盧國(guó)亮

上海汽車變速器有限公司 上海市 201806

1 技術(shù)背景

隨著21世紀(jì)我國(guó)人民生活水平的不斷提高，對(duì)汽車的要求也越來(lái)越高，從簡(jiǎn)單的代步工具逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽非髣?dòng)力性，舒適性，娛樂(lè)性，美觀性等一體的綜合交通工具。因此車輛的設(shè)計(jì)也日新月異，不斷改進(jìn)，離合器作為影響整車行駛舒適性的一個(gè)重要零件，其操控也逐漸從手動(dòng)模式過(guò)渡為自動(dòng)模式。

現(xiàn)有的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多在手動(dòng)變速器（MT）、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）、雙離合變速器（DCT）等上采用。其主要使用油泵、電磁閥、閥體、油路、油缸、活塞等組成的液壓系統(tǒng)，以液壓油推動(dòng)活塞或者分離撥叉，帶動(dòng)分離軸承分離或者結(jié)合離合器壓盤與從動(dòng)盤，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)離合器的切換動(dòng)作。其中，手動(dòng)變速器對(duì)駕駛員的技術(shù)要求高，要求加速踏板，制動(dòng)踏板，離合踏板，換檔桿相互配合，長(zhǎng)時(shí)間操作易產(chǎn)生疲勞；雙離合變速器及電控機(jī)械式自動(dòng)變速器則存在液壓損耗，影響效率，另外還有清潔度要求嚴(yán)苛，制造難度高，外形尺寸大等缺點(diǎn)。針對(duì)這些缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其原理如下：

圖1 電控離合器執(zhí)行系統(tǒng)簡(jiǎn)圖（應(yīng)用于雙離合變速器中）

2 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)由動(dòng)力單元和油路單元組成。以奇數(shù)離合器為例，動(dòng)力單元由電機(jī)7，齒輪副4&8，絲杠螺母6&9，活塞10，活塞防轉(zhuǎn)銷3等組成；油路單元包括主液壓缸2，油管，補(bǔ)油壺11等組成。工作時(shí)電機(jī)7固聯(lián)減速主動(dòng)齒輪8，通過(guò)減速?gòu)膭?dòng)齒輪4降速增扭，絲杠螺母中螺母9通過(guò)螺釘固定在減速?gòu)膭?dòng)齒輪4上，即從動(dòng)齒輪4帶動(dòng)螺母9旋轉(zhuǎn)，與防轉(zhuǎn)銷3共同作用驅(qū)動(dòng)絲杠6做直線運(yùn)動(dòng)，絲杠6端面與主液壓缸活塞10接觸，通過(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)推動(dòng)活塞左右軸向運(yùn)動(dòng)，提供離合器運(yùn)動(dòng)動(dòng)力。補(bǔ)油壺11確保系統(tǒng)油量始終在正常工作范圍內(nèi)。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 已知離合器參數(shù)

a)離合器分離軸承CSC工作壓強(qiáng)：P=37～48bar，計(jì)算按48bar進(jìn)行

b)離合器傳遞最大扭矩的行程Lmax=11mm（考慮變形、間隙、磨損），計(jì)算按11mm計(jì)算

c)離合器空行程：Lw=3mm

d)離合器工作行程：按Ls=8mm計(jì)算

e)離合器最大壓力Fa=4200N

f)離合器分離軸承CSC面積：S=1150 mm^2

3.2 電機(jī)選型

為了方便快速做出樣機(jī)，同時(shí)參考需要的功率要求，選用無(wú)刷直流電機(jī)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)參數(shù)表

3.3 絲桿選型

絲桿一般可以分為梯形絲杠和滾珠絲杠2類，由于梯形絲杠的傳動(dòng)效率低（一般僅為26%-46%），而滾珠絲杠的效率可大于90%，因此優(yōu)先選擇滾珠絲杠。同時(shí)考慮絲杠螺母需要固定在齒輪上，所以滾珠絲杠螺母越小，則機(jī)構(gòu)更加緊湊；根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)初選如下滾珠絲杠。

從表2中可知，絲杠導(dǎo)程為R1=5mm，絲杠外徑為d1=16mm。

故螺旋升角α：

絲杠承受工作時(shí)最大徑向力Fr：

表2 滾珠絲杠參數(shù)表

表3 軸承參數(shù)表

當(dāng)量動(dòng)載荷：

其中：X和Y為徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)，由查表所得。

滾珠絲杠計(jì)算的當(dāng)量動(dòng)載荷P＜基本額定載荷C，所以選擇的滾珠絲杠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 速比計(jì)算

由于奇數(shù)檔離合器最大執(zhí)行力較大，故以奇數(shù)檔來(lái)進(jìn)行計(jì)算，具體推導(dǎo)如下：

其中：Fc：奇數(shù)離合器最大執(zhí)行力

Sc：CSC外缸活塞面積

由式（4）、（5）、（6）合并推導(dǎo)出

其中：Fs：奇數(shù)檔絲杠推力（最大）

η：奇數(shù)檔絲杠效率

R1：奇數(shù)檔絲杠導(dǎo)程

Tm：奇數(shù)檔電機(jī)輸出扭矩

Ts：奇數(shù)檔絲杠扭矩

μ：奇數(shù)檔絲杠摩擦系數(shù)

α：奇數(shù)檔絲杠導(dǎo)程角

i21c：奇數(shù)檔電機(jī)至絲杠齒輪副速比，即：

另，奇數(shù)檔驅(qū)動(dòng)絲杠最大推力：

其中：Ss：奇數(shù)檔驅(qū)動(dòng)絲杠活塞面積

由式（7）、（9）推出：

代入離合器、絲杠、活塞等參數(shù)計(jì)算后i21c=1.582，設(shè)計(jì)時(shí)考慮留有最小1.25倍的安全余量，故速比初選59/29=2.034

3.5 軸承選型

在設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中，減速?gòu)膭?dòng)齒輪通過(guò)軸承固定在殼體上，齒輪既要承受軸向力，也要承受徑向力。已知所受最大軸向力為4200N，最大徑向力為417.7N。

因圓錐滾子軸承可以承受較大的軸向力和一定的徑向力，所以確定選用圓錐滾子軸承，根據(jù)軸的直徑及布置需要，從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中選擇如下軸承，見(jiàn)表3。

根據(jù)式（3）計(jì)算兩個(gè)軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷分別為17058N和21344N，額定載荷大于當(dāng)量動(dòng)載荷；而軸承極限轉(zhuǎn)速為15400rpm，大于主動(dòng)小齒輪的轉(zhuǎn)速3000rpm，故所選的軸承滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 總體結(jié)構(gòu)布置圖

4 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 動(dòng)力單元總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力單元總體設(shè)計(jì)如圖2所示，電機(jī)1帶動(dòng)輸入軸旋轉(zhuǎn)，輸入軸齒輪帶動(dòng)輸出齒輪旋轉(zhuǎn)，輸出齒輪減速增扭后，帶動(dòng)固聯(lián)在輸出齒輪上的絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母旋轉(zhuǎn)推動(dòng)活塞直線運(yùn)動(dòng)，擠壓液壓油從出油口2壓出，進(jìn)入油路系統(tǒng)，以推動(dòng)離合器進(jìn)行動(dòng)作。

4.2 齒輪減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

齒輪減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3，輸入齒輪軸2用滾針軸承1進(jìn)行支撐，輸出齒輪軸兩側(cè)采用圓錐滾子軸承5支撐，同時(shí)齒輪適當(dāng)減重挖空。絲桿螺母固定聯(lián)接在輸出齒輪軸上。

圖3 齒輪減速機(jī)構(gòu)圖

4.3 滾珠絲杠與自鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于采用的滾珠絲杠沒(méi)有自鎖功能，離合器需要在任何工作位置自鎖，所以在絲杠的后端設(shè)計(jì)了自鎖機(jī)構(gòu)，如圖4。當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，自鎖機(jī)構(gòu)1里的主動(dòng)塊會(huì)與固定在殼體上的摩擦片產(chǎn)生摩擦進(jìn)行自鎖，防止活塞回退。自鎖結(jié)構(gòu)涉及到未公開(kāi)專利，此處不詳細(xì)介紹。

當(dāng)輸出齒輪4旋轉(zhuǎn)，自鎖機(jī)構(gòu)1不工作，滾珠絲杠2在絲杠螺母3的作用下旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，以推動(dòng)驅(qū)動(dòng)活塞前后運(yùn)動(dòng)。

圖4 滾珠絲杠與自鎖機(jī)構(gòu)

4.4 驅(qū)動(dòng)活塞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)活塞機(jī)構(gòu)如圖5所示，主要由活塞本體1、油封2、耐磨環(huán)3、防轉(zhuǎn)銷4等組成。通過(guò)活塞左右移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)液壓油從殼體最左側(cè)的出油口來(lái)回移動(dòng)，使離合器按規(guī)定的動(dòng)作進(jìn)行工作。

由于系統(tǒng)采用靜液驅(qū)動(dòng)形式，活塞1只做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，且液壓油在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不允許泄漏，故采用Y型油封。Y型油封具有如下優(yōu)點(diǎn)：a）密封可靠；b）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦阻力?。籧）耐壓性好；d）安裝方便；e）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。初選的油封參數(shù)如下：適用壓力400bar，適用溫度-40～150℃。

活塞1由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程可能存在徑向力，產(chǎn)生傾斜運(yùn)動(dòng)，因此在活塞的外圈增加了導(dǎo)向耐磨環(huán)3，支撐在活塞和殼體缸壁之間。耐磨環(huán)具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑特性，較好的導(dǎo)熱性和抗壓強(qiáng)度，同時(shí)抗腐蝕、耐油，可有效防止活塞與殼體缸壁間金屬部件的直接接觸，對(duì)密封圈具有保護(hù)作用。

滾珠絲杠在與絲杠螺母的相互轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)存在一定的自轉(zhuǎn)，而不做直線運(yùn)動(dòng)。在此機(jī)構(gòu)中，絲杠與活塞必須保持直線運(yùn)動(dòng)。因此本結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了防轉(zhuǎn)銷5，用來(lái)抑制活塞旋轉(zhuǎn)，保證活塞的直線運(yùn)動(dòng)。

圖5 驅(qū)動(dòng)活塞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.5 補(bǔ)油壺與管路設(shè)計(jì)

因系統(tǒng)為靜液壓工況，在液壓執(zhí)行過(guò)程中，即需要考慮油液損耗，同時(shí)也要考慮液壓油內(nèi)氣體排出，否則氣體壓縮減少驅(qū)動(dòng)液壓體積，影響控制精確性。所以在系統(tǒng)油位的最上方設(shè)計(jì)了帶排氣功能的補(bǔ)油壺。油的管路設(shè)計(jì)主要都在變速器主殼體里，此處不做圖展開(kāi)。

5 總結(jié)

本文主要介紹了一種新型電子控制離合器執(zhí)行系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于體積小，成本低，控制精度高，響應(yīng)速度快，并采用外掛式結(jié)構(gòu)，可以廣泛的搭載在各類手動(dòng)變速器（MT），電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT），雙離合變速器（DCT）等變速器上。該設(shè)計(jì)已獲得多項(xiàng)專利，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。