重型汽车AMT副箱气缸材质的研究

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档位数多、总速比范围大、速比级差小以及换档自动化是重型汽车变速器发展的趋势，因此带有副箱的AMT成为首选。但是，在实际的工况下，副箱气缸高低档位置的确定随着变速器整体油温的升高会出现异常，从而导致自动换档的异常。前期的研究发现，副箱气缸的材质是导致该现象发生的主要原因。针对目前普遍使用的铸铁和铝合金两种材质的气缸，本文在试验和理论两个方面对其进行对比，最终确定铝合金材料的气缸更加适合AMT在高温环境下的正常工作。

重型汽车具有质量大、负载多、使用工况复杂等特点。为了满足这些特点，并且使其动力性和燃油经济性达到最优状态，总速比范围大、档位数多是重型汽车变速器发展的主要方向。而档位数的增多(8~16个前进档)，就必须采用带有副变速器的箱体结构。但是副变速器的采用和档位数的增多，加大了驾驶员的操纵难度和劳动强度，手动机械式操纵机构已不适应当今重型汽车的发展。为适应重型汽车高档化、电子化、节能化的发展趋势，使重型汽车操纵自动化具有重大的现实意义。

而汽车上应用较多的自动变速器主要有液力自动变速器(AT)、机械式自动变速器(AMT)和机械式无极变速器(CVT)。其中AMT是在原机械变速器的基础上，通过加装微机控制的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合，摘档与挂档以及发动机的转速同步调节等操作，最终实现换档过程的自动化。由于AMT结构简单，成本较低(仅为AT的1/3~1/4)，兼备了手动变速器较高的传递效率和自动变速器的便捷，因此在汽车上特别是重型汽车上获得了越来越多的应用。

目前陕西法士特齿轮有限公司研制的AMT，主要覆盖10档、12档以及16档。而这些类型的变速器均带有副箱，然后通过副箱气缸的切换完成高低档之间的转化，从而实现了档位的增加。由于在机械变速器的基础上添加了自动操纵装置，副箱高低档位置的确定主要通过副箱气缸内部的位移传感器来决定。而在实际的工况中，由于外界的高温环境和变速器本身油温的升高使副箱气缸体的温度也随之增加，对于该处的传感器来说，这种温度急剧上升，将会导致其工作异常。一旦副箱气缸位移传感器工作异常将会导致AMT不能正常换档，从而影响了其正常工作。目前，AMT副箱气缸的材质主要有铸铁和铝合金两种材质。所以，本文目的旨在通过试验和理论两个方面对这两种材质进行对比，从而确定哪种材质的气缸更加适于AMT在实际工况中的正常换档。

AMT副箱气缸材质比较

1.变速器油温对AMT换档的影响

首先，在密闭的环境下，将带有两种材质的副箱气缸的AMT变速器做频繁换档试验，变速器的油温随着试验的进行逐渐增加，进而确定油温对换档的影响。

第一阶段的试验，后副箱气缸采用铸铁材料，在气缸处于裸露的情况下，随着变速器油温的升高，最终出现了换档异常的情况，如图1所示。图中，黑色曲线代表油温，蓝色线条代表档位的变化，而红色线条代表发动机转速。从图中可以看出，在变速器油温上升到100℃之前，AMT换档正常，换档的过程基本维持在固定的转速之间。但是当变速器的油温上升到105℃以后，换档异常出现。此时，档位回到起步档，而发动机转速也出现异常。这说明铸铁材料的气缸随着温度的升高对AMT的换档性能会产生影响。

第二阶段，后副箱气缸采用铝合金材质，在气缸处于裸露的情况下当变速器油温升高到100℃以上时，气缸处温度基本处于稳定状态，如图2所示，而AMT的换档并未出现位置报错和任何试验台报警信息。为了使气缸处温度升得更高，试验人员使用棉质材料将后副箱气缸包裹住，使其温度达到了77.5℃，但是AMT的换档依然正常，也没有报警信息出现，这也继续说明了高温状态下铝合金材料的稳定性和对位移传感器的匹配可靠性。

考虑到试验过程中，试验室是处于密封的环境，而在实际行车过程中有风冷作用，气缸盖实际可达到的温度比试验室温度更低，所以铝合金气缸不会出现因为温度升高而影响副箱行程传感器的现象。所以，铝合金材质的气缸更适于AMT的正常换档。

2.材料特性对换档的影响

试验中，测量了变速器油温从70℃上升到105℃过程中，对应的气缸盖处的温度(裸露状态下)，如图2所示。从图中可以看出，随着温度的升高两种材质的气缸盖处温度都逐渐上升。但是在同一油温的情况下，铝合金气缸盖比灰铁的要低一些，这与铝合金材料的导热快的特性密不可分，如表1所示。从表中可以看出，灰铁的热导率只有50.24~54.43W/(m×k)，而铝合金的热导率能够达到150W/(m×k)以上，所以，铝合金的导热比灰铁材料快得多，因此其散热就很快。所以，当变速器油温上升到100℃的时候，灰铁气缸盖的温度上升到了79℃，并且还有继续上升的趋势，而铝合金气缸盖的温度基本稳定在71℃。

另外，由于后副箱位移传感器是通过一个衔铁在一个导电线圈中的位置来测量位移的。衔铁在导电线圈中位置不同，切割电场产生的感应磁场就不同，因此产生的测量信号就不同。所以气缸材料的导磁率对这种位移传感器的准确度会产生很大的影响。因为导磁率表征的是一种导磁材料被磁化的难易程度。从表1中还可以看出，灰铁的导磁率很大，那么它被磁化的可能性越大，而它被磁化以后对位移传感器本身运动产生的感应磁场就会产生很大的反作用，从而影响位移传感器测量的准确性。而铝合金是一种抗磁材料，它的导磁率很小，几乎没有，所以它对传感器的影响微乎其微。所以，当位移传感器在铝合金气缸中运动时几乎不受影响。

上文对比了两种材质的气缸应用到AMT上时，在实际的高温工况中对AMT换档的影响。首先，铸铁材质的气缸随着变速器油温的变化响应快并且升温高，而铝合金材质的气缸由于散热比较好，其温度上升比较慢并且能够达到的温度也比较低；其次，铸铁材质相对于铝合金来说导磁率比较高，影响了位移传感器的正常工作；最后，可以确定铝合金材质的副箱气缸更加适合AMT在高温下的正常工作。