一種機(jī)電一體離合器執(zhí)行器設(shè)計(jì)

楊慧超

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092；2.上海汽車變速器有限公司，上海 201807)

0 引言

現(xiàn)有的汽車離合器執(zhí)行系統(tǒng)大多在手動(dòng)變速器(MT)、自動(dòng)變速器(AT)、電控機(jī)械自動(dòng)變速器(AMT)、雙離合器變速器(DCT)等變速器上應(yīng)用。其中MT對(duì)駕駛員操作技術(shù)要求高，且操作強(qiáng)度大，需要與加速踏板、制動(dòng)踏板、換擋桿操作進(jìn)行配合，長(zhǎng)時(shí)間駕駛?cè)菀灼?，這對(duì)行車安全性和舒適性帶來(lái)一定的影響。而AT、AMT、DCT主要使用液壓系統(tǒng)，以液壓油推動(dòng)活塞或分離叉，帶動(dòng)分離軸承通過膜片彈簧壓緊或分離離合器壓盤與離合器從動(dòng)盤，實(shí)現(xiàn)離合器結(jié)合或分離動(dòng)作，其技術(shù)成熟，但系統(tǒng)效率較低，清潔度要求高，結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化難度較大。目前國(guó)外廠商已有部分機(jī)電一體離合器執(zhí)行系統(tǒng)產(chǎn)品投放市場(chǎng)，但成本較高，性能存在不穩(wěn)定性?；谀壳半x合器執(zhí)行器存在的問題，本文作者研究的主要方向是設(shè)計(jì)一種低成本、高效率的離合器執(zhí)行器。

1 傳統(tǒng)的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理及組成

傳統(tǒng)MT使用液壓式操縱機(jī)構(gòu)，通過踏板連接的連桿，推動(dòng)離合器主缸內(nèi)的液壓油，從而推動(dòng)離合器副缸的推桿或CSC(Concentric Slave Cylinder)活塞，實(shí)現(xiàn)離合器的結(jié)合與分離[1]，如圖1所示。

圖1 手動(dòng)變速器液壓式操縱機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)AT、AMT、DCT通過油泵泵油，由電磁閥分配液壓油經(jīng)過油路，推動(dòng)活塞壓緊或分離壓盤與從動(dòng)盤；推動(dòng)分離叉，帶動(dòng)分離軸承通過膜片彈簧壓緊或分離離合器壓盤與離合器從動(dòng)盤，實(shí)現(xiàn)離合器結(jié)合或分離動(dòng)作[2]，如圖2所示。

圖2 雙離合變速器液壓式操縱機(jī)構(gòu)

2 傳統(tǒng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不足

傳統(tǒng)MT的離合器執(zhí)行器需要與加速踏板、制動(dòng)踏板、換擋桿操作進(jìn)行配合，長(zhǎng)時(shí)間駕駛?cè)菀灼?離合器摩擦片發(fā)生磨損時(shí)，踏板行程會(huì)發(fā)生偏移，人工操縱難以實(shí)現(xiàn)精確控制，將導(dǎo)致離合器磨損加劇。當(dāng)離合器摩擦片即將達(dá)到壽命極限時(shí)，會(huì)發(fā)生離合器結(jié)合不穩(wěn)定的情況，造成整車抖動(dòng)或動(dòng)力性下降，影響駕駛體驗(yàn)。

傳統(tǒng)AT、AMT、DCT使用的液壓系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)精確控制，電磁閥的制造精度較高、配合間隙小，因此對(duì)零件清潔度的要求高，零件制造難度大。布置閥板油路時(shí)需要綜合考慮離合器控制油路與換擋油路，設(shè)計(jì)難度大，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，占用體積較大，因此會(huì)造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)成本較高。

3 機(jī)電一體式離合器執(zhí)行器設(shè)計(jì)方案

針對(duì)傳統(tǒng)離合器執(zhí)行器的問題，開發(fā)一種機(jī)電一體式離合器執(zhí)行器，這種離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其他元件組成。兩套機(jī)電一體式離合器執(zhí)行器組合使用，可用于驅(qū)動(dòng)DCT的雙離合器，其系統(tǒng)組成如圖3所示。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)齒輪副、絲桿螺母副和主液壓缸。電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過齒輪副減速增扭及絲杠螺母副運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，變?yōu)橹饕簤焊谆钊闹本€運(yùn)動(dòng)。

圖3 機(jī)電一體式離合器執(zhí)行器系統(tǒng)組成

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：主液壓缸活塞、內(nèi)外CSC(用于AMT時(shí)可使用單缸CSC)、內(nèi)外離合器(用于AMT時(shí)可使用單離合器)，主液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)通過油液傳遞至內(nèi)外CSC,分別執(zhí)行內(nèi)外離合器打開、閉合及滑磨的動(dòng)作。

控制系統(tǒng)主要包括以下部件：TCU、壓力傳感器、位移傳感器及目標(biāo)磁鐵。TCU根據(jù)判定條件向電機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，位移傳感器反饋運(yùn)動(dòng)終止位置，壓力傳感器反饋執(zhí)行壓力。通過自學(xué)習(xí)找到離合器的結(jié)合點(diǎn)，通過算法計(jì)算進(jìn)行離合器的準(zhǔn)確控制。

其他元件包括：支撐軸承，排氣用的排氣閥、補(bǔ)油裝置、絲杠防轉(zhuǎn)銷等，實(shí)現(xiàn)排除油液中空氣、補(bǔ)償油液損失、防止絲杠周向轉(zhuǎn)動(dòng)等功能。

這種新型的機(jī)電一體式離合器執(zhí)行器的系統(tǒng)組成元件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)油路，也減少了電磁閥的使用。將此模塊在變速器總成上減少的占用體積，應(yīng)用于AMT、DCT上時(shí)，可降低對(duì)零件清潔度的要求，也降低了系統(tǒng)集成難度，有利于控制成本。

這種新型離合器執(zhí)行器的控制系統(tǒng)可以讀取壓力傳感器及位移傳感器的信號(hào)，從而診斷實(shí)際工作狀態(tài)是否符合設(shè)定值，圖4為其控制邏輯圖。

圖4 系統(tǒng)控制邏輯

4 設(shè)計(jì)參數(shù)匹配優(yōu)化

為滿足系統(tǒng)功能需求，離合器執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)需要依據(jù)被執(zhí)行件(CSC及離合器)的參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

4.1 匹配的CSC需求參數(shù)

匹配的CSC需求參數(shù)，如表1所示。

表1 匹配CSC參數(shù)

4.2 絲杠螺母參數(shù)計(jì)算

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)時(shí)效率：

η1=(0.95～0.99)tanλ/tan(λ±ρ′)[3]

其中：λ=arctanSd/(πd2)≤ρ′；

ρ′=arctanf/(cosα/2)

式中：λ為螺紋升角；ρ′為當(dāng)量摩擦角；Sd為導(dǎo)程；f為摩擦因數(shù);d2為螺紋中徑；支撐效率為0.95～0.99。

滿足容許載荷的前提下，選直徑小、效率高的絲杠螺母。

4.3 電機(jī)選型

(1) 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

空行程輸出功率：P1=Fk1v1；P2=Fk2v2

工作行程輸出功率：Pw1=Fw1v1；Pw2=Fw2v2

取輸出功率大的離合器進(jìn)行計(jì)算(以外離合器為例)，工作行程驅(qū)動(dòng)功率：

其中：η2為機(jī)械效率；η3為電機(jī)效率。

根據(jù)功率需求，選擇合適的執(zhí)行電機(jī)功率。

(2)主液壓缸活塞直徑與CSC直徑比的選擇

(3) 需求扭矩計(jì)算

空行程需求推力：

FN1=2πη1TN1/Sd，F(xiàn)N1≥Fk1/Y1

則需求扭矩TN1≥Fk1Sd/(2πη1Y1)

工作行程需求推力：

FNw1=2πη1TNw1/Sd，F(xiàn)Nw1≥Fw1/Y1

則TNw1≥Fw1Sd/(2πη1Y1)

根據(jù)扭矩需求及電機(jī)輸出扭矩特性，選擇合適的減速比。

4.4 齒輪副設(shè)計(jì)

(1)按活塞空行程移動(dòng)速度預(yù)選減速比

(2) 確定實(shí)際減速比

(3) 驗(yàn)算空行程預(yù)充時(shí)間

4.5 傳感器選擇及其他細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

(1) 依據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作壓力計(jì)選擇合適的壓力傳感器pN1=FNw1/Sz，pN1≤pmax1。

(2) 依據(jù)CSC最大行程L選擇合適的位移傳感器。

(3)依據(jù)需求設(shè)計(jì)補(bǔ)油壺、油管等附件。

4.6 功能演示模型搭建

所有功能模塊設(shè)計(jì)完成后，即可進(jìn)行功能演示模型的搭建，如圖5所示；完成模型搭建，檢查分析并制造試驗(yàn)樣件，如圖6所示，即可進(jìn)行功能測(cè)試。

圖5 功能演示模型 圖6 試驗(yàn)樣件

5 功能測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行功能測(cè)試，確認(rèn)是否滿足功能需求。

(1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大驅(qū)動(dòng)力驗(yàn)證

試驗(yàn)樣件的傳感器輸出電壓-壓力特性曲線如圖7所示。

圖7 壓力傳感器輸出曲線

使驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)至行程末端，傳感器輸出電壓約為3.8V，進(jìn)行油壓換算，試驗(yàn)測(cè)試油壓不小于Fmax1。因此試驗(yàn)樣件滿足CSC最大執(zhí)行力需求。

(2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移驗(yàn)證

為試驗(yàn)樣件選取的位移傳感器占空比-位移特性曲線如圖8所示。

圖8 位移傳感器輸出曲線

執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行至初始行程，并進(jìn)行占空比標(biāo)定(約20%)，記錄行程LA≈3 mm。執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行至最大行程，并進(jìn)行占空比標(biāo)定(約80%)，記錄行程LB≈18 mm。所以：

LB-LA=15 mm≥Lmax1

則試驗(yàn)樣件滿足離合器最大行程需求。

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行時(shí)間驗(yàn)證

通過控制器讀取CSC端建壓的實(shí)際時(shí)間，如圖9所示。

讀取電機(jī)遲滯時(shí)間tA約為0.15 s，電機(jī)運(yùn)行至kisspoint的時(shí)間tB約為0.15 s，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間tC約為0.5 s。tA+tB≈0.3 s≤t1，且tC≈0.5 s≤tw1，試驗(yàn)樣件滿足離合器最大行程需求。

根據(jù)試驗(yàn)樣件測(cè)試結(jié)果，文中設(shè)計(jì)的試驗(yàn)樣件基本能滿足離合器的驅(qū)動(dòng)力、位移及驅(qū)動(dòng)速度要求。

圖9 CSC充壓曲線

6 總結(jié)

本文作者設(shè)計(jì)的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一種新型的機(jī)電一體式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。相較于現(xiàn)有的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，此種離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過繼續(xù)改進(jìn)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)更低成本、更輕量化及更高的執(zhí)行效率。此模塊高度集成，可以推廣應(yīng)用到更多種類的變速器總成(如AMT、CVT等)。