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用于自动化手动变速器的新型换挡器的概念评估
Zaimin Zhong,Guoling Kong*,Zhuoping Yu,Xinbo Chen,Xueping Chen,Xiangyan Xin
摘要：现有的自动机械变速器（AMT）无论是电动还是液压驱动，通过在变速箱上安装执行器，将变速箱外壳作为一个单元集成。其带来的问题是需要修改齿轮箱外壳，这增加了AMT系统的成本。本文提出一种新颖的AMT换档器，其概念使得能够利用直流电动机通过原本在手动变速器车辆上使用的换档线缆远程实现换档动作的自动化。显然，该概念的优点在于，通过用两个马达代替换档杆可以容易地实现手动变速器的自动化，同时可以保留原始的换档线缆和齿轮箱。然后可以显着缩短成本和开发周期。首先介绍了新型换挡器的概念，研究了换档过程的详细数学模型，并进行了该概念的系统设计和方案选择。同样介绍了基于LQR的执行机构位置反馈控制的最优控制算法。在样车上验证概念和控制算法，考虑到传动机构的长路径的影响，通过山道校准测试来验证该概念的稳定性，并且获得的结果显示了用于AMT的新型换挡器在技术上是可行的，具有对于换档稳定性的强大的健壮性，并且其显示了工业化的巨大潜力。
关键字：AMT; 新型；换挡器；LQR；板上测试
1.介绍
AMT是基于手动变速器开发的，其本质是打破原有的手动变速器工作链，完成自动变速过程，并用自动变速器执行机构替换变速杆。对于手动变速器，在从变速杆到变速叉轴的路径中主要有四个部件：直接连接到变速同步器的杆，缆索，变速轴和变速叉轴[1]。大多数AMT系统以及当前市场中的DCT系统将致动器（例如电动机或螺线管）直接添加到齿轮箱上[2-3]，这个概念的缺点是，由于致动器与齿轮箱一起集成，齿轮箱壳体的修改或重新设计将是必要的。此外，致动器系统通常放置在具有齿轮箱的工作条件恶劣的发动机舱中。它对致动器机构的稳定性提出了更为严格的要求。
目前对AMT的研究主要集中在离合器，换档，发动机的控制算法，甚至基于转矩和速度的协调控制策略[4-6]，采用模糊控制，模式识别，自学习算法和滑模控制等智能控制算法解决AMT系统的非线性，实现可接受的换档性能[7-9]。 R.P.G. HeAth等人提出的Zeroshift轮毂总成，可以封装在现有同步器外壳内，以提供从发动机到车辆的不间断扭矩路径[10]。然而，在现有文献中没有看到关于AMT致动器机构的结构或结构的创新的研究。本文介绍了一种新型的AMT换档器，其原理图如图1所示。如图1所示，该概念的本质是通过可承受拉力和推力的缆索将换档致动器与齿轮箱分离，并且作为独立单元的新型换挡器可以与所有类别的手动变速器兼容，此外，在将MT变换为AMT的过程中将避免变速箱的修改。本文的目的是介绍和评估AMT系统的新型齿轮换档器在动态性能，稳定性和耐久性方面的概念。首先，介绍了主要部件的概念设计和方案选择，并详细分析了在换档过程中的换档载荷。特别地，提出了基于用于致动器的LQR的最优控制算法，并且在测试车辆上验证控制算法。
图1.新型换挡器AMT系统的定义：
（1）换档电机; （2）选择电机; （3）离合器电机; （4）TCU; （5）移动和选择电缆; （6）换档杆; 和（7）加速踏板
2.移动过程的数学模型
在本节中，介绍了采用新型换挡器的AMT执行机构的模型分析。 其结构图如图1所示。 2.选择电机与选择电缆连接，通过控制变速轴上下移动，同时变速电机与变速电缆连接，通过控制变速轴分别旋转，实现变速动作，实现选择动作。 由于换档轴和复位弹簧是固定连接的，当换档动作未被激活时，档拨叉将在复位弹簧的力的作用下返回到中间位置[11-13]。
2.1. 选择过程中执行机构的力分析
AMT的新型换挡器的建模分析见图1。 如图2所示，选择和换档电机与选择电缆连接，选择电缆通过控制换档臂上下移动选择档位，换档电缆通过控制换档臂分别转动而接通或断开。
2.2.力分析选择过程中的操作机制
参见图1中换档轴的力分析。 2（假设换档轴从第三和第四齿轮轴向下移动到第一和第二齿轮轴的位置），垂直方向上的力平衡方程可以描述如下：
方程（1）
FACos(theta;1)=Fk f=kxV f （1）
图2.新型AMT换档器的一般结构：
变速电缆; （2）选择臂; （3）第五，R齿轮的拨叉轴; （4）三档，四档拨叉轴; （5）第一，二档叉轴; （6）自锁钢球; （7）叉; （8）换档轴; 和（9）选择电缆
图3.第一阶段自锁机构的力条件：
（1）齿轮箱; （2）钢球; （3）曲轴; 和（4）自锁弹簧
其中FA是换档臂作用在换档轴上的力，theta;1是换档臂的角度，Fk是换档轴接收的弹簧弹性，f是摩擦力，k是复位弹簧的刚度，xV是换档的垂直位移轴。
围绕点O的换挡臂的扭矩平衡方程如下：
方程（2）
（2）
其中Fsel 是选择拉动选择臂的拉索的力，是选择臂作用在换档轴上的拉力; Mf 是点O的摩擦阻力矩。
当移动臂顺时针旋转theta;1时，电缆的水平位移
方程（3）
（3）
基于上述等式，Fsel 表示为：
方程（4）
（4）
2.3.换档执行机构自锁机构的力分析
为了避免在正常行驶时自动换档或换档，由自锁钢球和弹簧组成的自锁机构设置在齿轮箱内。 沿着叉轴的轴向上表面设置有三个槽。 当换档轴处于空档位置或完成换档向上/向下换档时，其中一个槽必须与钢球精确对准。 然后球在弹簧压力下被迫进入相应的槽，实现自锁功能。 假设换档轴使3/4档的拨叉轴从N档变为3档，自锁球与拨叉轴之间的滑动摩擦是纯净的，球的质量为零。 当球向斜上方移动时，自锁机构的力条件如图3所示
垂直方向的球的力平衡方程表示为：
方程（5）
（5）
其中Fn32和Ff32是作用在球上的叉轴槽的正切力和切向力。
方程（6）
（6）
其中mu;1是球和叉轴之间的等效滑动摩擦系数，Fn12 是齿轮箱对于球的法向力，Fk是用于球的自锁弹簧的力。 假设叉轴的水平位移为xh，则自锁弹簧的变形。
方程（7）
Delta;x=xtAn(theta;N). （7）
预紧力：
方程（8）
Fk=kDelta;x F0=kxtAn(theta;N) F0 （8）
其中F0是弹簧的预紧力。
叉轴在水平方向上的力平衡方程描述如下。
方程（9）
FxCos(theta;N)=Ff13 Ff23Cos(theta;N) Fn23sin(theta;N) （9）
其中Fx是拨叉轴对换档轴的力; Fn23和Ff23分别是用于叉轴凹槽的球的正切力和切向力; Ff13是齿轮箱和叉轴之间的摩擦力。
方程（10）
Ff13=mu;2(Fn23Cos(theta;N)minus;ff23sin(theta;N)) （10）
其中mu;2是齿轮箱和拨叉轴之间的等效滑动摩擦系数。
叉轴的力平衡方程如下：
方程（11）
Fxsin(theta;3)L1=F1L2. （11）
如图1所示，当换档轴转动角度theta;2时，电缆水平位移可描述为：
方程（12）
（12）
基于上述公式，Fx可以计算为：
方程（13）
Fx=F1L2/[L1sin(theta;3)] （13）
2.4. 转换同步器的负载分析
同步器是一个整体元件，产生摩擦力以减少升档时的同步侧速度或增加降档时的同步侧速度，并改变功率流[14]。 图4示出了在本研究中使用的单锥体，同步器由套筒，环，齿轮，滑块和弹簧组成，考虑到同步器的移动负载，根据套筒，环和齿轮之间的不同相对位置， 同步过程分为三个阶段; 阶段1：套筒从中间位置移动直到套筒接触环。 阶段2：套筒和环的倒角接触，处理同步。阶段3套筒移动通过环并移动直到与止动件接触。 下面分析各级的换档负荷。
图4.同步器：
（1）弹簧; （2）环; （3）套筒; （4）齿轮; 和（5）滑块
2.4.1. 第一阶段的换挡荷载分析
该阶段从中性位置开始直到套筒接触环，同步器的主要部件的示意图如图1所示。 如图5所示，滑块的凸起装配到套筒的凹槽中，滑块的作用是在弹簧的辅助下定位套筒的中性位置，因此主移位阻力在套筒通过克服弹力。 为了分析该阶段的移动载荷，基于图6中滑块和套筒之间的接触模型建立力分析。
图5.同步器组示意图。
图6.套筒和滑块之间的接触表面的力分析
其中F是移动力，Ft和Fn分别是沿着接触表面的移动力F的水平和垂直分量，Fn是套筒和滑块之间的相互作用力，Fn1和Fn2是Fn，Ff1的水平和垂直分量 Ff2是作用在滑块上的摩擦力
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