AMT制動器油氣密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

高林峰 宋 楠 劉 晗 張思明 馮冠華

(陜西法士特汽車傳動工程研究院，西安，710119)

目前商用車AMT（手自一體變速器，編者注）多采用滑套的換擋結(jié)構(gòu)，相比同步器換擋，滑套可靠性高，且成本低?；淄ㄟ^花鍵與輸出軸連接，其轉(zhuǎn)速與整車車速不變；而輸出軸齒輪空套在輸出軸上，通過齒輪嚙合與輸入軸連接。AMT換擋時，滑套在撥叉的帶動下軸向移動并與目標(biāo)擋位輸出軸齒輪通過花鍵動連接；為保證AMT的換擋平順性，需要減小滑套與目標(biāo)擋位輸出軸齒輪的轉(zhuǎn)速差。

在AMT降擋時，TCU會提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高目標(biāo)擋位輸出軸齒輪的轉(zhuǎn)速，以此減小與滑套之間的轉(zhuǎn)速差，從而完成降擋；但在升擋時，需要降低目標(biāo)擋位輸出軸齒輪的轉(zhuǎn)速，如果只依靠攪油阻力、摩擦阻力等進(jìn)行減速，會導(dǎo)致?lián)Q擋時間久，動力中斷時間長；而且針對各種復(fù)雜工況的軟件標(biāo)定難度較大，容易造成換擋打齒，降低換擋平順性。因此，為保證升擋的平順性，在離合器與輸出軸齒輪之間增加制動器結(jié)構(gòu)，當(dāng)升擋時，通過制動器對輸出軸齒輪進(jìn)行減速，以此減小與滑套之間的轉(zhuǎn)速差，從而完成升擋。

1 制動器結(jié)構(gòu)及工作原理

由于商用車自帶氣源，為降低額外的動力源供應(yīng)，提升整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，AMT制動器采用電控氣動的方式，通過電磁閥控制氣路通斷。

制動器結(jié)構(gòu)如圖1所示?；钊c氣缸蓋均為鋁合金材質(zhì)，活塞間隙裝配于氣缸蓋中，依靠其內(nèi)壁定心；活塞左側(cè)腔體與氣缸蓋組合為氣腔，與整車氣源聯(lián)通，右側(cè)腔體與變速器內(nèi)腔聯(lián)通，保證制動器工作時，變速器潤滑油能及時帶走摩擦片產(chǎn)生的熱量，防止摩擦片過熱導(dǎo)致燒蝕，提升摩擦片壽命；活塞兩側(cè)腔體之間通過K型密封圈進(jìn)行密封，此K型密封圈具有雙唇口，左側(cè)唇口起封氣作用，右側(cè)唇口起封油作用。

圖1 制動器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)制動器不工作時，活塞兩側(cè)腔體壓強(qiáng)一致，活塞依靠回位彈簧停留在最左側(cè)位置，此時摩擦片不產(chǎn)生制動扭矩；當(dāng)變速器需要升擋時，活塞左側(cè)氣腔進(jìn)氣，推動活塞克服回位彈簧彈力，壓緊摩擦片產(chǎn)生制動扭矩，摩擦片通過花鍵對目標(biāo)擋位輸出軸齒輪進(jìn)行減速，待齒輪與滑套轉(zhuǎn)速接近時，氣腔排氣，活塞通過回位彈簧回位，從而完成升擋。

2 制動器密封失效原因分析

制動器作為AMT核心結(jié)構(gòu)，直接決定了AMT的換擋平順性，而制動器氣腔與油腔的密封對換擋平順性起著至關(guān)重要的作用。

為保證整車的可靠性，對制動器進(jìn)行了可靠性臺架試驗(yàn)，如圖2所示。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到120萬次時拆解制動器，發(fā)現(xiàn)氣缸內(nèi)有變速器潤滑油，且氣缸蓋內(nèi)壁有磨損劃痕，如圖3、圖4所示。120萬次的制動次數(shù)遠(yuǎn)低于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，制動器可靠性試驗(yàn)密封失效。通過分析制動器結(jié)構(gòu)，判斷制動器密封失效的原因主要有以下幾點(diǎn)。

圖2 制動器可靠性試驗(yàn)臺架

圖3 制動器漏油

圖4 氣缸蓋內(nèi)壁劃痕

2.1 密封圈壓縮率設(shè)計不合適

K型密封圈裝配于活塞凹槽中，為保證密封圈能順利裝配，密封圈設(shè)計為柔性彈性體，沒有常規(guī)油封的金屬骨架、彈簧等部件，只能依靠密封圈的壓縮變形來實(shí)現(xiàn)密封作用，因此，密封圈的壓縮變形量(壓縮率)應(yīng)設(shè)計合適。壓縮率過小，接觸面壓力過小，不能達(dá)到密封的作用；但壓縮率也不宜過大，過大會加快密封圈唇口磨損速度，導(dǎo)致密封圈過早密封失效。

2.2 密封圈壓縮率減小

K型密封圈采用外圈雙唇口設(shè)計，左側(cè)唇口起封氣作用，右側(cè)唇口起封油作用；當(dāng)氣腔進(jìn)氣時，封氣側(cè)唇口受壓產(chǎn)生變形防止氣體進(jìn)入變速器內(nèi)腔，但由于K型密封圈為柔性彈性體，封氣側(cè)唇口的變形會導(dǎo)致封油側(cè)唇口產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致封油側(cè)壓縮率不足，引起密封失效。

2.3 氣缸蓋內(nèi)壁劃痕導(dǎo)致密封圈唇口受損

活塞采用氣缸蓋內(nèi)壁定心，活塞在軸向運(yùn)動時會因進(jìn)氣方向、阻力、重力等因素發(fā)生傾斜與氣缸蓋內(nèi)壁接觸；而制動器氣缸蓋與活塞均為鋁合金材質(zhì)，鋁合金材質(zhì)的耐磨性較差，氣缸蓋內(nèi)壁與活塞接觸會產(chǎn)生劃痕，而氣缸蓋內(nèi)壁劃痕會導(dǎo)致軸向運(yùn)動的密封圈唇口受損，引起密封失效。

2.4 封油側(cè)壓力過大導(dǎo)致密封失效

為保證變速器潤滑油能及時的帶走摩擦片產(chǎn)生的熱量及磨屑，制動器摩擦片及密封圈封油側(cè)有1/2高度浸潤在變速器潤滑油中；當(dāng)制動器工作時，活塞會瞬間軸向移動，此時密封圈封油側(cè)的氣壓和油壓會急速增大，若此時的氣壓和油壓不能及時泄掉，則會使密封圈封油側(cè)唇口受壓變形導(dǎo)致密封失效。

2.5 傾斜進(jìn)氣引起的密封失效

制動器氣腔進(jìn)氣推動活塞軸向移動，由于氣缸進(jìn)氣方向?yàn)樾眰?cè)進(jìn)氣，活塞正對進(jìn)氣口位置的受力較大，導(dǎo)致活塞軸向傾斜移動，這樣不僅會使氣缸蓋內(nèi)壁產(chǎn)生劃痕，而且還會使密封圈在圓周方向的壓縮變形量不均勻，而其中壓縮變形量減小位置會因此導(dǎo)致密封失效。

3 制動器密封改進(jìn)措施及結(jié)論

根據(jù)制動器密封失效的原因分析，對制動器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的制動器結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要有以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施。

圖5 制動器改進(jìn)后結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 調(diào)整封油側(cè)密封圈壓縮率

K型密封圈封油側(cè)壓縮率為11.3%～16.1%，通過調(diào)整氣缸蓋、活塞、封油側(cè)密封圈尺寸及其公差，封油側(cè)密封圈壓縮率調(diào)整為16.6%～20.7%。

3.2 K型密封圈結(jié)構(gòu)調(diào)整為雙密封圈結(jié)構(gòu)

由于K型密封圈在進(jìn)氣時封氣側(cè)唇口會產(chǎn)生變形導(dǎo)致密封失效，因此，將K型密封圈分為兩個單獨(dú)的密封圈，分別起封氣和封油的作用，工作時互不影響。

3.3 活塞增加支撐環(huán)

為防止活塞在軸向移動時與氣缸蓋內(nèi)壁接觸產(chǎn)生劃痕，在活塞上增加支撐環(huán)來實(shí)現(xiàn)活塞定心；支撐環(huán)材料采用PA66但不限于PA66等耐磨性塑膠件；且為了方便裝配，支撐環(huán)開口設(shè)計。

3.4 增加泄壓孔

在封油側(cè)變速器殼體上增加泄壓孔，與變速器內(nèi)腔聯(lián)通，以保證制動器工作時，活塞油腔側(cè)氣壓及油壓能及時泄掉。

3.5 進(jìn)氣方向調(diào)整為中央進(jìn)氣

將制動器進(jìn)氣方向由傾斜進(jìn)氣調(diào)整為中央進(jìn)氣，保證氣缸進(jìn)氣時活塞中心位置受力，減少因進(jìn)氣方向?qū)е碌幕钊麅A斜。

根據(jù)以上改進(jìn)措施試制相關(guān)零件，并進(jìn)行制動器可靠性試驗(yàn)。分別在可靠性試驗(yàn)進(jìn)行到100萬、200萬、300萬、400萬次時對制動器進(jìn)行拆檢，氣缸內(nèi)干燥，無變速器潤滑油泄露，且氣缸蓋內(nèi)壁光亮無劃痕，如圖6所示。

圖6 制動器優(yōu)化后密封結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)拆檢結(jié)果

4 結(jié)語

本文針對制動器密封失效問題，通過分析進(jìn)氣方向、密封圈變形、活塞受力等對制動器密封的影響，并以此提出中央進(jìn)氣、雙密封、活塞增加支撐環(huán)等 改進(jìn)措施，最終通過了制動器可靠性試驗(yàn)，為其它結(jié)構(gòu)的油氣密封結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了強(qiáng)有力的參考及指導(dǎo)意義。