自動變速器帶式制動器設計

宋小艷

（沈陽城市建設學院，遼寧 沈陽 110167）

1 自動變速器簡介

自動變速器以其操作簡單、駕駛舒適等優點，深受廣大用戶的喜歡。自動變速器的主要結構包括液力變矩器，行星齒輪傳動機構，換擋控制系統等。液力變矩器位于發動機與齒輪傳動機構之間，起到傳遞、改變轉矩的作用，其結構非常簡單，包括渦輪、泵輪、導輪，通過自動變速器油的流動帶動與輸出軸連接的渦輪旋轉，從而傳遞扭矩，導輪的作用起到改變扭矩的作用。由于液力變矩器只能有限的改變扭矩的大小，所以需要機械傳動的方法進步一改變扭矩，從而增大輸出速度的變化范圍，該作用是由行星齒輪傳動機構實現的。

行星齒輪傳動機構是指由行星齒輪系構成的齒輪傳動機構，其結構如圖1所示。

該組行星齒輪排包括太陽輪，行星齒輪和行星架，齒圈。如果固定其中一個結構，第二個結構為主動件，第三個結構為從動件，就會形成一組傳動比。根據不同的排列組合，可以形成8種組合形式，具體傳動見表1所示。通常由2～3排的行星齒輪傳動機構組成一個自動變速器。

圖1 行星齒輪傳動機構結構示意圖

2 換擋執行機構

在行星齒輪機構中，需要有一結構連接行星齒輪排或是連接行星齒輪機構中的不同元件，該結構就是換擋執行機構中的離合器；還需要有一結構固定行星齒輪機構中某一元件的運動，即制動器；換擋執行機構中還有一元件-單向離合器，其作用是使某一元件只能按一定方向旋轉，另一方向被鎖止。本文主要針對制動器進行設計。

表1 行星齒輪變速表

3 制動器

制動器有兩種形式：片式制動器和帶式制動器，其中片式制動器與換擋執行元件中的離合器結構相似，本文以帶式制動器為例，介紹其設計流程，其結構如圖2所示。

圖2 制動器結構示意圖

3.1 制動器工作原理

制動帶開口處的一端通過支柱支承于固定在變速器殼體的調整螺釘上，另一端支承于油缸活塞桿端部；活塞在回位彈簧和油缸左腔油壓作用下位于右極限位置，此時，制動帶和制動鼓之間存在一定間隙。

制動時，壓力油進入油缸右腔，克服左腔油壓和回位彈簧的作用力推動活塞左移，制動帶以固定支座為支點收緊；在制動力矩的作用下，制動鼓停止旋轉，行星齒輪機構某元件被鎖止；隨著油壓撤除，活塞逐漸回位，制動解除。

3.2 制動器結構設計

此次設計的制動器用于制動太陽輪，其制動鼓上的內花鍵和大太陽輪的外花鍵結合，通過制動帶的的張緊和松開來制動制動鼓，從而制動大太陽輪。

3.2.1 制動器參數

（1）制動鼓半徑和制動帶包角的確定

依據變速器整體結構尺寸初定制動鼓半徑Rm=82mm，制動帶包角α=345°。

（2）結構形式的選取

活塞的作用力直接作用在制動帶上，制動帶的包角分為單圈和雙圈兩種，本文采用單圈；拉緊方式可分為單端拉緊和雙端拉緊兩種，此次設計采用單端拉緊。

（3）摩擦襯面材料的選取

選用的材料為粉末冶金材料，其動摩擦系數取μ=0.08，取其許用比壓為[p]=3MPa。

3.2.2 制動力、制動力矩的計算

制動器的作用是制動旋轉的某個元件，所以制動力很關鍵，接下來對制動器進行受力分析。如圖2，支柱7左端為固定結構，其作用力用F2表示，右端為活塞的作用力，用F1表示。在制動帶上取一個微分段，它對應的包角為da。假設帶為撓性，即忽略界面上彎矩和剪力的作用，則兩端截面上只受拉力F和F+dF。

制動帶微分段上的力平衡式為：

式中，dFN-制動帶微分段摩擦表面上的正壓力；μd-摩擦系數。

解上式可得

令α=0時，F=F1則積分常數C=1nF1

帶入上式，得，解得

從上式可以看出制動帶任意處的拉力與操縱端的包角α成指數函數關系。當操縱端作用力與制動鼓旋轉方向一致時，成為正轉，F2=F1eμdα，摩擦力對操縱力起助力作用；當操縱端作用力與制動鼓旋轉方向相反時，稱為反轉，F2=F1e-μdα，摩擦力對操縱力起削減作用。

制動力矩平衡式為M= (F2-F1)R

當制動鼓正轉時，將F2=F1eμdα關系代入上式，得M=F1(eμdα-1)R

當制動鼓反轉時，則

由此可見，如果制動力矩相同時，制動鼓反轉時的操縱力應為正轉情況的eμdα倍。因此為了減小制動器油缸的作用力，制動帶操縱端的位置應當設計成使作用力與鼓旋轉方向相同（即正轉情況）。

已知汽車的最大轉矩Te max=162N.m，制動鼓半徑Rm=82mm，制動帶包角α=345°，則可以確定：

即制動器操縱機構所施加的力為3.19KN。

3.3 制動帶與制動鼓比壓計算

帶式制動器摩擦副間的比壓q由下式計算：

式中：B-制動器摩擦副寬度，由鼓的結構和布置可以確定B=47.5mm；

R-制動鼓半徑，Rm=82mm。

由此式可見，比壓的變化規律與拉力相同，且其最大比壓在緊端。帶式制動器比壓分布不均勻，造成磨損不均的缺點，緊端部分磨損快，這就使帶式制動器壽命大大低于片式制動器。

4 結論

本文介紹了自動變速器行星齒輪傳動機構的變速原理，行星齒輪機構中的控制元件制動器的原理及其結構的整理設計，通過設計計算得出制動力和制動力矩，并得出制動帶近端部分磨損快的結論。

參考文獻

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