摘 要

电动机械式自动变速器运用电机主动同步实现自动换挡，电驱动机械式自动变速器不仅传动效率与手动变速器一样高，而且具有自动换挡的使用便利性。换挡执行机构是电驱动机械式自动变速器的关键部件。本文针对换挡执行机构进行设计、建模和分析，主要完成了以下工作：结合车辆选换挡机构的设计要求，设计了一款选换档执行机构液压系统并论述了其工作原理，根据相关手册计算并校核相关液压系统元件，借助软件AMEsim建立液压系统的模型，通过合理的参数设置对液压系统进行换挡力和活塞杆位移仿真，比较设计所要求的换挡时间和换挡力验证其设计的合理性。

关键词：EMT；AMEsim；选换档执行机构；液压系统，自动变速

Abstract

Electromechanical automatic transmission uses motor to realize automatic gear shifting actively and synchronously. Electric-driven mechanical automatic transmission not only has the same transmission efficiency as manual transmission, but also has the convenience of automatic gear shifting. Shifting actuator is a key component of electrically driven mechanical automatic transmission. In this paper, the design, modeling and analysis of the shift actuator are carried out, and the following work is mainly completed: according to the design requirements of the vehicle shift selector, a hydraulic system of the shift selector is designed and its working principle is discussed. the relevant hydraulic system components are calculated and checked according to the relevant manual, the hydraulic system model is established by means of software AMEsim, and the shift force and piston rod displacement of the hydraulic system are simulated through reasonable parameter setting, and the design rationality is verified by comparing the shift time and shift force required by the design.

Key Words：AMT; AMEsim; Select shift actuator; Hydraulic system, automatic transmission

目录

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

第2章 换挡执行机构系统概述 6

2.1换挡执行机构设计要求 6

2.2执行机构工作原理 7

第3章 换挡执行机构设计 10

3.1液压缸的设计 10

3.1.1机构尺寸设计 11

3.1.2强度校核 11

3.1.3稳定性校核 13

3.2液压元件的选型 15

3.2.1液压泵的选型 15

3.2.2驱动电机的选型 16

3.2.3溢流阀选型计算 16

第4章 换挡执行机构建模与仿真 18

4.1 LMS Amesim平台简介 18

4.2 AMESim的特点及使用方法 19

4.3 建模主要模块介绍 21

4.4基于AMEsim的AMT换挡执行机构模型的建立 23

4.5仿真结果及分析 24

第5章 总结与展望 27

第1章 绪论

1.1目的及意义

在汽车传动系统中，变速器是最为关键的结构之一。汽车行驶过程中行驶工况不断变化，变速器的应用实现了汽车在较大范围内改变汽车行驶速度和行驶力矩，实现汽车的倒行和空档以适应汽车行驶的不同工况需求。随着汽车科技的发展和人们对汽车性能要求的不断提高，操作便捷智能化是汽车研发人员的研究的重点。把手动变速器升级为自动变速器是汽车简化操作之一， 自动变速器通过传感器检测车辆速度变化、油门踏板程度等驾驶命令后，通过电子控制系统，发动机可以在最佳区域工作，智能控制汽车离合器的分离和接合、换档机构的选择等操作过程。，驾驶员只需操纵油门踏板，就可以通过换档过程的自动操作来控制速度。EMT是在保留了原有机械变速器的大部分部件的情况下进行自动化改造，相比于AT而言EMT传动效率高、结构简单、节省能量、制造便捷、工作稳定及排放低等优点深得人们的喜爱，其经济性的特点使汽车自动变速器EMT趋于产品化和商业化。

目前，我国开发的EMT在技术上还不成熟，继续研究和设计EMT换档执行器，对使其在国内得以产业化和商品化发展具有一定的必要性和现实意义。电控机械自动变速传动EMT换挡系统主要包括离合器执行机构、选换挡执行机构及电子控制单元等。设计EMT自动变速器时，选换档执行机构的设计是极其重要的一部分，也是EMT系统的基础和前提。设计换挡执行机构时，要求车辆根据不同的行驶工况和驾驶员命令及时地变换挡位，也应满足换挡过程的时间要求和平顺性。设计要求换档执行器在规定的换档时间内将目标档位挂入，保证车辆的动力及时输入，提高车辆动力输出的稳定性和乘客舒适性从而提高行车安全性。EMT性能的影响因素主要部分来自于换档执行机构的设计，合理的设计也提高了车辆的换档质量。

1.2国内外研究现状

关于自动变速器选换档执行机构设计，国内外学者进行过大量研究，其理论和技术也日渐成熟。

（1）关于AMT技术的发展现状描述，何忠波，白鸿柏在文献[1]中对几种不同类型的自动变速系统进行论述，分析各AMT的特点和性能。对比于其它变速器分析了AMT的优缺点，叙述了AMT的国内外发展现状和AMT的基本工作原理。着眼于当今世界汽车的发展趋向，研究了国内汽车发展情况，提出了国内自我研发AMT汽车的重要性和机遇。我国AMT汽车的商品化、产品化发展已经整装待发， 国内的应用前景广阔。

（2）关于AMT选换挡执行机构的结构设计与布局研究，马向前在文献[2]中在提到了AMT选换挡执行机构的工作原理，在此基础上对其系统结构进行分析，对AMT选换挡结构提出了系统的设计方法和设计流程，完成选换挡执行机构的设计。在换挡机构各零部件的位置关系合理的布置前提下，构建AMT选换挡执行机构的三维模型。对AMT选换挡机构结构布置优化，设计一款AMT支架，将选换挡机构安装于支架上，经过适当的调试和修改后，得到了布局优化的结果，对布局结果进行了分析以满足设计要求。

（3）关于自动变速器液压换挡执行机构设计，在文献[3]中，陈伟,张洪坤,葛安林从换档执行机构液压缸的结构介绍了一种汽车AMT自动变速器。在参考论文[4]中，张辉等人研究了电控机械机械式自动变速器系统的开发和设计，重点对液压的换挡执行机构进行了分析和开发。第一步，研究如何控制、离合片的接合以及整个膜片弹簧离合器的功率扭矩传递性能。由此归纳整理得出了离合器控制的相关特性及传递功率和扭矩的相关公式。在这之后，针对同步器的工作原理和传动相关控制系统的特性，研究分析换挡所需的力。对电控机械机械式自动变速器液压传动系统的目标工作工况和机构要求进行研究工作。在原始离合器设计和最初的控制系统设计的上面，研究改进出一套新的针对液压传动的自动控制系统。为了与实际中相关部件的工作状况相比较，建立模型并分析仿真了离合器在进行结合工作时的工况条件，计算分析了最大允许啮合的速度及使离合器工作的电机相关参数，验证执行机构工作的可行性。液压缸的设计需要满足换档过程中的负载和工作速度的要求。选择液压回路中的重要部件，使用相关的仿真软件对液压系统进行了动态分析。设计AMT换档系统需要先了解AMT的运行原理和应用要求，在文献[5]中，张辉,刘振军,秦大同分析了同步器的换档力对换挡系统设计的影响情况，在满足液压换档系统的设计要求条件下，针对重型车辆研发AMT液压系统。以预先设定的换挡力和换挡距离时间等参数要求为依据，根据液压缸所承受的最大负载等主要参数计算校核液压缸等部件的尺寸，设计出合理的AMT换挡执行系统。张云腾在文献[6]中针对了选换档执行机构的性能提出来相关的设计要求，叙述了选换档执行机构的设计路线，研究机构的主要部件。从参数、结构和特点等方面比较分析了不同的电液换档执行机构，论述其特性，展开叙述了各阀类元件的特点和选型。研究了所选方案对换档性能的影响，分析推导了数学模型。选取相关参数，建立液压缸推力、液压缸动态工作、同步器运行、离合器工作、电磁阀性能等数学模型。针对该模型的运作情况，基于MATLAB/Simulink仿真软件对其进行仿真分析，得到了离合器在换挡过程的仿真结果和电液执行机构的特性，并对仿真结果进行了分析。田韶鹏，王荣帅基于AMESim在文献[7]中对某微型车EMT液压换挡执行机构设计与仿真。孟建民，陈慧岩,席军强在文献[8]中针对自动机械变速器液压选换挡操纵机构存在的不足进行分析并改善设计。基于多学科设计优化(MDO)的基础上，MIAO Cheng-sheng, LIU Hai-ou, CHEN Hui-yan, nc Yu-hui在文献[9]中，提出了一种新的重型汽车自动手动变速器(AMT)液压换挡机构的设计方法。以换档气缸为例，将气缸设计问题的协同优化方法分为一个系统级设计优化问题和三个子系统级设计优化问题。系统级是一个经济模型，子系统级是力学、动力学和可靠性模型。应用多学科设计优化软件iSIGHT建模求解，得到了移动气缸协同模型的最优解。根据最优解，加工出油缸并安装在AMT系统的变速箱上，进行台架循环换挡试验。结果表明，优化后的机构输出力和动作速度均能较好地满足要求。此外，与传统的结构设计方法相比，优化后的机构具有更好的性能，说明CO法可以对液压传动进行优化设计。Oh, J. Y. , Park, Y. J. , Lee, G. H. , amp; Song, C. S.在文献[10]中提出了一种用于模拟配备AMT系统的车辆的分析模型，并着重于对液压系统进行建模，以控制换档期间的离合器和换档。 还模拟了离合器接合的换档曲线以评估换档质量。Tao Mei, Jiang Jiang Li在文献[11]中基于AMT执行器元件表的移位特性和水力学设计原理，借助逻辑分析很容易得到逻辑移位公式，有助于设计液压变速系统。

（4）关于液压选换挡执行机构参数设计，孙冬野,陈丽君,申付松在文献[12] 中基于电控机械式自动变速器从正向设计思路建立了自动换档液压执行机构模型。根据试验测得的原型车性能参数，建立了换档规律，并根据国家标准28工作条件对车辆模型进行仿真，得到了最大同步力。基于换挡过程中的受力情况，根据受力分析计算出液压缸所承受的最大轴向推力，对换档液压缸进行了参数设计，并对阀组和辅助部件进行了选择。最后，利用Matlab/Simulink软件对液压缸转速的动态响应特性进行了仿真验证。该研究过程和结果为自动变速器液压换档执行系统的设计和改良提供了帮助。

（5）关于气压换挡执行机构设计，杨小辉,徐颖强,李世杰在文献[13]中开发设计了某载重汽车AMT换挡气压系统及换挡执行机构.根据气压原理,建立选-换挡机构动态数学模型,以MATALAB/SIMULINK软件为平台,进行该执行机构换挡过程的动态模型建立,针对不同气源压力下执行机构的进、排气腔的压力和行程变化进行了动态仿真分析,为AMT的选-换挡执行机构的设计研究提供理论依据. 姜博，何仁在文献[14]中根据AMT换档执行器的设计要求，提出了AMT气动液压选档变速器与普通单活塞换档缸的设计方案。通过控制高占空比实现了精确的换档，退出位置。 通过数字增量PID控制实现了速度开/关阀。根据气动和液压理论，建立了执行器的动态数学模型。然后应用Matlab / simulink软件建立了动态数学模型。模拟了模型。 分析了不同气源的压力，对齿轮啮合，齿轮啮合和齿轮选择的动态仿真。借助该模型仿真，给出了设计方案的仿真参考及其设计参数。Wang, Jian Zhong， Chu, Liang， Lu, Xin Tian在文献[15]中根据某重型卡车的设计要求，介绍了气动AMT自动变速系统的设计方案，并基于气动原理建立了由两个电磁阀控制的三位气缸的数学模型。 该机制的动态模型由AMEsim软件构建。 在不同的空气压力下模拟进气/排气室的压力和行程的变化。 提供了理论基础来设计AMT选举换档执行器。

（6）关于机电换挡机构的设计，Jin Ling Tao，Hui Jin，Wei Song Yuan，Hui Yan Chen在文献[16] 根据AMT换挡系统的性能特点，开发了机电换挡机构的设计要求，设计了AMT用于越野车的机电换挡机构。根据换档力和换档时间，设计了选档和换档操作机构的参数。 通过有限元分析软件对该机理进行分析，为结构改进及其最终设计提供理论依据。

（7）在 AMT 的研究设计过程中，换挡执行机构的设计与优化是研究的难点和重点之一。直至现在国内外对AMT液压换挡执行元件参数设计方法有了较为系统的论述，但关于AMT的动态特性仿真的研究尚且存在不足，仍具有很大的改良空间。本文从换挡力对执行机构的正向需求来设计液压系统，进行了液压元件的参数设计及选型工作，并完成了液压缸的建模和仿真分析，以其为机械自动变速系统的开发奠定基础。

1.3论文技术方案流程图

论述AMT发展现状及本文研究的方向、目的和意义

换挡执行机构的设计要求