嚴(yán)才秀YAN Cai-xiu 王文慧 WANG Wen-hui 宋寧 SONG Ning 周振威 ZHOU Zhen-wei

摘要：汽車(chē)電動(dòng)化是當(dāng)今社會(huì)的一大趨勢(shì)，與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)一樣，脫檔也是電動(dòng)汽車(chē)變速器常見(jiàn)故障之一，直接影響行車(chē)安全。通過(guò)對(duì)電控式AMT脫擋機(jī)理進(jìn)行分析，并有針對(duì)性的提出預(yù)防措施，為電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考，提升變速器總成的可靠性。

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(guān)鍵詞：電控式AMT;脫擋;機(jī)理分析;預(yù)防措施

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0058-02

0? 引言

機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）具有傳動(dòng)效率高、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工制造等優(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)燃油汽車(chē)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，而電動(dòng)汽車(chē)受困于換擋過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)，目前市面上的電動(dòng)汽車(chē)大多采用直驅(qū)的方式作為動(dòng)力輸入，即動(dòng)力電機(jī)配減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的方式，如圖1所示。隨著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)加裝機(jī)械式自動(dòng)變速器這一驅(qū)動(dòng)方式正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，AMT脫檔問(wèn)題也隨之成為了電動(dòng)汽車(chē)推廣的一個(gè)關(guān)鍵因素。AMT脫擋是指車(chē)輛正常行駛過(guò)程中，在沒(méi)有收到任何換擋指令的情況下，變速器擋位自行從行駛擋位回到空擋的現(xiàn)象[1];車(chē)輛的行駛表現(xiàn)是動(dòng)力中斷，車(chē)速自行下降，在坡道上甚至存在車(chē)輛后溜的可能，存在巨大的行車(chē)安全隱患[2-3]。因此開(kāi)展AMT防脫擋研究具有十分重要的意義，本文通過(guò)對(duì)AMT脫擋機(jī)理進(jìn)行深入分析，并有針對(duì)性的提出預(yù)防與改進(jìn)措施。

1? 機(jī)械式變速器結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電機(jī)具有輸入轉(zhuǎn)速高、扭矩小的特點(diǎn)，通常會(huì)在動(dòng)力電機(jī)輸出端增設(shè)一個(gè)減速器或變速器達(dá)到減速增扭的效果，從而滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力需求。伴隨著傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的飛速發(fā)展，目前機(jī)械式變速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常成熟，主要包含殼體組件、選換擋組件、傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、附件等部分組成，圖2所示為某兩擋機(jī)械式變速器結(jié)構(gòu)示意圖。其中殼體組件主要用于安裝變速器傳動(dòng)系統(tǒng)及附件，需滿(mǎn)足一定的強(qiáng)度和密封性要求;選換擋組件主要是滿(mǎn)足變速器的換擋需求，可以通過(guò)手動(dòng)操縱也可以采用液壓、氣動(dòng)、電控等自動(dòng)化方式進(jìn)行選換擋動(dòng)作;潤(rùn)滑系統(tǒng)主要是為傳動(dòng)齒輪、軸承等提供潤(rùn)滑和降溫，盡可能提高變速器的使用壽命;附件則主要是為了變速器能夠正常工作提供一系列幫助，如防水透氣閥能幫助平衡變速器內(nèi)部壓力、傳感器能準(zhǔn)確提供變速器轉(zhuǎn)速信息等。

2? 防脫擋設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的手動(dòng)機(jī)械式變速器經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一系列常規(guī)的防脫擋設(shè)計(jì)方案，其中接合齒倒錐防脫與自鎖機(jī)構(gòu)防脫是最為常用的兩種方式。AMT是在手動(dòng)機(jī)械式變速器的基礎(chǔ)上加裝選換擋操縱系統(tǒng)構(gòu)成[4]，與手動(dòng)機(jī)械式變速器在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似。因此以上兩種防脫擋結(jié)構(gòu)也廣泛應(yīng)用于AMT上，對(duì)AMT脫擋故障的發(fā)生起到了很好的抑制作用。

①接合齒倒錐防脫設(shè)計(jì)：如圖3所示，將接合齒圈和接合套上的接合齒兩側(cè)加工成倒錐面（一般單邊為2°-4°）。在實(shí)際工作過(guò)程中，接合齒圈帶動(dòng)接合套轉(zhuǎn)動(dòng)，在倒錐面上形成一定的正壓力。該正壓力的軸向分力方向?yàn)閽鞊醴较颍?dāng)接合套有遠(yuǎn)離接合齒圈的脫擋趨勢(shì)時(shí)，軸向分力阻止接合套向脫檔方向移動(dòng)，從而達(dá)到防脫擋的目的。而且變速器脫擋故障通常發(fā)生在爬坡、急加速等大扭矩工況下，此時(shí)倒錐面正壓力會(huì)隨著扭矩的增大而增大，能夠起到很好的防脫檔效果。這是目前應(yīng)用最為廣泛的防脫擋設(shè)計(jì)。

②自鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：如圖4所示，常見(jiàn)的變速器自鎖機(jī)構(gòu)是由自鎖鋼球、自鎖彈簧、自鎖堵頭等組成，并在拔叉軸上沿軸向設(shè)有三個(gè)凹槽，當(dāng)拔插軸移動(dòng)到某一擋位位置時(shí)，自鎖鋼球在彈簧的作用下下嵌到對(duì)應(yīng)凹槽內(nèi)，對(duì)拔插轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)或換擋撥叉軸的軸向移動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)阻力，起到防止脫擋的作用[5]。

3? ATM脫擋原因分析

ATM的換擋過(guò)程涉及到的元件較多且關(guān)系復(fù)雜，因此影響換擋過(guò)程的因素也很多。考慮AMT與手動(dòng)機(jī)械變速器的差異，再結(jié)合AMT自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與控制方式進(jìn)行深入分析，造成AMT脫擋的主要原因有以下幾個(gè)方面：

①變速器內(nèi)部產(chǎn)生磨損或變形。如齒輪或者齒合套磨損、變速器軸承松動(dòng)、殼體變形、定位元件松動(dòng)或變形、拔叉軸磨損或變形等，使得變速器在正常工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的脫檔軸向力，當(dāng)變速器內(nèi)部產(chǎn)生的脫檔軸向力大于倒錐和自鎖機(jī)構(gòu)提供的防脫力總和時(shí)，則會(huì)引起AMT脫檔。

②防脫擋設(shè)計(jì)失效。接合齒倒錐設(shè)計(jì)或自鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在防止脫擋的同時(shí)也會(huì)造成掛擋力和摘擋力的增加，而電控式AMT的換擋執(zhí)行元件能提供的掛擋力和摘擋力是有限的，且過(guò)大的擋位保持力也會(huì)導(dǎo)致?lián)Q擋阻力大、換擋執(zhí)行器壽命降低和換擋異響等問(wèn)題。因此，為了確保AMT自動(dòng)換擋動(dòng)作的順利進(jìn)行，防脫擋力都不能設(shè)計(jì)的過(guò)大，而隨著防脫結(jié)構(gòu)的不斷磨損，防脫擋效果會(huì)逐漸減弱，在某些大扭矩工況下就容易造成AMT脫擋。

③信息采集故障?？紤]到AMT自動(dòng)換擋的需要，其換擋機(jī)構(gòu)上增設(shè)了擋位位置傳感器，傳感器安裝實(shí)物照片如圖5所示，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變速器的擋位位置信息，以便變速器控制器（TCU）能夠及時(shí)了解擋位信息，并在第一時(shí)間做出反應(yīng)。若傳感器信息采集出現(xiàn)故障，變速器換擋控制器接收位置信息失敗或接收到有誤的位置信息，不能及時(shí)對(duì)即將發(fā)生的脫擋故障進(jìn)行處理或給出錯(cuò)誤的操作指令，都會(huì)造成變速器的脫擋。

4? 設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)AMT產(chǎn)生脫擋的原因，在AMT開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以從設(shè)計(jì)源頭降低脫檔的風(fēng)險(xiǎn)，提高變速器的可靠性。①優(yōu)化變速器的齒輪、接合齒等的表面處理。通過(guò)優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)等方式，提高齒輪、接合齒的表面硬度、強(qiáng)度及熱處理深度，減緩變速器的磨損速度，降低AMT在正常生命周期內(nèi)發(fā)生脫擋的風(fēng)險(xiǎn)。②優(yōu)化常規(guī)防脫擋設(shè)計(jì)參數(shù)。在滿(mǎn)足AMT換擋和摘擋性能要求的情況下，盡可能的加大接合齒倒錐角度和軸向長(zhǎng)度、自鎖彈簧剛度、撥叉軸防脫槽的深度等參數(shù)，提升AMT的防脫擋性能。③換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行自鎖設(shè)計(jì)。AMT是通過(guò)換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行換擋動(dòng)作的，除了通過(guò)解決變速器本身的問(wèn)題以外，也可以從換擋機(jī)構(gòu)入手來(lái)解決脫擋的問(wèn)題。在換擋機(jī)構(gòu)上加裝自鎖裝置或者采用能夠反向自鎖的傳動(dòng)方式，均能夠起到很好的防脫效果。④在AMT換擋控制上進(jìn)行防脫擋監(jiān)測(cè)。在傳感器的選擇上可以采用非接觸式傳感器，相比于接觸式傳感器，其壽命更有保障，能夠?yàn)樽兯倨鲹Q擋控制器提供可靠的位置信息;其次在換擋控制上可以通過(guò)對(duì)傳感器反饋回來(lái)的擋位位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)擋位位置即將發(fā)生脫擋時(shí)，及時(shí)控制換擋電機(jī)介入，也能夠有效避免脫擋故障的發(fā)生。

5? 總結(jié)

本文從設(shè)計(jì)角度介紹了現(xiàn)有的防脫檔設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及機(jī)理;分析總結(jié)了可能產(chǎn)生脫檔的原因;并提出預(yù)防改進(jìn)的有效措施。脫擋是AMT較為常見(jiàn)故障之一，在實(shí)際工況中引起AMT脫擋的因素很多，如遇到車(chē)輛的脫擋問(wèn)題，需要根據(jù)脫擋發(fā)生的工況進(jìn)行具體分析排查，再有針對(duì)性的解決問(wèn)題。

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