汽車滑行器的分析與改進

王俊昌　李軍民（安陽工學院機械工程學院　河南　安陽　455000）

汽車滑行器的分析與改進

王俊昌李軍民
（安陽工學院機械工程學院河南安陽455000）

汽車滑行器充分利用車輛慣性，提高滑行節油效果。通過辨明滑行器基本原理，剖析滑行器工作機理及其性能特點，指出影響汽車滑行器技術發展的關鍵因素，提出將電磁離合器與超越離合器并聯的滑行器方案，優化安裝位置，簡化結構，降低成本，提高可靠性，實現與發動機制動同步，并采用制動開關與滑行模式轉換開關聯動控制方式，使駕駛操控更簡捷，有助于汽車滑行器的推廣應用；指明汽車滑行器與現代電子技術相結合，實現滑行器智能化，是滑行器技術的發展方向。

汽車工程節油技術汽車滑行器節油駕駛

引言

面對資源趨緊，環境污染嚴重的嚴峻形勢，世界各國廣泛實施汽車駕駛節能技術。歐洲早在20世紀末就開始強化汽車節能駕駛技術，在駕駛證考試中已將節能駕駛（Eco-Driving）列為考試項目之一。實施效果表明，能降低5%～15%油耗[1，2]；美國也于2007年將節能駕駛列為了駕駛證考試項目。而我國目前還無相應法規，2008年，交通部組織實施了《汽車駕駛節能技術研究》項目，2012年清華大學也組織開展了汽車經濟性駕駛技術研究（2012THZ0）。滑行駕駛，作為公認的節能駕駛技術，備受關注。汽車滑行器充分利用汽車動能，簡化駕駛操作，具有良好滑行節油效果，本文對汽車滑行器技術進行分析，提出改進方案，以促進滑行器技術發展和應用，降低汽車燃油消耗。

1　汽車滑行及其滑行器

1.1汽車滑行

汽車滑行，是指汽車靠自身慣性行駛的方式。毋庸置疑，汽車滑行可降低燃油消耗，實現節能目的。在滑行過程中，車輛既可能處于帶檔滑行狀態，也可能處于脫檔滑行狀態，發動機既可能處于熄火運轉狀態，也可能處于非熄火狀態，其共同特征為：1）發動機不再對車輛提供前進所需的動力；2）油門控制踏板處于放松狀態。車輛滑行節油效果如何，關鍵是滑行時機和方式是否合理。應根據不同路況、不同交通量，合理選用滑行模式。

1.2汽車滑行器基本原理

為簡化駕駛操作，提高滑行節油效果，研發了汽車滑行減阻裝置，這些裝置統稱為汽車滑行器。汽車滑行器通過適時、自動切斷發動機及傳動系與車輪的聯接，避免發動機反制作用和傳動系轉動阻力對車輛滑行動能的消耗，實現最大滑行距離，達到節油目的。其結構主要分為二部分，一是車輛脫檔滑行控制機構，實現車輛脫檔滑行與加速行駛之間的自動轉換；二是車輛滑行模式轉換機構，實現帶檔滑行與脫檔滑行的相互轉換，確保車輛倒檔功能和發動機制動同步性。

超越離合器利用主動件和從動件的轉速變化而自動接合和分離，當主動件轉速大于從動件轉速時，二者自動接合，稱為鎖止狀態；當主動件轉速小于從動件轉速時，二者自動脫開聯接，稱為超越狀態；由于這一特性與車輛脫檔滑行要求相吻合，因此現代汽車滑行器多采用超越離合器技術實現脫檔滑行控制。將超越離合器主動件與發動機動力輸出部分相聯，超越離合器從動件與車輪驅動部分相聯，當車輛加速時，二者自動接合，發動機驅動車輪轉動；當放松油門踏板后，發動機在自身運轉阻力作用下減速，而車輛運動慣性大，車輪轉速高，超越離合器自動分離，切斷發動機運轉阻力對車輛滑行的影響，實現車輛滑行節能。

車輛滑行模式轉換機構，常采取的技術方案主要有三種，一是并聯副離合器技術，二是采用可控超越離合器技術，三是采用滑動接合套技術，當車輛掛倒檔時，或實施發動機制動或車輛帶檔滑行時，通過上述技術措施強制鎖止超越離合器；當車輛脫檔滑行時，超越離合器適時分離，實現滑行節油。

1.3汽車滑行器的適用范圍

汽車滑行器切斷發動機轉動摩擦阻力、泵氣阻力及其附件轉動阻力等對車輛滑行動能的消耗，實現最大滑行距離，減少車輛燃油消耗。同時汽車滑行器能及時捕捉到主動部分轉速低于從動部分轉速的時機，以最短時間實現脫檔滑行，提高了車輛節油效果[3]。研究表明，加裝滑行器的車輛節油率可達15%左右[4，5]。

汽車滑行器主要針對手動檔車輛，不能在自動檔變速器（AT）車輛安裝。由于自動變速器油泵受發動機轉速影響，當高速脫檔滑行時，變速器輸出軸、行星齒輪機構在車輛帶動下高速旋轉，而發動機處于怠速狀態，油泵轉速和油壓都較低，潤滑質量無法保證，會導致行星齒輪、軸承、變速器軸頸燒損等后果，可見，自動變速器（AT）不能脫檔滑行，不宜安裝滑行器。此外，采用渦輪增壓發動機的車輛也不宜采取脫檔滑行；若采用脫檔滑行，發動機轉速急劇降低，機油泵供油量減少、供油壓力降低，而渦輪增壓器由于慣性作用，仍在高速旋轉，缺少機油潤滑和冷卻，會導致渦輪增壓器燒損，因此采用渦輪增壓發動機的車輛也不應安裝滑行器。

圖1　 滑塊式車輛滑行器

2　汽車滑行器工作過程分析

2.1車輛脫檔滑行控制過程分析

初期汽車滑行器多采用棘輪機構實現對車輛脫檔滑行控制，因其動力傳遞可靠，結構簡單受到青睞。隨著車速不斷提升，棘爪易磨損、結合時沖擊力較大等問題日益突出，因此，在此基礎上，研發了滑塊式汽車滑行器。如文獻[6]所述汽車滑行器，采用斜面滑塊棘爪、彈簧、棘齒槽結構，如圖1所示，滑塊斜面朝向主動盤傳遞扭矩的相反方向。當發動機加速時，主動盤轉速升高時，滑塊式棘爪離心力大于彈簧拉力，從槽內滑出與從動盤中的棘齒槽相嵌合，超越離合器處于鎖止狀態，主動盤帶動從動盤一起轉動，車輛加速行駛；當發動機減速時，從動盤轉速高于主動盤，從動盤中的棘齒槽側壁作用在滑塊斜面上，產生軸向推力，與彈簧拉力共同作用，使滑塊式棘爪退回滑塊槽內，主動盤與從動盤脫開，各自以不同的轉速運轉，此時車輛處于脫檔滑行狀態。該滑行器在發動機加速時，棘爪滑出主動盤，若主、從動盤轉速差較大，會被從動盤推回，然后在離心力作用下棘爪又滑出，如此反復，直至主、從動盤轉速同步，加劇了棘爪磨損；若主、從動盤轉速差較小，滑塊式棘爪滑出主動盤稍許，即與從動盤中的棘齒槽相嵌合，帶動從動盤一起轉動，這樣造成棘爪受力部位少，承載能力降低。

隨著超越離合器技術的發展，楔塊式及滾柱式超越離合器質量及可靠性大幅提高，在滑行器上得到了逐步應用，如文獻[7]所述滑行器，其結構如圖2所示，將原來采用的棘輪式超越離合器，改造為楔塊式超越離合器，以改進原滑行器接合沖擊力偏大的問題。滾柱式、楔塊式超越離合器在滑行器中的運用，改善了滑行器的使用效果，減少了使用噪音，降低了滑行器的磨損，提高了使用壽命。

圖2　一種楔塊式車輛滑行器

2.2車輛滑行模式轉換過程分析

2.2.1并聯副離合器技術

通過與超越離合器并聯一個副離合器，實現滑行模式的轉換。當車輛帶檔滑行、倒車或制動時，副離合器結合，強制鎖止超越離合器，車輛如同未裝滑行器正常行駛；當脫檔滑行時，副離合器分離，超越離合器起作用。常用副離合器有電磁離合器和離心式離合器。電磁離合器接合時間短，反應靈敏，可實現任意工況的接合與分離；離心式離合器可實現自動控制。如孫志春等在文獻[8]中提出的汽車滑行器，采用棘輪式超越離合器并聯離心式離合器結構，其構成如圖3所示。當低速時，滑動銷4離心力小于彈簧3的彈力，被彈簧3推入位于主動盤6上滑銷孔內，此時主動盤與從動盤聯為一體，超越離合器不起作用，車輛可以進行倒檔操控，又能保持發動機的制動作用。高速時，滑銷在離心力作用下，克服彈簧3的作用，退回從動盤內，不能實現帶檔滑行，制動時失去了發動機牽制作用，降低了高速制動效能。

圖3　超越離合器與離心式離合器的組合結構

2.2.2可控超越離合器技術

該技術通過控制超越離合器滾柱或楔塊的位置，實現不同轉動方向的鎖止控制，從而實現滑行模式的轉換。如邵承會等在文獻[4]中提出的汽車滑行器，采用電磁離合器控制雙向超越離合器技術，其工作原理如圖4所示，當電磁離合器通電工作時，擺架7與超越離合器外環4（從動件）接合，此時超越離合器可實現傳遞雙向扭矩，既可以進行帶檔滑行和倒檔操控，也可以發揮發動機制動作用；當高速滑行時，電磁離合器斷電，擺架與離合器外環分離，在反超裝置限制下，滾柱6位于中間位置O處，離合器處于雙向超越狀態，實現脫檔滑行，隔斷發動機、變速器轉動阻力對車輛滑行的影響。

圖4　電控超越離合器結構原理

2.2.3滑動接合套技術

該技術是在超越離合器的主動部分、從動部分上套裝滑動接合套，通過移動接合套，將主、從動部分聯接為一體，實現滑行模式的轉換，保證車輛倒檔功能和發動機制動功能；滑動接合套可采用人工控制，也可采用氣壓傳動控制、電磁力控制或真空吸力控制等。文獻[7]中滑行器，其結構如圖2所示，通過撥叉移動接合套，與主動盤齒、從動盤齒相嚙合，將二者聯為一體，鎖止超越離合器；由于接合套自身固有缺陷，且車輛高速滑行中主、從動盤存在較大轉速差，制動時齒圈或接合套不能實時嚙合，發動機制動滯后于車輪制動，影響車輛制動安全。

3　汽車滑行器的優化改進

3.1改進滑行器的基本原則

汽車滑行器的節油效果已得到公認，但始終沒有得到大范圍的推廣和應用，關鍵是如何降低成本、提高可靠性、簡化操控、實現發動機制動同步性。為此，應從以下三方面加以改進：

1）優化滑行器結構，使發動機制動與車輪制動同步，確保車輛制動性能不受影響。

2）改進車輛滑行模式轉換操控方式，降低車輛駕駛工作強度。

3）簡化產品結構、降低產品成本，提高產品可靠性。

3.2滑行器的改進方案

3.2.1車輛脫檔滑行控制

總體上仍采用成熟的超越離合器技術控制方案，利用超越離合器自動超越的特點，適時捕捉發動機減速時機，一旦從動盤轉速超越主動盤轉速，即自動實現主、從動盤分離，使車輛脫檔滑行。

3.2.2滑行器安裝位置

滑行器安裝于變速器與傳統離合器之間，并獨自成一單元，安裝空間較寬松，可根據需要合理設計零部件幾何尺寸，有利于采用標準件、通用件，降低產品成本；

3.2.3車輛滑行模式轉換控制

采用并聯副離合器方案，將電磁離合器與超越離合器并聯組合為一體，當車輛制動時，電磁離合器通電鎖止超越離合器，發動機與車輪相聯接，發揮發動機制動作用；當發動機減速滑行時，電磁離合器斷電，超越離合器起作用實現超越分離，車輛處于脫檔滑行狀態，發揮滑行節油功能。改進后滑行器結構如圖5所示。

3.2.4設置滑行模式轉換開關

控制原理如圖6所示。可根據實際道路狀況，合理選擇車輛滑行模式；如當車輛下坡行駛時，將滑行模式轉換開關轉到帶檔滑行狀態，則電磁離合器通電鎖止超越離合器，無論是否制動，車輛均處于帶檔滑行狀態，利用發動機制動作用，降低車輛滑行速度，減小車輪制動強度。

圖5　改進后車輛滑行器結構

圖6　車輛滑行器控制原理

4　改進后汽車滑行器特點分析

4.1改進后汽車滑行器結構特點分析

4.1.1優化安裝位置，提高滑行器可靠性

滑行器安裝于變速器與傳統離合器之間，工作環境好、振動小，且不受變速器減速增扭作用影響，有效降低滑行器最大工作扭矩和最高工作轉速，提高滑行器可靠性；同時避免倒檔操控和車速、里程表受滑行器安裝的影響，有利于簡化滑行器結構，提高工作可靠性；但受傳動系運轉阻力的影響，節油效果略低。

4.1.2電磁離合器與超越離合器組合為一體，簡化控制電路

電磁離合器主動盤和超越離合器內環（主動部分）通過平鍵與離合器軸聯接，超越離合器外環（從動部分），通過平鍵與電磁離合器從動盤聯接，電磁離合器從動盤通過花鍵與變速器輸入軸相聯接，避免超越離合器滾動體承受軸向和徑向負荷，提高超越離合器使用壽命；同時電磁離合器主、從動盤間隙可通過吸力盤固定螺栓處的墊片厚度調整，避免專利CN101344128A采用的滑環和碳刷架等結構，簡化控制電路。

4.1.3采用標準件、通用件，有助于降低產品成本

滑行器采用標準化、系列化的電磁離合器和滾柱式或楔塊式超越離合器，既利于提高產品質量，又避免陷入“成本高→應用少→生產批量小→成本高”的“怪圈”。

4.2改進后汽車滑行器性能特點分析

4.2.1利用電磁離合器反應靈敏特點，實現發動機同步制動

電磁離合器通電吸合時間小于0.3s，斷電分離時間小于0.2s；將電磁離合器與超越離合器組合為一體，利用制動開關控制電磁離合器，當踩下制動踏板時，電磁離合器通電，將超越離合器強制鎖止，實現發動機制動與車輪制動同步。

4.2.2優化滑行器控制方式，操控更便捷

采用制動開關與滑行模式轉換開關并聯方式，共同控制滑行模式。車輛制動時，如同未安裝滑行器一樣，發揮發動機制動功能，不需額外操控；如果車速過高、沖擊力過大，電磁離合器會短時滑轉，可起到保護發動機免受沖擊的作用。若滑行器出現故障不能傳遞扭矩，可通過滑行模式轉換開關，轉換為帶檔滑行模式，利用電磁離合器傳遞扭矩，確保車輛“跛腳回家”。

4.2.3有助于與電子技術相結合，實現汽車滑行器智能化發展

改進后的滑行器控制更便捷，具有良好的發動機制動同步性，有助于與其他汽車電子技術相融合。如將滑行器技術與發動機啟停技術相結合，應用于電動助力轉向車輛，可進一步優化滑行器節油性能；如將滑行器技術與汽車巡航技術相結合，根據車輛負載、工況等變化，合理匹配車輛速度門限，采用“加速-滑行”循環運行[9,10]，實現智能節油巡航。

5　結論

1）提高可靠性、降低成本、簡化操控及實現發動機制動與車輪制動同步等，是促進汽車滑行器應用的關鍵因素。

2）超越離合器技術以自動、適時超越等特點，成為車輛滑行器的最佳選擇。

3）滑行器安裝在變速器之前，降低最大工作扭矩，有利于提高工作可靠性。

4）電磁離合器與超越離合器并聯，與制動開關聯動，實現與發動機制動同步。

5）滑行器技術與電子技術相結合，實現滑行器智能化，是汽車滑行器技術發展趨勢。

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Analysisand Im provementof Autom obile Sliding Device

W ang Junchang，Li Junm in

School ofMechanical Engineering，Anyang Institute of Technology（Anyang，Henan，455000，China）

Making fulluseof the vehiclemotion inertia,automobile sliding device can improve oil-saving. The basic principle of the sliding device was discerned.Theworkingmechanism and performance features of sliding device were dissected.The key factors affecting the development of automobile sliding device technology were pointed out.The scheme of sliding device parallel of electromagnetic clutch and overrunning clutch was proposed，which optimize the installation site，simplify the structure,reduce the cost,enhance the reliability and realize the synchronicity of engine braking.The brake switch and sliding pattern change-over switch linkage controlmodewasadopted，whichmake driving controlmore convenient and contribute to the popularization and application of automobile sliding device.It is indicated that the development direction of sliding device technology is automobile sliding device combined with modern electronic technology to realize the sliding device intelligentization.

Automotiveengineering，Fuel-saving technology，Automobile sliding device，Eco-driving

U463.211

A

2095-8234（2015）01-0064-05

2014年度河南省教育廳科學技術研究重點項目（14B460005）。

王俊昌（1965-），男，碩士，副教授，主要研究方向為汽車技術運用。

（2014-12-30）