一種牙嵌式離合器的設計與實驗研究*

袁曉云，高加泉，鄭 暉

(1.江西現代職業技術學院 機械學院，江西 南昌 330095;2.江西科技師范大學 數學與計算機學院，江西 南昌 330038)

0 引 言

多片濕式離合器具有較高的扭矩傳遞可控性，并能吸收換擋時的扭矩間隙，因此常應用于汽車自動變速器中。然而，它們在接合和超調方面都有損失因素[1-2]。在接合過程中，通常需要至少1 MPa的液壓，并由油泵維持。在超調期間，摩擦片和分離器之間會發生油摩阻損失。對于1檔離合器，單向離合器(one-way clutch，OWC)[3]與多片濕式離合器相結合，以減小從1檔換檔到2檔(1-2檔升檔)時出現的扭矩間隙。多片濕式離合器在反向運轉時接合，OWC在1檔運轉時接合。OWC傳遞第1檔扭矩，并與2檔離合器接合時被動分離。因此，扭矩間隙可以減小到小于多片濕式離合器到2檔離合器升檔的扭矩間隙。然而，OWC的阻力損失與多片濕式離合器大致相同[4]。降低油泵的損失以及多片濕式離合器和OWC的阻力損失對提高傳動效率具有重要意義。

近年來，通過改進換檔控制技術，多片濕式離合器到2檔離合器的升檔扭矩差得到了縮小[5-7]，無OWC的自動變速器也已經商業化。然而，沒有OWC的自動變速器在多片濕式離合器接合期間會產生有大量的油泵損失。雖然用牙嵌式離合器取代多片濕式離合器的自動變速器有一定的改善[8]，但換檔時仍會出現扭矩間隙，導致接合過程存在著一定的抖振現象，降低了離合器的接合品質。然而，在汽車機械式變速器動力傳動系統中,離合器的接合品質直接影響其換擋平順性和乘坐舒適性。

因此，筆者在本研究中提出一種高效、高接合品質的牙嵌式離合器，并使用離合器作為1檔離合器進行自動變速器樣機測試，以證實降低損失的效果；同時，行駛試驗來驗證1-2檔升檔過程中接合抖振的降低效果。

1 離合器設計

有級式自動變速器的傳動系統示意圖如圖1所示。

圖1 六速自動變速器傳動系統

筆者設計使用所提離合器代替多片濕式離合器作為1檔離合器，其離合器的結構如圖2所示。

圖2 牙嵌式離合器的結構

圖2中，傳動動力通過離合器的嚙合傳遞，相比于多片濕式離合器可以有效減少接合過程中的活塞力，從而減少油泵向活塞供壓的損失。由于超載時滑動面的面積比多片濕式離合器小，可以減小阻力損失。

1.1 功能和結構

離合器與傳動軸和殼體連接，以阻止軸旋轉。轉軸正轉時，轉子處于分離位置，當負旋轉時，則處于接合位置。因此，這些位置隨傳動軸的旋轉方向而被動改變。然而，活塞在反向運行時保持接合位置。其4個主要組成部分如下：

(1)內表面為直花鍵的轉子，直接固定在外殼上；

(2)外表面為螺旋花鍵的傳動軸，直接固定在行星齒輪組的任何部件上；

(3)外表面為直花鍵、內表面為螺旋花鍵的轉子；

(4)用于保持離合器接合狀態的活塞。

1.2 特性分析

圖2中示出了處于分離狀態的離合器，傳動軸和轉子通過螺旋花鍵持續接合。當被活塞推動時，轉子任意平移，并與轉子的直花鍵嚙合。

牙嵌式離合器的動態行為如圖3所示。

圖3 牙嵌式離合器的動態行為

當傳動軸向負方向旋轉時，1檔運行情況，轉子處于接合狀態，如圖3(a)所示。傳動軸與轉子之間的旋轉力通過螺旋花鍵轉化為嚙合力。因此，沒有必要使用活塞保持轉子的接合位置；在反向運行時，傳動軸的旋轉方向倒置，活塞受到分離力。當活塞需要保持接合位置時，該離合器的活塞力低于多片濕式離合器。定子和轉子之間的間隙保持在2檔運行，轉子處于分離狀態(圖2)。因此，阻力損失比多片濕式離合器的多個摩擦片滑動時要?。粚τ?-2檔升檔時，活塞提前分離，如圖3(b)所示。在傳統的牙嵌式離合器中，轉子隨著活塞的分離而分離。因此，驅動力被截斷，并出現扭矩間隙。然而，該離合器的轉子保持接合位置，并且在工作期間不會截斷驅動力。接下來，通過2檔離合器接合來反轉傳動軸的旋轉方向。轉子是被動分離，如在OWC中一致，從而減小了換擋時的轉矩間隙。

轉子應與轉軸的扭矩接合，而不受活塞力的影響。平移方向的摩擦力發生在螺旋花鍵和直花鍵的接觸面上。

螺旋線花鍵螺旋角的下限按下式計算，使螺旋線花鍵轉換的嚙合力大于摩擦阻力：

(1)

式中：θ—螺旋花鍵的螺旋角，deg；Dhs—螺旋花鍵的節圓直徑，mm；Dss—直花鍵的節圓直徑，mm；α—螺旋花鍵壓力角，deg；μ—摩擦系數。

2 測試方法分析

2.1 離合器單元測試

筆者測量了多片濕式離合器和所提離合器在分離時的轉軸扭矩，以比較阻力扭矩。產生阻力扭矩的主要原因是自動變速器流體[9-11]在滑動面之間的剪切力。

測試條件如表1所示。

表1 測試條件

2.2 行駛測試

在6速自動變速器樣機中，多片濕式離合器和OWC被所提離合器取代。

樣機的結構如圖4所示。

圖4 自動變速器中的牙嵌式離合器

圖4中，轉子通過回彈彈簧保持在分離位置，這些彈簧防止了外力造成的過早接合[12]。在樣機中也使用了液壓系統；改變活塞面積是為了在不改變活塞壓力的情況下減小活塞力。

當最大發動機扭矩反向傳遞到傳動軸時，爪形轉子上的分離力達到最大。可以保持活塞力大于分離力的活塞面積由下式獲得：

(2)

式中：Ap—活塞面積，mm2；Tr—最大發動機反向扭矩，N·m；Fsp—調諧彈簧載荷，N;po—油壓泵的液壓，MPa。

自動變速器樣機安裝在試驗車上，規格如表2所示。

表2 試驗車輛規格

在車輛運行試驗中，確認了包括活塞力不足導致過早分離在內的基本操作，此外，還進行了1-2檔升檔測量。

2.3 現場測量

該離合器被安裝在自動變速器中時，可以根據自動變速器輸入軸和輸出軸的轉速之比來估計離合器的接合和分離狀態。

在車輛運行試驗中，通過檢測轉子的平移位置來確定離合器的運行狀態。

由于安裝在殼體上的傳感器很難測量，因此，筆者將非接觸式位移傳感器(英普瑞DWQZ型)安裝在轉軸的外徑上，如圖5所示。

圖5 轉子位移傳感器

在這些測量中，需要將轉軸上的傳感器信號記錄在自動變速器單元的有限空間內。為此，筆者研制了超小型數據記錄儀系統。

該系統包括數據記錄器、放大器和電池，具體為8031單片機控制核心，高精度XC6201型放大器和2 000 mAh的3.7 V鋰電池。其RAM隨機存儲器容量為32 MB～64 MB，采樣頻率為10 kHz～100 kHz。

離合器和微型數據記錄系統如圖6所示。

圖6 離合器和微型數據記錄系統

3 測試結果與分析

3.1 阻力扭矩

阻力扭矩也就是拖曳扭矩的大小直接影響到整車的油耗以及駕駛性表現，因此筆者首先在離合器單元測試中，對其進行測試分析。

在測試的6速自動變速器中，4檔和更高檔位的發動機轉速等于傳動軸的轉速。阻力扭矩的測量值最高可達2 000 r/min，這是行駛車輛中經常使用的發動機轉速范圍。

阻力扭矩測量結果如圖7所示。

圖7 阻力扭矩測量結果

多片濕式離合器有5塊摩擦片，超限滑動面面積大于離合器，自動變速器流體的剪切力也較大。

圖7結果表明：在1 000 r/min的轉速下，與多片濕式離合器相比，該離合器的阻力扭矩降低了50%～60%；在2 000 r/min的轉速下，該離合器也具有較低的阻力扭矩，驗證了其高效性。

3.2 縱向加速度

筆者在車輛上分別安裝3個自動變速器，進行車輛運行試驗(1-2檔升檔)。

自動變速器的離合器類型如表3所示。

表3 自動變速器的離合器類型

自動變速器樣機1使用的是傳統的牙嵌式離合器。假設在1-2檔升檔時會出現較大的扭矩間隙，因此，筆者進行了樣機1和樣機2在150 N·m發動機扭矩下的運行試驗。在1-2檔升檔時，扭矩間隙以接合抖振形式出現[13，14]。

車輛運行測試中測得的接合抖振如圖8所示。

圖8 1檔至2檔的縱向加速度(150 N·m發動機扭矩)

從圖8可以看出：抖振出現在車輛加速度的方向上，在具有所提離合器的樣機2中，如果處于工作狀態，轉子在沒有活塞力的情況下接受來自螺旋線花鍵的嚙合力；此外，轉子能夠保持其接合位置。如第1.2節所述，轉子在2檔離合器接合時分離。在換擋時，所提離合器的傳遞扭矩與2檔離合器的傳遞扭矩不重疊。

由此可以看出，由1-2檔升檔而產生的接合抖振不到傳統牙嵌式離合器的一半，因此換擋更加平順。

在發動機扭矩為300 N·m情況下，筆者對傳統自動變速器和樣機2進行了比較，其接合抖振結果如圖9所示。

圖9 1檔至2檔的縱向加速度(300 N·m發動機扭矩)

在傳統自動變速器中，OWC在1檔運轉時傳遞發動機扭矩，車輛加速方向沒有出現抖振。在換檔到2檔時，自動變速器的輸出軸扭矩減小，并且在車輛減速的方向上出現抖振；而在該離合器中，車輛減速方向上的抖振也大約為傳統自動變速器的60%，有效提高了接合品質。

4 結束語

本文提出了一種高效、高接合品質的牙嵌式單向離合器方案；在離合器單元試驗中，證實了其減阻效果；在車輛運行試驗中，對1-2檔升檔時由于扭矩間隙引起的接合抖振進行了評估，得出如下結論：

(1)傳統自動變速器中使用的多片濕式離合器通過摩擦傳遞發動機扭矩，為此需要很高的活塞力。相比之下，螺旋花鍵離合器僅在反向運轉時中才需要活塞力。因此，該離合器可以將活塞力降低了50%；

(2)在轉速1 000 r/min的條件下，該離合器的扭矩比多片濕式離合器低了50%～60%；

(3)在1-2檔升檔時，2檔離合器與該離合器的傳遞扭矩不重疊。這是因為離合器是被動分離的，與2檔離合器接合時是一致的。因此，該離合器的接合抖振不到傳統牙嵌式離合器的50%。