商用車AMT電磁式中間軸制動(dòng)器的設(shè)計(jì)

0   引言

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automated Manual Transmission，AMT）是在傳統(tǒng)平行軸式手動(dòng)變速器和干式離合器的基礎(chǔ)上，加裝電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器構(gòu)成的，其具有手動(dòng)變速器傳動(dòng)效率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且AMT制造相對(duì)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)繼承性好，所以具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，尤其是在重型商用車領(lǐng)域^[1-3]。

對(duì)于帶有同步器的機(jī)械式自動(dòng)變速箱，同步轉(zhuǎn)速通過(guò)同步器實(shí)現(xiàn)，而不帶同步器的變速器，采用滑動(dòng)齒套換擋，升擋時(shí)需要將輸入軸轉(zhuǎn)速降到合理范圍內(nèi)，才能較平順的進(jìn)齒嚙合、實(shí)現(xiàn)換擋^[4]。而使用中間軸制動(dòng)器可快速準(zhǔn)確的降低輸入軸轉(zhuǎn)速。國(guó)內(nèi)外采用的中間軸制動(dòng)器多為氣動(dòng)控制，不僅需要整車提供清潔氣源，而且由于氣體的可壓縮性，導(dǎo)致制動(dòng)過(guò)程不易精確控制，沖擊較大^[5]。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)對(duì)中間軸制動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)一種新型的電磁式中間軸制動(dòng)器總成。

1   中間軸制動(dòng)器的工作原理

中間軸制動(dòng)器的摩擦片通過(guò)花鍵與變速器中間軸連接在一起，隨中間軸一同旋轉(zhuǎn)，鋼片與制動(dòng)器底座固定在一起。制動(dòng)器工作時(shí)，電磁閥控制高壓氣體進(jìn)入制動(dòng)器氣缸，活塞在高壓氣的作用下向前運(yùn)動(dòng)，擠壓鋼片，使鋼片與摩擦片之間發(fā)生滑摩產(chǎn)生摩擦阻力矩，即制動(dòng)力矩，從而降低中間軸轉(zhuǎn)速。當(dāng)中間軸轉(zhuǎn)速降至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，氣缸內(nèi)的高壓氣體經(jīng)電磁閥排出，活塞在回位彈簧的作用下回到初始位置，鋼片與摩擦片間的滑摩解除，制動(dòng)器停止工作。油泵為制動(dòng)器提供冷卻油。

圖1 中間軸制動(dòng)器原理圖

2   參數(shù)計(jì)算

2.1 同步所需理論力矩計(jì)算

2.1.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

由于制動(dòng)器是在變速箱摘空擋后工作，所以它的工作對(duì)象包括：發(fā)動(dòng)機(jī)及其飛輪、變速箱一軸及其附屬零件、中間軸及其附屬零件、二軸上的惰輪、倒擋軸附屬零件以及其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。首先將上述各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到安裝制動(dòng)器側(cè)的中間軸上，然后再轉(zhuǎn)換到制動(dòng)器上。

1）分離離合器換擋

分離離合器換擋時(shí)，制動(dòng)器工作需要克服的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及已知條件如下：輸入軸（Input Shaft）及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其齒數(shù)

I_I = 7.71×10^?3 kgm²   Z_I = 48

中間軸及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其齒數(shù)

IC₁ = 6.72×10^?2 kgm²   IC₂ = 7.17×10^?2 kgm²   Z_CI = 69

主軸上的惰性齒輪及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、齒數(shù)及其對(duì)應(yīng)中間軸齒輪的齒數(shù)。

圖2 AMT結(jié)構(gòu)示意圖

倒擋中間齒輪及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其齒數(shù)

制動(dòng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、齒數(shù)及其對(duì)應(yīng)主軸齒輪的齒數(shù)

離合器從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.12 kgm²

安裝制動(dòng)器側(cè)中間軸上的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

制動(dòng)器上的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

2）不分離離合器換擋

不分離離合器換擋時(shí)，制動(dòng)器工作需要克服的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及已知條件如下：

輸入軸及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和齒數(shù)

中間軸及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其齒數(shù)

主軸上的惰性齒輪及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、齒數(shù)及其對(duì)應(yīng)中間軸齒輪的齒數(shù)。

倒擋中間齒輪及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其齒數(shù)

離合器從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.12 kgm²

安裝制動(dòng)器側(cè)中間軸上的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

制動(dòng)器上的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

2）不分離離合器換擋

不分離離合器換擋時(shí)，制動(dòng)器工作需要克服的轉(zhuǎn)動(dòng)

慣量及已知條件如下：

輸入軸及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和齒數(shù)

中間軸及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其齒數(shù)

主軸上的惰性齒輪及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、齒數(shù)及其對(duì)應(yīng)中間軸齒輪的齒數(shù)

倒擋中間齒輪及其附屬零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其齒數(shù)

制動(dòng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、齒數(shù)及其對(duì)應(yīng)主軸齒輪的齒數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)、飛輪及離合器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為3.63 kgm²

安裝制動(dòng)器側(cè)中間軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

輸入軸相對(duì)于安裝制動(dòng)器側(cè)中間軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

主軸上各惰性齒輪相對(duì)于安裝制動(dòng)器側(cè)中間軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

倒擋中間齒輪相對(duì)于安裝制動(dòng)器側(cè)中間軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

發(fā)動(dòng)機(jī)、飛輪及離合器的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

由于制動(dòng)器是在摘完擋后工作，所以副箱內(nèi)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不計(jì)。

安裝制動(dòng)器側(cè)中間軸的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

中間軸制動(dòng)器上得當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

2.1.2 所需力矩計(jì)算

設(shè)換擋前車速為_ua，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n_ea，傳動(dòng)比為i_ga，中間軸制動(dòng)器齒輪轉(zhuǎn)速為n_ca；換擋后車速為u_b，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n_eb，傳動(dòng)比為i_gb，中間軸制動(dòng)器齒輪轉(zhuǎn)速為n_cb。

根據(jù)汽車在換擋前后車速近似不變的原則，即可得

則中間軸制動(dòng)器齒輪轉(zhuǎn)速

換擋前后的轉(zhuǎn)速差

由于離合器在換擋時(shí)不分離，并且已摘空擋，所以近似剛性聯(lián)接，中間軸轉(zhuǎn)速變化近似勻減速，角加速度

則制動(dòng)力矩

設(shè)，則

根據(jù)10TA 變速箱的換擋時(shí)間，取制動(dòng)器的工作時(shí)間Δt = 0.5。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及變速箱所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)6DN1 的萬(wàn)有特性曲線，取n_ea =1100 。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線圖

發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍為0 ~ 1900 r/min ，要求的最大制動(dòng)力矩：

分離離合器：M_max≈24.2 N?m

不分離離合器：M_max≈390 N?m

取儲(chǔ)備系數(shù)β_md=1.3

制動(dòng)器的額定工作扭矩為

M_e≈ 507 N?m

2.2 中間軸制動(dòng)器所需力矩計(jì)算

2.2.1 電磁部分的力與力矩計(jì)算

（1）電磁吸力

S ——磁場(chǎng)有效氣隙面積；μ₀——真空磁導(dǎo)率， μ₀ = 4π×10?7 H/m；N ——電磁鐵線圈總匝數(shù)；I ——激磁電流；δ ——工作氣隙。

（2）摩擦錐面產(chǎn)生的力矩

2.2.2 壓緊部分的力與力矩計(jì)算

（1）壓緊力

根據(jù)壓緊部分的實(shí)際測(cè)繪結(jié)果可得

k=tanβ=F₂/ F₁=1/ 22.5

k ——壓盤滾道斜率； β ——壓盤滾道坡度角；M——摩擦錐面產(chǎn)生的力矩；F1 ——軸向壓緊力； F2 ——周向分力； R1 ——鋼球的作用半徑。

（2）摩擦力矩

f ——摩擦系數(shù)；F ——工作壓力；Z ——摩擦面數(shù)；Rc ——摩擦片的平均摩擦半徑。

綜合以上公式可得中間軸制動(dòng)器的工作力矩公式

綜上所述，本設(shè)計(jì)是將克服通電后摩擦錐面所產(chǎn)生的力矩使錐盤轉(zhuǎn)動(dòng)的周向力F2 通過(guò)壓盤滾道的坡度放大，從而產(chǎn)生一個(gè)較大的軸向壓力F1 壓緊摩擦片產(chǎn)生降速用的摩擦力矩，這壓緊過(guò)程中回位彈簧變形產(chǎn)生的彈力忽略不計(jì)。

3   設(shè)計(jì)方案

本方案中間軸制動(dòng)器由電磁鐵控制制動(dòng)器工作，采用隨動(dòng)式壓盤結(jié)構(gòu)，在電磁鐵通電時(shí)，產(chǎn)生制動(dòng)作用；電磁鐵斷電時(shí)，解除制動(dòng)作用；易于精確控制。另外，將冷卻油泵與制動(dòng)器集成為一個(gè)總成，系統(tǒng)集成度高、適應(yīng)性強(qiáng)，提高了裝配維修方便性。以下是本方案的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

在圖5 中，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系為：1- 制動(dòng)器殼體；2- 軸總成；3- 制動(dòng)器齒輪；4- 圓錐滾子軸承；5- 固定齒座；6- 摩擦片（5 個(gè)）；7- 鋼片（4 個(gè)）；8- 齒輪泵外轉(zhuǎn)子；9- 齒輪泵內(nèi)轉(zhuǎn)子；10- 小墊片；11- 推力軸承；12- 泵蓋：13- 碟形彈簧（2 個(gè)）；14- 隨動(dòng)壓盤；15- 鋼球（3 個(gè)）；16- 限位壓盤；17- 吸盤；18- 限位環(huán)；19- 推力軸承（2 個(gè)）；20- 大墊片；21- 電磁鐵；22- 電磁鐵開關(guān)。

圖5 電磁式中間軸制動(dòng)器總成結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 隨動(dòng)壓盤結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 限位壓盤結(jié)構(gòu)示意圖

4   結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)中間軸制動(dòng)器參數(shù)的選取與計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種新型的電磁式中間軸制動(dòng)器。此設(shè)計(jì)為后續(xù)中間軸制動(dòng)器控制策略的開發(fā)奠定基礎(chǔ)，也更好地推進(jìn)AMT 整機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期）