特點：①選擋氣缸直線移動，有3個位置；②選擋推桿的撥頭與選擋氣缸鉸接，在氣缸帶動下作旋轉(zhuǎn)運動；③選擋推桿與撥叉軸固連，選擋推桿旋轉(zhuǎn)時帶動撥叉軸轉(zhuǎn)動一定角度；撥叉軸上連接3個安裝角度不同的撥叉，每轉(zhuǎn)過一定角度，對應有一個撥叉被選中，這就是選擋動作；④撥叉軸前后移動，可掛上不同擋位。這種一軸多叉式設計，將原先主箱的3根撥叉軸減少到1根，設計巧妙，節(jié)省零件。

圖4 一軸多叉選換擋示意圖

最新一代VOLVO I-shift也采用集成式選換擋執(zhí)行機構，其特點是沒有選擋，各撥叉軸獨立驅(qū)動，與雙離合自動變速箱DCT(Dual Clutch Transmission)工作方式類似，當上一擋位工作時，可以預選下一擋位作準備，選換擋速度更快，動力間斷時間短，換擋更舒適，而且該換擋執(zhí)行機構不僅可以用于AMT，還可兼容DCT。集成式撥叉軸獨立驅(qū)動換擋執(zhí)行機構結構如圖5所示。

圖5 集成式撥叉軸獨立驅(qū)動換擋執(zhí)行機構

但該換擋執(zhí)行機構用于AMT時可移植性不好，因為尺寸限制，最多可以布置4個氣缸，除去范圍擋和半擋執(zhí)行機構所需的氣缸，可用于主箱撥叉軸的只有2個氣缸，也就限制了主箱最多4個擋位，只可以用于12擋AMT，或者用于2×5結構的10擋AMT。

2 選換擋執(zhí)行機構設計

綜上所述，氣動驅(qū)動方式、集成式、一軸多叉形式的選換擋執(zhí)行機構比較適用于商用車AMT。以下介紹的變速箱即采用上述方案，TCU與選換擋執(zhí)行機構集成在一起，統(tǒng)稱換擋控制單元(Shift Control Unit)。

2.1 選換擋執(zhí)行機構構成

該變速箱由主箱、前副箱和后副箱三段構成，對應的選換擋執(zhí)行機構SCU包括主箱換擋執(zhí)行機構、選擋執(zhí)行機構、范圍擋執(zhí)行機構、半擋執(zhí)行機構，另外還集成了壓力調(diào)節(jié)器、中間軸轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和4個位移傳感器。離合器電磁閥和中間軸制動器電磁閥也在SCU中，通過變速箱殼體內(nèi)部氣道與其驅(qū)動氣缸相連通，選換擋控制機構組成如圖6所示。

從圖6中可以看出，選擋氣缸有3個位置，由2個兩位三通電磁閥驅(qū)動。換擋氣缸、半擋氣缸、范圍擋氣缸結構類似。中間軸制動器動作簡單，在換擋過程中開通一定時間來降低中間軸以及與之相連的齒輪轉(zhuǎn)速，起調(diào)速作用，沒有位置上的控制，由1個兩位三通電磁閥驅(qū)動就可完成工作。離合器控制較復雜，有4個兩位兩通電磁閥，其中2個快速開關閥、2個慢速開關閥，要求離合器控制過程中能較好地跟隨目標位移曲線。

圖6 選換擋控制機構組成

2.2 選擋互鎖裝置

在一軸多叉結構中，選擋撥頭以與撥叉軸鉸接的點為圓心旋轉(zhuǎn)±22.5°，帶動撥叉軸分別轉(zhuǎn)動到3個選擋位置，每個選擋位置對應一個撥叉，可以掛入相應擋位。從功能安全的角度考慮，變速箱同時掛入兩個擋位是很嚴重的情況，可能導致變速箱扭轉(zhuǎn)，甚至傳動系抱死。為了保證車輛安全行駛，選擋互鎖是必要的措施。根據(jù)一軸多叉結構設計了一個互鎖棘輪，如圖7所示，上面的凹槽尺寸與選擋撥頭大小相匹配，當轉(zhuǎn)到某一位置時，棘爪鎖止，保證在某一時刻只有一個撥叉可以前后移動。

圖7 互鎖棘輪

這種互鎖裝置取消了互鎖鋼球和彈簧機構，設計巧妙，但是對加工和安裝精度要求高。

3 試驗驗證

為了驗證該選換擋執(zhí)行機構方案，搭載16擋和12擋變速箱，在臺架上進行靜態(tài)主箱選掛擋試驗和前后副箱掛擋試驗，同時還建立整車環(huán)境，進行動態(tài)換擋性能試驗。

主箱靜態(tài)掛擋試驗中，電機以50 r/min～100 r/min轉(zhuǎn)速驅(qū)動輸出軸，進行循環(huán)選擋和掛擋操作，該試驗進行到800萬次執(zhí)行機構仍能正常工作，其主箱壽命遠超過800萬次。前副箱靜態(tài)掛擋試驗中，將主箱置于空擋，前端電機以1 000 r/min轉(zhuǎn)速驅(qū)動輸入軸，循環(huán)進行前副箱擋位切換，目前該試驗進行到280萬次，已達到壽命要求。后副箱靜態(tài)掛擋試驗時，后端電機以400 r/min～500 r/min轉(zhuǎn)速驅(qū)動輸出軸，同時主箱保持在空擋，循環(huán)進行后副箱高低擋位切換，已達到100萬次壽命。靜態(tài)掛擋試驗如圖8所示。

圖8 靜態(tài)掛擋試驗

在整車試驗中，分別進行起步掛擋、行車過程升擋、行車過程降擋等各種工況下的換擋操作。統(tǒng)計結果顯示：換擋時間可以控制在500 ms內(nèi)；另外通過AVL Drive進行客觀換擋性能評估，其各項指標均在7.5分以上，完全滿足商用車使用要求。

4 結論

選換擋執(zhí)行機構的選擇決定了商用車AMT換擋品質(zhì)。在競爭日益激烈的當前市場上，存在多種選換擋執(zhí)行機構，本文從動力源、布置方式、選換擋配合等方面對比分析了當前最常見的換擋執(zhí)行機構，最終確定使用集成式氣動執(zhí)行機構，其設計能與變速箱更好地融為一體，省去了外部線束和氣管布置，變速箱外觀效果整潔，且一軸多叉的結構設計巧妙，零部件數(shù)量減少，可移植性好。經(jīng)過臺架以及整車試驗驗證，該選換擋執(zhí)行機構方案能夠大大提高AMT換擋品質(zhì)和可靠性。