一种自动变速箱电动选换挡机构设计实例

韩小伟

摘要：自动变速器作为汽车最重要的三大件之一，综合影响着汽车的操控性、舒适性、经济性和安全性等性能，持续优化和不断改进自动变速器是汽车安全行驶和经济使用的必然要求。本文通过对一种自动变速箱电动选换挡机构的结构组成、工作原理及设计开发的研究分析，阐明了一种电动选换挡机构的基本设计思路、设计方法和其主要的设计参数的分析，以用来满足汽车用户对车辆操纵舒适性的更高要求，同时为为本领域工作人员提供一种具有实际意义的参考。

关键词：自动变速箱；电动选换挡机构；操纵方式

中图分类号：    文献标志码：A         文章编号：

引言：汽车变速器是燃油车系统中不可或缺的组成部分。随着新能源汽车和传统燃油机动车辆在我国的迅速普及，由于传动的手动变速器需要由驾驶员操纵挡位，加挡或减挡由人工操作，也需要踩踏离合器的配合操作。传统的手动换挡式变速器虽然能满足汽车的动力性、操控性和经济性要求，但是依然存在着诸多缺点，诸如驾驶人员频繁换挡所导致操作强度大，进而容易引起驾驶员疲劳等，导致市场占有率逐年下降。

同时，随着我国用户对各种车辆的操纵舒适性和行驶安全性要求也越来越高，进而使得目前市场上配备自动变速箱车辆的市场份额越来越大。自动变速器种类较多，其结构比手动变速器要复杂，自动变速箱在由于在保证汽车换挡过程的经济性、动力性和换挡平稳性上的有比较优势，目前市场占有率逐年提高，已经在轿车、货车、越野车、 客车、三轮汽车及拖拉机等各种车型上的运用越来越广泛，有关自动变速方面的理论和技术也得到全面的发展。自动机械式变速器的机械结构是在传统机械式变速器机构改进而来，将人工手动换挡操纵杆部分替换成选、换档电机，因此，变速器部分的设计开发比较简单，大部分可以沿用原先的机械式变速器， 在满足经济性和动力性的换挡策略控制下，可以实现平稳高效的 换挡，提高变速器的寿命和换挡准确性。

目前市场上主流的车辆自动变速箱系统主要有机械式自动换挡变速箱（Automated Manual Transmission，英文简称AMT）、无级式自动换挡变速箱（Continuous Variable Transmission,英文简CVT）、液力变矩器行星排式结构自动换挡变速箱（Electronic Automatic  Transmission,英文简称EAT）和双离合自动换挡变速箱（Double Clutch Transmission，英文简称DCT）。需要说明的是双离合变速器，又被称为直接换挡变速器（Direct Shift Gearbox ，英文简称DSG）。这些自动变速箱与传动手动变速器有很多方面不相同，它们的共同特点比手动变速箱的结构复杂，不需由驾驶者操作离合器换挡，也无需驾驶员进行前进档位的换挡操作干预，由变速箱控制单元根据动力负荷、发动机转速、汽车速度等多方面因素控制选换挡机构进行自动换挡，由机器自动控制挡位，变换挡位是由液压控制装置进行，使用很方便，降低了车辆驾驶员的操作强度。

无级变速箱（CVT）和液力变矩器行星排结构自动变速箱（EAT）通常采用液力变矩器与发动机连接，其基本原理是通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩，无离合器系统；而机械式自动换挡变速箱（AMT）和双离合自动变速箱（DCT）都采用传统的离合器摩擦系统与发动机连接。无级变速箱（CVT）通过液压系统控制压盘移动，实现速比变化；液力变矩器行星排结构自动变速箱（EAT）采用液压系统实现各挡位的湿式摩擦系统实现挡位选择；机械式自动换挡变速箱（AMT）和双离合自动变速箱（DCT）结构类似，除了需要操纵离合器外，还需通过选换挡机构实现挡位选择。因此，机械式自动换挡变速箱（AMT）和双离合自动变速箱（DCT）都需要离合器和选换挡的自动化，通过控制单元来实现速比的自动选择。

但是，机械式自动换挡变速箱（AMT）和双离合自动变速箱（DCT）自动变速箱自动选换挡机构，目前主要采用液压电磁阀系统控制和电液控制来实现。其弊端主要存在以下三个方面：

1）.液压控制系统需要油泵将系统油压维持在一个特定的水平，因此，即使无换挡需求的情况下，油泵也需保持运转来补偿系统的泄漏，从而将系统油压维持在特定水平，能耗较高；

2）.液压控制系统结构复杂，设计困难，对液压油的清洁度要求高，对装配环境要求较高，需要无尘空间，成本高；

3).电液控制系统从设计上避免了液压控制阀的复杂结构，降低了对液压系统清洁度的要求，但是需要密封件来防止泄露，维护成本高。

因此，急需要提供一种新的自动变速箱电动选换挡机构来解决上述技术难题。

1. 电动选换挡机构结构及其分析

变速器操纵机构应能通过驾驶员的操作，保证按照驾驶员意可靠而准确地 使变速器档位进切换入所想要的任任意的一个档位工作，并可根据需要随时使之退到空挡。因此，为优化性能，解决前述问题，本设计方案提供的一种实施方式中的自动变速箱电动选换挡机构，该电动选换挡机构结构如图1所示，

              

图1 自动变速箱电动选换挡机构的正视图                图2 自动变速箱电动选换挡机构的侧视图

1-蜗轮  2-蜗杆  3-换挡拔叉   4-同步器齿套  5-换挡毂  6-选换挡导向槽  7-拔叉轴  8-换选挡电机 

本设计机构是提供一种自动变速箱电动选换挡机构，它的组成包括换选挡电机8、蜗轮1、换挡毂5、蜗杆2和一对同步器齿套4；换挡毂5转动选换挡导向槽6与拨叉轴7往复运动的这种方式在摩托车上有着广泛的应用，是这个领域内的常规技术方案，所以此部分的具体结构及传动关系不在赘述。

如下图，为了避免换挡毂转动与拨叉轴往复运动产生干涉，本设计中，需要保证两拨叉的轴线张开大角度，中间都预留足够运动间隙，那么在换挡毂5转动选换挡导向槽6与拨叉轴7往复运动时就避免了干涉现象。

本机构方案中利用电机驱动换挡毂5，需要维持换挡后档位的稳定，以防止挡位自动脱落，本方案中的采用的蜗轮蜗杆机构已具有自锁止功能。自锁止功能具体是指蜗杆可以轻易转动蜗轮，但蜗轮无法转动蜗杆，这是蜗轮蜗杆传动具备其它齿轮传动所没有的特性。通过此机构挂上挡位后，挡位机构锁止，无法自动脱落，可维持换挡后档位的稳定。蜗轮蜗杆机构是这个领域内的常规技术方案，所以省略了此部分的具体结构及传动关系。其中，换选挡电机8驱动蜗杆2带动蜗轮1转动，蜗轮1与换挡毂5连接以带动换挡毂5转动；与换挡毂5的轴向方向平行地设有一对拔叉轴7，一对同步器齿套4分别与换挡拔叉3固接且通过一对换挡拔叉3活动套设在拔叉轴7上；换挡拔叉3上朝向换挡毂5延伸形成导向柱，导向柱可滑动嵌设在换挡毂5表面上对应形成的选换挡导向槽6，以使得当换挡毂5转动时能够推动换挡拔叉3沿拔叉轴7往复运动。蜗轮1与换挡毂5之间的连接为硬连接，蜗轮1和/或蜗杆2具有自锁功能。换挡拔叉3与同步器齿套4连接处形成弧形件，弧形件的圆弧角度大于180°，换挡拔叉3为一体成型结构。

通过上述技术方案，由电机驱动蜗杆2，带动蜗轮1转动，蜗轮1与换挡毂5硬连接，换挡毂5转动，换挡毂5上的导向槽按照预先设计的角度和轴向位移，推动换挡拨叉沿轴向来回运动，从而实现同步器的轴向运动，达到选换挡的目的。其中，换挡毂5上的导向槽，按照特定角度设计，可以实现多个挡位拨叉轴向位置的控制，这种方式在摩托车上有着广泛的应用。同时，蜗轮1蜗杆2传动可以实现很大的传动比，从而满足小尺寸电机驱动的要求；且蜗轮1蜗杆2有自锁功能，可以防止脱挡；此外，换挡毂5导向槽的设计，使得即使换挡毂5有小角度转动时，导向槽也限制了拨叉的轴向运动，从而防止脱挡。

此外，换挡毂5导向槽的设计，使得即使换挡毂5有小角度转动时，导向槽也限制了拨叉的轴向运动，从而防止脱挡。其中，换选挡电机8驱动蜗杆2带动蜗轮1转动，蜗轮1与换挡毂5连接以带动换挡毂5转动；与换挡毂5的轴向方向平行地设有一对拔叉轴7，一对同步器齿套4分别与换挡拔叉3固接且通过一对换挡拔叉3活动套设在拔叉轴7上；换挡拔叉3上朝向换挡毂5延伸形成导向柱，导向柱可滑动嵌设在换挡毂5表面上对应形成的选换挡导向槽6，以使得当换挡毂5转动时能够推动换挡拔叉3沿拔叉轴7往复运动。蜗轮1与换挡毂5之间的连接为硬连接，蜗轮1和/或蜗杆2具有自锁功能。换挡拔叉3与同步器齿套4连接处形成弧形件，弧形件的圆弧角度大于180°，换挡拔叉3为一体成型结构。

设计中利用电机驱动换挡毂5，需要维持换挡后档位的稳定，以防止挡位自动脱落，本设计中的采用的蜗轮蜗杆机构已具有自锁止功能。自锁止功能具体是指蜗杆可以轻易转动蜗轮，但蜗轮无法转动蜗杆，这是蜗轮蜗杆传动具备其它齿轮传动所没有的特性。通过此机构挂上挡位后，挡位机构锁止，无法自动脱落，可维持换挡后档位的稳定。为了使得换挡毂转动与拨叉轴往复运动不干涉，本设计中，两拨叉的轴线张开大角度，中间都预留足够运动间隙，那么在换挡毂5转动选换挡导向槽6与拨叉轴7往复运动时就避免了干涉现象。

上述设计方案采用电机驱动，其控制方便、灵活，响应速度快，控制精度高，可由变速箱控制单元直接驱动；仅在需要换挡时由控制单元驱动电机，无选换挡需求时，电机无需工作，大大地降低了系统的能耗；并且，整体结构采用全机械结构，无液压系统，对使用清洁度要求低，加工方便，成本低廉。在实际设计工作中，可根据变速器内部空间和布置需要对结构方案做多种简单变型。

该设计的优点可以总结为：

1).蜗轮蜗杆具有大传动比、自锁特性，可防止脱挡;

2).提供了一种自动变速箱电动选换挡机构，包括换选挡电机、蜗轮、换挡毂、蜗杆和一对同步器齿套；

3).由电机驱动蜗杆蜗轮转动换挡毂的导向槽推动换挡拨叉沿轴向来回运动，实现同步器轴向运动，实现换挡；

4).从设计上避免了液压控制阀的复杂结构。

本设计采用新的由自动变速器ECU控制的机械换挡控制系统替换目前广泛采用的液压控制系统，取消了油泵等液压装置，进而降低了系统能耗；本设计采用新的由自动变速器ECU控制的机械换挡控制系统替代结构复杂、设计困难的液压控制系统，对产品生产环境的清洁度要求降低，不需要无尘空间，降低了生产成本；电液控制系统从设计上避免了液压控制阀的复杂结构，降低了对液压系统清洁度的要求，但是需要密封件来防止泄露，维护成本高。

本自动变速箱电动选换挡机构较目前市场通用的结构，本设计具有控制方便、灵活，响应速度快，控制精度高、能耗低的先进性；且无液压系统，对使用清洁度要求低，本设计采用新的由自动变速器ECU控制的机械换挡控制系统替换目前广泛采用的结构复杂、设计困难的液压控制系统，进而降低了系统能耗，解决了目前自动变速器能耗高、液压控制系统结构复杂、清洁度要求高等问题。加之对产品生产环境的清洁度要求降低，不需要无尘空间，降低了生产成本。

2.优化方案及验证

目前自动变速箱电动选换挡机构存在如下几个典型问题，其一，广泛使用的液压控制系统的高能耗问题。因为液压控制系统即使无换挡需求的情况下，油泵仍然维持系统高油压，导致高能耗；其二，液压控制系统结构复杂，设计困难，对液压油的清洁度要求高，对装配环境要求较高，需要无尘空间，成本高；其三，电液控制系统从设计上避免了液压控制阀的复杂结构，降低了对液压系统清洁度的要求，但是需要密封件来防止泄露，维护成本高。

本设计方案中的节气门电机额定功率0.2kw-0.4kw;额定电压6v-48v，电机驱动执行机构根据不同汽车的变速器而存在差异，可根据变速器性能要求、内部空间大小和结构置需要对结构方案做多种简单变型。本设计采用电机驱动，本电机驱动执行机构根据不同汽车的变速器而存在差异。其控制方便、灵活，响应速度快，控制精度高，可由变速箱控制单元直接驱动；仅在需要换挡时由控制单元驱动电机，无选换挡需求时，电机无需工作，大大地降低了系统的能耗；并且，整体结构采用全机械结构，无液压系统，对使用清洁度要求低，加工方便，成本低廉，能够体现与同类现有技术的先进性。本自动变速箱电动选换挡机构较目前市场通用的结构，本设计具有控制方便、灵活，响应速度快，控制精度高、能耗低的先进性；且无液压系统，对使用清洁度要求低，加工方便，成本低廉，更能够体现与同类现有技术的先进性，效益前景可观。

图3 ：本设计与我们进行目前开发产品的实物对照图片

通过对设计改进方案的样品测试及功能验证，结果表明其控制方便、灵活，响应速度快，控制精度高，可由变速箱控制单元直接驱动；仅在需要换挡时由控制单元驱动电机，无选换挡需求时，电机无需工作，大大地降低了系统的能耗；并且整体结构采用全机械结构，无液压系统，对使用清洁度要求低，加工方便

成本低廉，能够体现与同类现有技术的先进性，更能够体现与同类现有技术先进性，效益前景可观。该结构方案具有较强的技术开发前景。

3.总结

本文详细系统地阐述了一种自动变速箱电动选换挡机构开发应用方案，研究了其结构方案和性能要求，并从其工作原理进行了分析，并提出了优化方案，最后通过实物试验的方法予以证明。通过系列验证,表明该改进方案有效提升了自动变速器操控舒适性，为机械式自动变速系统结构的优化设计提供了理论依据。 

本技术方案解决了目前自动变速器广泛存在的高能耗问题；解决目前液压控制系统结构复杂，设计困难，清洁度要求高，生产成本高问题；从设计上避免了液压控制阀的复杂结构。本技术方案提供了一种自动变速箱电动选换挡机构，包括换选挡电机、蜗轮、换挡毂、蜗杆和一对同步器齿套；由电机驱动蜗杆蜗轮转动换挡毂的导向槽推动换挡拨叉沿轴向来回运动，实现同步器轴向运动，实现换挡；蜗轮蜗杆具有大传动比、自锁特性，可防止脱挡。结构简单，清洁度要求低，降低了整体运行的能耗，大大缩减成本[1]。

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作者简介:韩小伟（1980.2.4-),男，汉，安徽阜阳人，本科，芜湖职业技术学院，副教授，主要从事汽车动力总成与传动系统研究

基金项目：安徽省高校省级质量工程“高校优秀青年人才支持计划项目”(gxyqZD2019117)阶段性成果。安徽省高校省级质量工程“线上线下混合式和社会实践课程《传动系的诊断与维修》”，(2020xsxxkc477)，芜湖职业技术学院（韩小伟)“教学示范课《整车性能检测》”，

省级双基项目教学示范课程《汽车故障诊断与维修》