一種新型的電控離合器執行系統

盧國亮

上海汽車變速器有限公司 上海市 201806

1 技術背景

隨著21世紀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變為追求動力性，舒適性，娛樂性，美觀性等一體的綜合交通工具。因此車輛的設計也日新月異，不斷改進，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。

現有的離合器執行機構大多在手動變速器（MT）、電控機械式自動變速器（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，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合離合器壓盤與從動盤，以實現現離合器的切換動作。其中，手動變速器對駕駛員的技術要求高，要求加速踏板，制動踏板，離合踏板，換檔桿相互配合，長時間操作易產生疲勞；雙離合變速器及電控機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苛，制造難度高，外形尺寸大等缺點。針對這些缺點，設計了一種新型的離合器執行機構，其原理如下：

圖1 電控離合器執行系統簡圖（應用于雙離合變速器中）

2 系統原理

該系統由動力單元和油路單元組成。以奇數離合器為例，動力單元由電機7，齒輪副4&8，絲杠螺母6&9，活塞10，活塞防轉銷3等組成；油路單元包括主液壓缸2，油管，補油壺11等組成。工作時電機7固聯減速主動齒輪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，與防轉銷3共同作用驅動絲杠6做直線運動，絲杠6端面與主液壓缸活塞10接觸，通過電機正反轉推動活塞左右軸向運動，提供離合器運動動力。補油壺11確保系統油量始終在正常工作范圍內。

3 參數設計

3.1 已知離合器參數

a)離合器分離軸承CSC工作壓強：P=37～48bar，計算按48bar進行

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 電機選型

為了方便快速做出樣機，同時參考需要的功率要求，選用無刷直流電機，具體參數見表1。

表1 電機參數表

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，則機構更加緊湊；根據機械設計手冊初選如下滾珠絲杠。

從表2中可知，絲杠導程為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：

表2 滾珠絲杠參數表

表3 軸承參數表

當量動載荷：

其中：X和Y為徑向動載荷系數和軸向動載荷系數，由查表所得。

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

3.4 速比計算

由于奇數檔離合器最大執行力較大，故以奇數檔來進行計算，具體推導如下：

其中：Fc：奇數離合器最大執行力

Sc：CSC外缸活塞面積

由式（4）、（5）、（6）合并推導出

其中：Fs：奇數檔絲杠推力（最大）

η：奇數檔絲杠效率

R1：奇數檔絲杠導程

Tm：奇數檔電機輸出扭矩

Ts：奇數檔絲杠扭矩

μ：奇數檔絲杠摩擦系數

α：奇數檔絲杠導程角

i21c：奇數檔電機至絲杠齒輪副速比，即：

另，奇數檔驅動絲杠最大推力：

其中：Ss：奇數檔驅動絲杠活塞面積

由式（7）、（9）推出：

代入離合器、絲杠、活塞等參數計算后i21c=1.582，設計時考慮留有最小1.25倍的安全余量，故速比初選59/29=2.034

3.5 軸承選型

在設計的結構中，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，根據軸的直徑及布置需要，從機械設計手冊中選擇如下軸承，見表3。

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

圖2 總體結構布置圖

4 機構設計

4.1 動力單元總體結構設計

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

4.2 齒輪減速機構設計

齒輪減速機構結構如圖3，輸入齒輪軸2用滾針軸承1進行支撐，輸出齒輪軸兩側采用圓錐滾子軸承5支撐，同時齒輪適當減重挖空。絲桿螺母固定聯接在輸出齒輪軸上。

圖3 齒輪減速機構圖

4.3 滾珠絲杠與自鎖機構設計

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計了自鎖機構，如圖4。當電機停轉時，自鎖機構1里的主動塊會與固定在殼體上的摩擦片產生摩擦進行自鎖，防止活塞回退。自鎖結構涉及到未公開專利，此處不詳細介紹。

當輸出齒輪4旋轉，自鎖機構1不工作，滾珠絲杠2在絲杠螺母3的作用下旋轉移動，以推動驅動活塞前后運動。

圖4 滾珠絲杠與自鎖機構

4.4 驅動活塞機構設計

驅動活塞機構如圖5所示，主要由活塞本體1、油封2、耐磨環3、防轉銷4等組成。通過活塞左右移動，驅動液壓油從殼體最左側的出油口來回移動，使離合器按規定的動作進行工作。

由于系統采用靜液驅動形式，活塞1只做往復直線運動，且液壓油在運動過程中不允許泄漏，故采用Y型油封。Y型油封具有如下優點：a）密封可靠；b）運動平穩，摩擦阻力?。籧）耐壓性好；d）安裝方便；e）結構簡單，價格低廉。初選的油封參數如下：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，產生傾斜運動，因此在活塞的外圈增加了導向耐磨環3，支撐在活塞和殼體缸壁之間。耐磨環具有優異的自潤滑特性，較好的導熱性和抗壓強度，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，對密封圈具有保護作用。

滾珠絲杠在與絲杠螺母的相互轉動過程中，會存在一定的自轉，而不做直線運動。在此機構中，絲杠與活塞必須保持直線運動。因此本結構中設計了防轉銷5，用來抑制活塞旋轉，保證活塞的直線運動。

圖5 驅動活塞機構設計

4.5 補油壺與管路設計

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

5 總結

本文主要介紹了一種新型電子控制離合器執行系統，其優勢在于體積小，成本低，控制精度高，響應速度快，并采用外掛式結構，可以廣泛的搭載在各類手動變速器（MT），電控機械式自動變速器（AMT），雙離合變速器（DCT）等變速器上。該設計已獲得多項專利，擁有完全自主知識產權。