2021年03月30日 | 商用车AMT电磁式中间轴制动器的设计

0   引言

电控机械式自动变速器（Automated Manual Transmission，AMT）是在传统平行轴式手动变速器和干式离合器的基础上，加装电控执行机构和传感器构成的，其具有手动变速器传动效率高、制造成本低等优点，而且AMT制造相对简单、生产继承性好，所以具有广阔的产业化前景，尤其是在重型商用车领域[1-3]。

对于带有同步器的机械式自动变速箱，同步转速通过同步器实现，而不带同步器的变速器，采用滑动齿套换挡，升挡时需要将输入轴转速降到合理范围内，才能较平顺的进齿啮合、实现换挡[4]。而使用中间轴制动器可快速准确的降低输入轴转速。国内外采用的中间轴制动器多为气动控制，不仅需要整车提供清洁气源，而且由于气体的可压缩性，导致制动过程不易精确控制，冲击较大[5]。

本文针对上述问题，通过对中间轴制动器进行参数计算，设计一种新型的电磁式中间轴制动器总成。

1   中间轴制动器的工作原理

中间轴制动器的摩擦片通过花键与变速器中间轴连接在一起，随中间轴一同旋转，钢片与制动器底座固定在一起。制动器工作时，电磁阀控制高压气体进入制动器气缸，活塞在高压气的作用下向前运动，挤压钢片，使钢片与摩擦片之间发生滑摩产生摩擦阻力矩，即制动力矩，从而降低中间轴转速。当中间轴转速降至目标转速，气缸内的高压气体经电磁阀排出，活塞在回位弹簧的作用下回到初始位置，钢片与摩擦片间的滑摩解除，制动器停止工作。油泵为制动器提供冷却油。

图1 中间轴制动器原理图

2   参数计算

2.1 同步所需理论力矩计算

2.1.1 转动惯量计算

由于制动器是在变速箱摘空挡后工作，所以它的工作对象包括：发动机及其飞轮、变速箱一轴及其附属零件、中间轴及其附属零件、二轴上的惰轮、倒挡轴附属零件以及其自身的转动惯量。首先将上述各部分的转动惯量转换到安装制动器侧的中间轴上，然后再转换到制动器上。

1）分离离合器换挡

分离离合器换挡时，制动器工作需要克服的转动惯量及已知条件如下：输入轴（Input Shaft）及其附属零件的转动惯量及其齿数

II = 7.71×10−3 kgm2   ZI = 48

中间轴及其附属零件的转动惯量及其齿数

IC1 = 6.72×10−2 kgm2   IC2 = 7.17×10−2 kgm2   ZCI = 69

主轴上的惰性齿轮及其附属零件的转动惯量、齿数及其对应中间轴齿轮的齿数。

图2 AMT结构示意图

倒挡中间齿轮及其附属零件的转动惯量及其齿数

制动器的转动惯量、齿数及其对应主轴齿轮的齿数

离合器从动盘的转动惯量0.12 kgm2

安装制动器侧中间轴上的当量转动惯量

制动器上的当量转动惯量

2）不分离离合器换挡

不分离离合器换挡时，制动器工作需要克服的转动惯量及已知条件如下：

输入轴及其附属零件的转动惯量和齿数

中间轴及其附属零件的转动惯量及其齿数

主轴上的惰性齿轮及其附属零件的转动惯量、齿数及其对应中间轴齿轮的齿数。

倒挡中间齿轮及其附属零件的转动惯量及其齿数

离合器从动盘的转动惯量0.12 kgm2

安装制动器侧中间轴上的当量转动惯量

制动器上的当量转动惯量

2）不分离离合器换挡

不分离离合器换挡时，制动器工作需要克服的转动

惯量及已知条件如下：

输入轴及其附属零件的转动惯量和齿数

中间轴及其附属零件的转动惯量及其齿数

主轴上的惰性齿轮及其附属零件的转动惯量、齿数及其对应中间轴齿轮的齿数

倒挡中间齿轮及其附属零件的转动惯量及其齿数

制动器的转动惯量、齿数及其对应主轴齿轮的齿数

发动机、飞轮及离合器的转动惯量为3.63 kgm2

安装制动器侧中间轴的当量转动惯量：

输入轴相对于安装制动器侧中间轴的当量转动惯量

主轴上各惰性齿轮相对于安装制动器侧中间轴的当量转动惯量

倒挡中间齿轮相对于安装制动器侧中间轴的当量转动惯量

发动机、飞轮及离合器的当量转动惯量

由于制动器是在摘完挡后工作，所以副箱内零部件的转动惯量不计。

安装制动器侧中间轴的总当量转动惯量

中间轴制动器上得当量转动惯量

2.1.2 所需力矩计算

设换挡前车速为ua，发动机转速为nea，传动比为iga，中间轴制动器齿轮转速为nca；换挡后车速为ub，发动机转速为neb，传动比为igb，中间轴制动器齿轮转速为ncb。

根据汽车在换挡前后车速近似不变的原则，即可得

则中间轴制动器齿轮转速

换挡前后的转速差

由于离合器在换挡时不分离，并且已摘空挡，所以近似刚性联接，中间轴转速变化近似匀减速，角加速度

则制动力矩

设，则

根据10TA 变速箱的换挡时间，取制动器的工作时间Δt = 0.5。

根据经验以及变速箱所匹配的发动机6DN1 的万有特性曲线，取nea =1100 。

图3 发动机万有特性曲线图

发动机工作转速范围为0 ~ 1900 r/min ，要求的最大制动力矩：

分离离合器：Mmax≈24.2 N⋅m

不分离离合器：Mmax≈390 N⋅m

取储备系数βmd=1.3

制动器的额定工作扭矩为

Me≈ 507 N⋅m

2.2 中间轴制动器所需力矩计算

2.2.1 电磁部分的力与力矩计算

（1）电磁吸力

S ——磁场有效气隙面积；μ0——真空磁导率， μ0 = 4π×10−7 H/m；N ——电磁铁线圈总匝数；I ——激磁电流；δ ——工作气隙。

（2）摩擦锥面产生的力矩

2.2.2 压紧部分的力与力矩计算

（1）压紧力

根据压紧部分的实际测绘结果可得

k=tanβ=F2/ F1=1/ 22.5

k ——压盘滚道斜率； β ——压盘滚道坡度角；M——摩擦锥面产生的力矩；F1 ——轴向压紧力； F2 ——周向分力； R1 ——钢球的作用半径。

（2）摩擦力矩

f ——摩擦系数；F ——工作压力；Z ——摩擦面数；Rc ——摩擦片的平均摩擦半径。

综合以上公式可得中间轴制动器的工作力矩公式

综上所述，本设计是将克服通电后摩擦锥面所产生的力矩使锥盘转动的周向力F2 通过压盘滚道的坡度放大，从而产生一个较大的轴向压力F1 压紧摩擦片产生降速用的摩擦力矩，这压紧过程中回位弹簧变形产生的弹力忽略不计。

3   设计方案

本方案中间轴制动器由电磁铁控制制动器工作，采用随动式压盘结构，在电磁铁通电时，产生制动作用；电磁铁断电时，解除制动作用；易于精确控制。另外，将冷却油泵与制动器集成为一个总成，系统集成度高、适应性强，提高了装配维修方便性。以下是本方案的设计结构图。

在图5 中，具体对应关系为：1- 制动器壳体；2- 轴总成；3- 制动器齿轮；4- 圆锥滚子轴承；5- 固定齿座；6- 摩擦片（5 个）；7- 钢片（4 个）；8- 齿轮泵外转子；9- 齿轮泵内转子；10- 小垫片；11- 推力轴承；12- 泵盖：13- 碟形弹簧（2 个）；14- 随动压盘；15- 钢球（3 个）；16- 限位压盘；17- 吸盘；18- 限位环；19- 推力轴承（2 个）；20- 大垫片；21- 电磁铁；22- 电磁铁开关。

图5 电磁式中间轴制动器总成结构示意图

图6 随动压盘结构示意图

图7 限位压盘结构示意图

4   结论

本文通过对中间轴制动器参数的选取与计算，设计了一种新型的电磁式中间轴制动器。此设计为后续中间轴制动器控制策略的开发奠定基础，也更好地推进AMT 整机的设计与开发。

参考文献：

[1] 王建忠.商用车机械式自动变速器控制策略关键技术研究[D].长春:吉林大学,2014.

[2] 王巍巍,郭彦颖,杨俊英,等.商用车AMT变速器中间轴制动器的优化设计[A].中国汽车工程学会.面向未来的汽车与交通——2013中国汽车工程学会年会论文集精选[C].中国汽车工程学会:中国汽车工程学会,2013:4.

[3] 杨俊英.重型商用车AMT换挡转速同步控制技术研究[D].长春:吉林大学,2008.

[4] 贾奉桥,刘海鸥,沈文臣,等.基于中间轴制动器AMT换挡品质控制[J].液压与气动,2016(10):86-91.

[5] 李惠军,邱辉鹏,李晓亮.电控机械式自动变速器制动装置研究[J].汽车工程师,2011(06):47-48.