一種新型的電控離合器執(zhí)行系統(tǒng)

盧國亮

摘 要：本文主要針對市場上現(xiàn)有的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在的缺點，發(fā)明了一種新型的離合器執(zhí)行系統(tǒng)，依靠電機(jī)來進(jìn)行控制并提供動力，齒輪減速增扭，絲杠與齒輪固定聯(lián)接，將齒輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞前后移動，從而推動液壓式的分離軸承分離或者結(jié)合離合器壓盤，實現(xiàn)離合器的切換動作。本結(jié)構(gòu)具有體積小，成本低，控制精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點，采用外掛式結(jié)構(gòu)，可以廣泛的搭載在各類手動變速器（MT），電控機(jī)械式自動變速器（AMT），雙離合變速器（DCT）等上。

關(guān)鍵詞：電控系統(tǒng);液壓;離合器;執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1 技術(shù)背景

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

現(xiàn)有的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多在手動變速器（MT）、電控機(jī)械式自動變速器（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)，以液壓油推動活塞或者分離撥叉，帶動分離軸承分離或者結(jié)合離合器壓盤與從動盤，以實現(xiàn)現(xiàn)離合器的切換動作。其中，手動變速器對駕駛員的技術(shù)要求高，要求加速踏板，制動踏板，離合踏板，換檔桿相互配合，長時間操作易產(chǎn)生疲勞;雙離合變速器及電控機(jī)械式自動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。針對這些缺點，設(shè)計了一種新型的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其原理如下：

2 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)由動力單元和油路單元組成。以奇數(shù)離合器為例，動力單元由電機(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。工作時電機(jī)7固聯(lián)減速主動齒輪8，通過減速從動齒輪4降速增扭，絲杠螺母中螺母9通過螺釘固定在減速從動齒輪4上，即從動齒輪4帶動螺母9旋轉(zhuǎn)，與防轉(zhuǎn)銷3共同作用驅(qū)動絲杠6做直線運動，絲杠6端面與主液壓缸活塞10接觸，通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)推動活塞左右軸向運動，提供離合器運動動力。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

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），計算按11mm計算

c）離合器空行程：Lw=3mm

d）離合器工作行程：按Ls=8mm計算

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)，同時參考需要的功率要求，選用無刷直流電機(jī)，具體參數(shù)見表1。

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)計手冊初選如下滾珠絲杠。

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：

絲杠承受工作時最大徑向力Fr：

當(dāng)量動載荷：

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

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

3.4 速比計算

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

代入離合器、絲杠、活塞等參數(shù)計算后i21c=1.582，設(shè)計時考慮留有最小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)計的結(jié)構(gòu)中，減速從動齒輪通過軸承固定在殼體上，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)計手冊中選擇如下軸承，見表3。

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

4 機(jī)構(gòu)設(shè)計

4.1 動力單元總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

4.2 齒輪減速機(jī)構(gòu)設(shè)計

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。

4.3 滾珠絲杠與自鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計

由于采用的滾珠絲杠沒有自鎖功能，離合器需要在任何工作位置自鎖，所以在絲杠的后端設(shè)計了自鎖機(jī)構(gòu)，如圖4。當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)時，自鎖機(jī)構(gòu)1里的主動塊會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，以推動驅(qū)動活塞前后運動。

4.4 驅(qū)動活塞機(jī)構(gòu)設(shè)計

驅(qū)動活塞機(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。通過活塞左右移動，驅(qū)動液壓油從殼體最左側(cè)的出油口來回移動，使離合器按規(guī)定的動作進(jìn)行工作。

由于系統(tǒng)采用靜液驅(qū)動形式，活塞1只做往復(fù)直線運動，且液壓油在運動過程中不允許泄漏，故采用Y型油封。Y型油封具有如下優(yōu)點：a）密封可靠;b）運動平穩(wěn)，摩擦阻力小;c）耐壓性好;d）安裝方便;e）結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉。初選的油封參數(shù)如下：適用壓力400bar，適用溫度-40～150℃。

活塞1由于運動過程可能存在徑向力，產(chǎn)生傾斜運動，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)異的自潤滑特性，較好的導(dǎo)熱性和抗壓強(qiáng)度，同時抗腐蝕、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)動過程中，會存在一定的自轉(zhuǎn)，而不做直線運動。在此機(jī)構(gòu)中，絲杠與活塞必須保持直線運動。因此本結(jié)構(gòu)中設(shè)計了防轉(zhuǎn)銷5，用來抑制活塞旋轉(zhuǎn)，保證活塞的直線運動。

4.5 補(bǔ)油壺與管路設(shè)計

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

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變速器（MT），電控機(jī)械式自動變速器（AMT），雙離合變速器（DCT）等變速器上。該設(shè)計已獲得多項專利，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

參考文獻(xiàn)：

[1]汽車設(shè)計 機(jī)械工業(yè)出版社 王望予、張建文等 2005.

[2]機(jī)械設(shè)計手冊 化學(xué)工業(yè)出版社 成大先等 2008.