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汽車變速器模型的介紹與應(yīng)用

更新時(shí)間:2017-09-29      點(diǎn)擊次數(shù):1734

2017-07-06 14:27 點(diǎn)擊:171

變速器是汽車的重要部件, 包括手動(dòng)變速器與自動(dòng)變速器。汽車自動(dòng)變速器是高技術(shù)產(chǎn)品,它集機(jī)械、電子和液壓控制于一體,結(jié)構(gòu)和原理十分復(fù)雜?!镀囎兯倨髟砼c結(jié)構(gòu)》是中等職業(yè)學(xué)校汽車維修專業(yè)的必修課,也是學(xué)生感覺(jué)zui難學(xué)的一門課。職業(yè)學(xué)校培養(yǎng)技工和技師,必須重視現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)教育。我們構(gòu)建了汽車變速器的教學(xué)模型,簡(jiǎn)化了教學(xué)內(nèi)容和過(guò)程,方便了教學(xué)。利用教學(xué)模型,在教學(xué)中演示變速器的工作狀況,有利于增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí),加深學(xué)生對(duì)變速器原理的理解和記憶,提高教學(xué)質(zhì)量。

汽車變速器主要類型有MT、AMT、AT、CVT、DSG 等。其中,MT 是手動(dòng)控制的,其余是自動(dòng)控制的。自動(dòng)控制方式有電子控制、液壓控制和電液控制等。教學(xué)模型應(yīng)該反映汽車變速器的主要結(jié)構(gòu)和基本原理。教學(xué)模型應(yīng)零部件少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,控制程序簡(jiǎn)短,能夠模擬汽車變速器的基本功能———變速器將引擎的動(dòng)力傳遞至車輪,自動(dòng)或手動(dòng)改變傳動(dòng)比,以適應(yīng)各種不同的工況。

MT 手動(dòng)變速器教學(xué)模型

MT手動(dòng)變速器是一種典型的手動(dòng)變速器,很多汽車采用這種類型的變速器。它的教學(xué)模型簡(jiǎn)稱為MT教學(xué)模型。該教學(xué)模型如圖1所示, 輸入軸、中間軸與齒輪固定連接,輸出軸與三個(gè)齒輪非固定連接,齒輪可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。軸環(huán)與輸出軸以花鍵連接。軸環(huán)可以沿著軸線方向移動(dòng),同時(shí)與輸出軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。撥叉使軸環(huán)移動(dòng),軸環(huán)靠向齒輪的側(cè)面,側(cè)面犬齒嚙合,軸環(huán)與齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。軸環(huán)停留的位置不同,產(chǎn)生不同的擋位,就有不同的傳動(dòng)比。惰輪改變轉(zhuǎn)向,構(gòu)成倒車擋。軸環(huán)與輸入軸的齒輪接合,出現(xiàn)直接擋,效率zui高。該教學(xué)模型可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)前進(jìn)擋、一個(gè)倒車擋,簡(jiǎn)單,直觀,學(xué)生多看幾眼就明白其中的原理。


圖1 MT 教學(xué)模型示意圖

AMT 自動(dòng)變速器的教學(xué)模型

在MT 手動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的AMT自動(dòng)變速器, 有MT手動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、維修方便、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn), 又有自動(dòng)快速換擋的功能。在上述MT教學(xué)模型的基礎(chǔ)上,制作AMT自動(dòng)變速器的教學(xué)模型。它包括了汽車AMT自動(dòng)變速器的主要組成部分,反映出AMT 的基本工作原理。其變速機(jī)構(gòu)如圖2所示。它有三個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒車擋,有手動(dòng)換擋與自動(dòng)換擋兩種工作模式。

圖2 AMT教學(xué)模型示意圖

該教學(xué)模型的自動(dòng)控制電路(如圖3所示)代替汽車常用的電子控制單元(ECU)??删幊绦蚩刂破鳎≒LC)編程使用梯形圖,易于學(xué)生理解?,F(xiàn)代汽車的ECU 包括計(jì)算機(jī)軟硬件、接口電路等,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,功能強(qiáng)大,它同時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及其他裝置。直接地針對(duì)ECU進(jìn)行教學(xué)是很難的, 實(shí)際上, 一般的ECU是由專業(yè)公司研制生產(chǎn)的, 由于商業(yè)保密的因素,ECU電路圖和控制程序等資料一般找不全。

圖3 AMT模型的自動(dòng)控制由路原理圖

在模型中,氣缸作為換擋執(zhí)行元件,代替汽車變速器常用的液壓油缸; 電磁離合器代替汽車常用的液壓控制離合器;以氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)代替汽車的液壓傳動(dòng)系統(tǒng),力求造價(jià)低廉,裝配

方便,又可以滿足教學(xué)的要求。

同時(shí),直流電動(dòng)機(jī)代替汽車引擎。PLC輸出矩形波,控制直流電動(dòng)機(jī)。改變矩形波的占空比,就能改變電機(jī)的平均工作電流, 即改變電機(jī)的功率。電位器W1作為油門踏板的位置傳感

器,其輸出電壓為0~10伏特。軟件編程設(shè)定,矩形波的占空比與傳感器的輸出電壓值成正比。調(diào)整電位器W1,即調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸出功率。
PLC輸出矩形波, 控制電磁離合器C0 的接合與分離。W2是離合器位置傳感器。矩形波的占空比與電位器W2的輸出電壓成正比。為了模仿汽車平穩(wěn)啟動(dòng),緩慢調(diào)整W2,PLC輸出占空比連續(xù)變化的脈沖信號(hào),電磁力逐漸加大,離合器從分離狀態(tài),經(jīng)過(guò)“半聯(lián)動(dòng)”,至接合狀態(tài)。

安裝兩組光電傳感器,將輸入軸與輸出軸的轉(zhuǎn)速以脈沖的形式向PLC發(fā)送信息。光電傳感器是由光耦合器與轉(zhuǎn)盤組成的。轉(zhuǎn)盤沿圓周分布10個(gè)圓孔,隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。光耦合器對(duì)準(zhǔn)小孔時(shí),輸出低電平,否則輸出高電平。軸轉(zhuǎn)一圈,PLC計(jì)數(shù)器接收10個(gè)脈沖。PLC 計(jì)算單位時(shí)間的脈沖數(shù),判斷軸的轉(zhuǎn)速。結(jié)構(gòu)原理很簡(jiǎn)單。


圖4 AMT模型的氣壓傳動(dòng)裝置

PLC控制4個(gè)繼電器(L1~L4)。繼電器控制電磁閥(圖4的L11~L14)。電磁閥控制氣缸。氣缸操縱換擋機(jī)構(gòu)(軸環(huán)等),實(shí)現(xiàn)換擋變速。

輸入軸與直流電動(dòng)機(jī)連接,輸出軸與“車輪”連接。改變“車輪”的摩擦阻力,或改變電動(dòng)機(jī)的輸出功率,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)受影響。通過(guò)切換變速器的擋位,使電動(dòng)機(jī)保持在正常的工作狀態(tài),電機(jī)的轉(zhuǎn)速和工作電流被控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。
PLC控制整機(jī)協(xié)調(diào)工作。PLC程序的編寫是一項(xiàng)頗具彈性的工作。該教學(xué)模型仿效汽車的“手自一體化”功能。手動(dòng)換擋工作模式的控制程序比較簡(jiǎn)單。先編寫手動(dòng)操作換擋的控制程序,調(diào)試成功后編寫自動(dòng)換擋程序。在教學(xué)的初期,程序應(yīng)該盡量簡(jiǎn)短,能夠控制機(jī)器實(shí)現(xiàn)基本作業(yè)就行。隨著學(xué)生能力的提升,逐步豐富程序的內(nèi)容,或者將更高要求的編程留給學(xué)生編寫,作為研究性學(xué)習(xí)的內(nèi)容。教師須注意因材施教,合理地掌握教學(xué)的深度。

雖然AMT變速器使用的數(shù)量不多,但是,它與行星齒輪變速器的換擋原理有相似之處。AMT的知識(shí)是學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜的AT變速器的基礎(chǔ)。因此,AMT變速器教學(xué)有重要意義。
辛普森行星齒輪變速器的教學(xué)模型

目前, 大多數(shù)的自動(dòng)擋汽車使用AT 變速器。AT是由液力變矩器、行星齒輪變速器和電液控制裝置等組成的。其中,行星齒輪變速器是關(guān)鍵部件。辛普森行星齒輪變速器的教學(xué)模型包含基本的辛普森行星齒輪變速機(jī)構(gòu)(兩排行星齒輪、兩個(gè)離合器、兩個(gè)制動(dòng)器,如圖5 所示)、PLC自動(dòng)控制電路和氣壓傳動(dòng)裝置。該教學(xué)模型可以模擬AT自動(dòng)換擋的過(guò)程。


圖5 行星齒輪機(jī)構(gòu)示意圖
該教學(xué)模型有三個(gè)前進(jìn)擋(第三擋是直接擋)和一個(gè)倒車擋。它與前述AMT教學(xué)模型有可比性和共同點(diǎn)。該教學(xué)模型采用AMT教學(xué)模型的PLC控制電路(見(jiàn)圖3)。可參考AMT教學(xué)模型的控制程序,編寫該教學(xué)模型的程序。

圖5的C1、C2采用電磁離合器。圖3 所示電路的繼電器L1、L2控制C1、C2的接合與分離。B1、B2采用帶式制動(dòng)器。繼電器L3、L4控制電磁閥,電磁閥操縱帶式制動(dòng)器的氣缸,決定B1、B2的制動(dòng)與釋放。換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)(C1、C2、B1 和B2)的狀態(tài)與變速器擋位的關(guān)系,是理解換擋變速原理的重要信息,也是編寫PLC程序的主要依據(jù)。在引擎與行星齒輪機(jī)構(gòu)的輸入軸之間,保留圖3的電磁離合器C0。

行星齒輪機(jī)構(gòu)的制作應(yīng)該考慮教學(xué)的需要,應(yīng)該采用輕便的材料,如鋁合金或塑料;結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單,又容易觀察;組裝和使用方便;制造精度不高,減少制作成本。

帶式無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器的教學(xué)模型

帶式無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器

(CVT)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)級(jí)變速。該CVT的教學(xué)模型包括帶式無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制裝置。帶式無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)如圖6所示,主要零件有主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、傳動(dòng)帶、導(dǎo)塊和絲桿螺母等。主動(dòng)輪、從動(dòng)輪是圓錐體。導(dǎo)塊中心位置有螺母。調(diào)速絲桿轉(zhuǎn)動(dòng), 通過(guò)螺母改變導(dǎo)塊的位置, 導(dǎo)塊調(diào)整傳動(dòng)帶在輪上的位置,也就是調(diào)整主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的有效工作半徑,從而改變輸入軸與輸出軸的傳動(dòng)比。觀察該教學(xué)模型的運(yùn)行情況,憑借感性認(rèn)識(shí),學(xué)生能夠理解工作原理。CVT的變速性能*,但是使用CVT的汽車不多。原因是傳動(dòng)帶的承載能力和耐用性難以滿足要求,使用成本比較高。該教學(xué)模型的傳動(dòng)帶采用橡膠材料,機(jī)構(gòu)的工作負(fù)載小,能演示工作過(guò)程即可,容易實(shí)現(xiàn)。

圖6 帶式無(wú)級(jí)變速構(gòu)簡(jiǎn)圖

CVT教學(xué)模型的自動(dòng)控制裝置由PLC等組成, 如圖7所示。直流電動(dòng)機(jī)的功率控制電路、引擎與車輪的轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路均與上述AMT 的電路相同。電磁離合器C0連接引擎與變速機(jī)構(gòu)。C0使用直流電流控制,RC充放電路減緩接合時(shí)的沖擊,提高機(jī)器啟動(dòng)的平順性。PLC操縱步進(jìn)電動(dòng)機(jī),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿螺母,螺母移動(dòng)導(dǎo)塊,對(duì)傳動(dòng)帶進(jìn)行定位??刂七^(guò)程由PLC的程序管理。編寫PLC程序從基本要求做起,然后逐步完善。zui簡(jiǎn)單的控制程序,是及時(shí)調(diào)整傳動(dòng)帶的位置,獲得合適的傳動(dòng)比,使引擎的轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速。額定轉(zhuǎn)速是引擎正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)速。簡(jiǎn)單的控制程序調(diào)試成功之后,再針對(duì)各種不同的工況,改寫程序,擴(kuò)大功能,優(yōu)化控制效果。PLC使用梯形圖程序,可用筆記本電腦實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序運(yùn)行狀態(tài),向?qū)W生展示自動(dòng)控制過(guò)程。


圖7 CVT 模型的自動(dòng)控制電路原理圖

雙離合器自動(dòng)變速器的教學(xué)模型

雙離合器自動(dòng)變速器(DSG)是基于MT開(kāi)發(fā)的。MT換擋時(shí),離合器分離,暫時(shí)脫離動(dòng)力,影響加速和舒適感。DSG有兩個(gè)離合器,一個(gè)離合器控制1、2、3 擋,另一個(gè)離合器控制2、4、6擋。一個(gè)離合器接合時(shí),另一個(gè)離合器分離;同時(shí)掛兩個(gè)擋位,一個(gè)擋位工作,另一個(gè)做準(zhǔn)備。在計(jì)算機(jī)控制下,能適時(shí)切換離合器,實(shí)現(xiàn)快速換擋。DSG 的教學(xué)模型及電路原理分別如圖8、圖9 所示。氣壓傳動(dòng)部分參考AMT 的內(nèi)容。電磁離合器的外圈與齒輪固定連接,內(nèi)圈與中間軸固定連接。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),模型只設(shè)1、2、3、4 擋位,沒(méi)有倒車擋。

電磁離合器A、B 同時(shí)分離,空擋狀態(tài)。啟動(dòng)時(shí),離合器B 接合,1 擋工作;離合器A 分離,2 擋準(zhǔn)備。提速后,離合器A 接合,2 擋工作;離合器B 分離,電腦根據(jù)即時(shí)的工況選擇3 擋或1 擋做準(zhǔn)備。以此類推。
學(xué)生學(xué)習(xí)AMT 的PLC 編程后,可以作為研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目,學(xué)習(xí)編寫DSG 的控制程序。

其他事項(xiàng):制作車輪摩擦阻力的調(diào)整裝置。根據(jù)負(fù)載大小,

確定直流電動(dòng)機(jī)的功率。電機(jī)選型合適,變速機(jī)構(gòu)和控制電路正常,教學(xué)模型才能正常使用。

汽車變速器結(jié)構(gòu)緊湊,零件多,組裝后難于觀察,拆開(kāi)后看不出所以然。而變速器教學(xué)模型形象、直觀,看得到,摸得著,教學(xué)效果甚佳。汽車變速器的型號(hào)很多,不同廠家的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異明顯,但基本原理是相同的。

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