機械式變速器的設計及試驗研究

鄭福洪

（畢節市財貿學校，貴州 畢節 551700）

引言

變速器為汽車發動機的關鍵部件，液力機械式自動變速器可在不切斷動力的情況下實現換擋操作，而且具有起步平穩的優勢，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、操作方便的優勢，因此被廣泛應用于當前混合動力系統的汽車中[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

汽車為當前人們日常出行的主要交通工具，而且其每年仍然以幾千輛的速度增長。在當前石油資源消耗嚴重、環境污染嚴重以及混合動力汽車續航里程長、動力性能優越等特點形勢下，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的變速器。鑒于混合動力汽車與傳統汽車的特殊性，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 機械式變速器執行機構的設計

執行機構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行機構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，電氣控制系統換擋速度慢且成本較低；電液控制系統響應速度快、扭矩范圍廣，但是該系統存在成本高、所占空間較大、車內布置復雜等缺點；全電控制系統響應速度快、控制精度高、制造成本低，但是該系統的控制程度復雜，包括有兩電機、三電機以及四電機的控制方式[3]。

綜合分析執行機構不同動力源的優劣性對比結果，針對混合動力汽車擬采用三電機全電控制系統為其執行機構的動力源。本節將根據經驗及車體實際布置設計兩種三電機驅動方式，并對其進行對比得出最佳驅動方案。

2.1 三電機驅動方案一

基于三電機驅動方案下的換擋、選擋機構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動方案選擋換單執行機構為平行軸式絲杠螺母齒輪傳動機構。其中，該傳動機構中的絲杠實現軸向方向的傳動，而齒輪實現旋轉運動。該種選擋、換擋機構對應的傳動系統可從很大程度上降低驅動電機的功率，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可以確保離合器在工作中所承受的阻力相對穩定。

圖2 選擋、換擋機構傳動三維模型

2.2 三電機驅動方案二

三電機驅動方案二中的選擋和換擋執行機構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行機構三維模型圖

如圖3所示的傳動機構采用凸輪機構完成換擋操作，從而導致在實際操作中出現選擋不準確的問題。同時，圖3所示的傳動機構對應的機械結構復雜，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動。因此，基于方案一完成對驅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，結合混合動力汽車的選擋策略設定選定操作執行的時間為0.15 s，一般電機的額定轉速為4 000 r/min。結合相關理論計算，得出選擋電機的扭矩為0.011 9 N·m。結合冗余設計的原則，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°，結合混合動力汽車的掛擋策略設定選定操作執行的時間為0.2 s，一般電機的額定轉速為4 000 r/min。結合冗余設計的原則，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，其需根據混合動力汽車的實際工控并根據提前設定的規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還具備對換擋決策和換擋品質的控制功能。根據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、變速器控制系統的調試與標定以及正式開展機械式變速器的驗證試驗[5]。并在此對三電機驅動的方案一和方案二進行對比，對比結果如表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，與理論分析結論一致。

5.2 整車試驗

將方案一的驅動方案應用于整車試驗中，得出如下結論：

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

2）方案一的驅動方案下整車的油耗得到明顯改善。

6 結語

變速器為汽車發動機的關鍵部件，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對汽車的驅動。本文注重對機械式變速器執行機構進行設計，采用全電機控制系統對機械式變速器進行控制。經試驗分析可知，基于三電機驅動方案下的平行軸式絲杠螺母齒輪傳動機構被應用于混合動力汽車中對汽車運行的經濟性、動力性以及油耗均得到明顯改善，而且，該傳動機構在換擋過程中汽車車速降值不明顯。