輕卡AMT變速器中間軸制動(dòng)器關(guān)鍵參數(shù) 及性能試驗(yàn)方法研究

馮殿軍

（陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)有限責(zé)任公司 實(shí)驗(yàn)中心，陜西 西安 710077）

引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車駕駛員對(duì)汽車的操控要求越來越高，輕卡AMT變速器的市場(chǎng)越來越大，也是今后的主要發(fā)展方向之一。AMT變速器的換擋過程主要是利用電-氣（電-液）選換擋機(jī)構(gòu)配合離合器接合分離執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過TCU控制器判斷一軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速等信號(hào)進(jìn)行換擋的。換擋過程中為了不產(chǎn)生換擋沖擊的前提條件是只有當(dāng)嚙合套的轉(zhuǎn)速與被掛目標(biāo)擋位的二軸上齒輪轉(zhuǎn)速同步在一定范圍內(nèi)才能執(zhí)行換擋。AMT變速器為了降低生產(chǎn)成本和提高換擋效率一般采用滑套來代替同步器，同時(shí)在中間軸上增加一套用于對(duì)中間軸制動(dòng)的裝置，它是AMT變速器上不可缺少裝置，該制動(dòng)裝置的性能直接影響AMT的換擋平順性和換擋速度，因此研究中間軸制動(dòng)器性能具有現(xiàn)實(shí)重要意義。

1 中間軸制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及工作原理

中間軸制動(dòng)器主要有氣缸蓋、活塞、密封圈、后軸承蓋總成、摩擦片及對(duì)偶鋼片、回位彈簧等部件組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)偶鋼片通過圓柱銷與后軸承蓋總成連接在一起，鋼片只能軸向移動(dòng)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦片通過花鍵的形式與中間軸連接在一起，隨中間軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)；活塞上安裝K型密封圈與氣缸蓋配合通過螺栓固定在后軸承蓋總成上，活塞右側(cè)裝有回位彈簧，彈簧右端頂在中間軸空腔內(nèi)，左側(cè)通過彈簧頂帽與安裝在活塞上的頂銷接觸，在彈簧的作用力下使活塞處于最左位置，此時(shí)摩擦片與對(duì)偶鋼片處于放松狀態(tài)，制動(dòng)器處于非工作狀態(tài)。當(dāng)變速器需要升擋時(shí)，首先離合器分離，然后離合器從動(dòng)盤、中間軸總成以及二軸所有空套的齒輪以一定轉(zhuǎn)速自由降速，此時(shí)二軸上目標(biāo)擋位齒輪轉(zhuǎn)速大于與之將要嚙合的二軸上的滑套轉(zhuǎn)速，為了快速縮小兩者的轉(zhuǎn)速差，此時(shí)中間軸制動(dòng)器進(jìn)入工作，通過對(duì)中間軸快速制動(dòng)，中間軸帶動(dòng)二軸上待嚙合齒輪的轉(zhuǎn)速快速下降到與待嚙合的滑套轉(zhuǎn)速差在50 rpm以內(nèi)，以此減小換擋沖擊，縮短換擋時(shí)間，減少動(dòng)力損失，提高換擋品質(zhì)，提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖1 后置式中間軸制動(dòng)器結(jié)構(gòu)原理圖

后置式中間軸制動(dòng)器工作原理具體如圖2所示：當(dāng)AMT變速器控制單元（TCU）發(fā)出制動(dòng)器工作指令后，二位三通電磁閥通電，氣路打開，氣缸內(nèi)建立起壓力，活塞克服回位彈簧的阻力并帶動(dòng)對(duì)偶鋼片右移，壓緊摩擦片，多片摩擦副在軸向壓緊力下產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力矩，克服與中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)所有部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使與中間軸嚙合的二軸上待嚙合的齒輪轉(zhuǎn)速快速下降至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，然后TCU發(fā)出指令使二位三通電磁閥斷電，活塞在回位彈簧的作用下被推至最左端，此時(shí)二軸滑套在換擋執(zhí)行器的作用下掛入二軸上待嚙合齒輪，從而完成一次升擋過程。

圖2 后置式中間軸制動(dòng)器工作原理圖

2 中間軸制動(dòng)器關(guān)鍵參數(shù)

由上述可知，中間軸制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理與AT變速器中離合器的接合過程以及MT變速器中同步器的同步過程有相同之處，均是通過摩擦副被壓緊進(jìn)行滑摩做功，轉(zhuǎn)化為摩擦扭矩進(jìn)行同步的過程，其關(guān)鍵參數(shù)與同步器關(guān)鍵參數(shù)類似，具體計(jì)算公式及參數(shù)如下：

制動(dòng)器的瞬時(shí)制動(dòng)力矩公式如下[1-2]：

式中：

Tz（t）—— t時(shí)刻滑動(dòng)摩擦扭矩，單位為牛米（Nm）；

F（t）—— t時(shí)刻摩擦副表面受到的正壓力，單位為牛（N）；

μ（t）—— t時(shí)刻滑動(dòng)摩擦系數(shù)；

以中間軸制動(dòng)器為研究對(duì)象， 根據(jù)牛頓第二定理，對(duì)中間軸建立方程式為：

式中：

Jz——變速器中間軸總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為（kgm2）；

Mz——阻力矩，單位為牛米（Nm）；

ωz——中間軸角速度，單位為（rad/s）。

因中間軸制動(dòng)時(shí)間較短，設(shè)?ωz為制動(dòng)前后的轉(zhuǎn)速差，對(duì)（4）式可以轉(zhuǎn)換為：

由公式（1）和（5）可知：中間軸制動(dòng)器的制動(dòng)時(shí)間可以用下面公式計(jì)算：

式中：

t——中間軸制動(dòng)器的制動(dòng)時(shí)間，單位為（s）；

Ms——阻力矩，單位為牛米（Nm）；

制動(dòng)器摩擦副的滑磨功的計(jì)算公式為[3]：

由（2）、（7）式可知中：中間軸制動(dòng)器的單位面積的滑磨功可以用下面公式表示：

由上述公式可知，影響制動(dòng)器的制動(dòng)能力的主要關(guān)鍵參數(shù)有氣缸活塞受到面壓P、活塞的有效工作面積Ap、摩擦片的摩擦系數(shù)μz、當(dāng)量摩擦半徑Rz以及摩擦副數(shù)目Z；制動(dòng)器設(shè)計(jì)完成后TB閥的工作壓力、活塞的工作面積、當(dāng)量摩擦半徑Rz均已固定，所以影響制動(dòng)器（TB）性能和壽命的關(guān)鍵參數(shù)之一為摩擦片的摩擦系數(shù)μz，為了保證制動(dòng)器在整個(gè)使用壽命過程中具有穩(wěn)定制動(dòng)扭矩能力，其摩擦材料應(yīng)具備以下性能特點(diǎn)：

（1）摩擦材料應(yīng)具有高的耐磨損性能，即低的磨耗率。

（2）相當(dāng)匹配的摩擦系數(shù)，摩擦材料的最大靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)差值越小，制動(dòng)器摩擦副接合的越平穩(wěn)，即要有高的接合平穩(wěn)性。

（3）對(duì)偶件無磨蝕，對(duì)偶件的磨耗率一定要小于摩擦材料的磨耗率。

（4）具有高強(qiáng)度、耐高溫和抗沖擊載荷能力。

（5）不受載荷與制動(dòng)次數(shù)（>10 000 000次）影響的穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，摩擦材料在正常的穩(wěn)定磨損期內(nèi)應(yīng)具有較平穩(wěn)的摩擦系數(shù)。

（6）具有可應(yīng)付過載現(xiàn)象工況（使用不當(dāng)）的能力。比如離合器沒有完全分離時(shí)進(jìn)行制動(dòng)的能力（抗較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的能力）。

（7）好的油品兼容性。目前，制動(dòng)器摩擦片的摩擦材料大部分均是采用紙基碳復(fù)合材料，因其具有平穩(wěn)的摩擦系數(shù)，高的耐磨損性能以及好的油品兼容性。本文主要從摩擦材料磨損機(jī)理方面研究制動(dòng)器的性能試驗(yàn)。由于目前我公司還沒有針對(duì)TB試驗(yàn)的專業(yè)性臺(tái)架和系統(tǒng)性的測(cè)試方法和規(guī)范的檢測(cè)手段，下面根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制動(dòng)器的性能試驗(yàn)方法進(jìn)行研究和探討。

3 中間軸制動(dòng)器性能試驗(yàn)方法及研究

中間軸制動(dòng)器性能參數(shù)主要體現(xiàn)在制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)扭矩、摩擦副的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)、滑摩功，熱負(fù)荷能力等，從上面相關(guān)公式可知，中間軸制動(dòng)器的性能臺(tái)架必須具備以下功能：

（1）試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)采集變速器的一軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)油溫、制動(dòng)器氣缸進(jìn)氣口壓力、制動(dòng)扭矩曲線的能力。

（2）能通過采集到的曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)速差計(jì)算分析，制動(dòng)扭矩、進(jìn)氣口壓力的最大值、平均值、最小值分析；應(yīng)具備通過對(duì)軟件輸入制動(dòng)器相關(guān)幾何參數(shù)（如Ap、r1、r2、Z）；采集系統(tǒng)能實(shí)時(shí)輸出摩擦系數(shù)曲線，并能進(jìn)行最值、平均值分析。

目前我公司并沒有開展中間軸制動(dòng)器性能試驗(yàn)專業(yè)性臺(tái)架，性能試驗(yàn)的開展主要依據(jù)現(xiàn)有壽命試驗(yàn)臺(tái)搭建的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試能力擴(kuò)展，本文在此處主要闡述制動(dòng)器性能試驗(yàn)需要開展的內(nèi)容。

3.1 中間軸制動(dòng)器試驗(yàn)程序流程開發(fā)及臺(tái)架實(shí)現(xiàn)

中間軸制動(dòng)器試驗(yàn)必須有離合器參與工作才能進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)程序流程圖如圖3所示，制動(dòng)器和離合器的控制由變速器自帶TCU來完成，在MatlabSimulink開發(fā)環(huán)境下建立試驗(yàn)過程裝態(tài)機(jī)，然后利用相關(guān)Toolbox進(jìn)行編譯，生成控制器可執(zhí)行程序下載至控制器，由控制器完成制動(dòng)器和離合器的協(xié)調(diào)控制工作，K值和試驗(yàn)次數(shù)的記錄是通過KVA- SER讀取控制器發(fā)送的CAN報(bào)文，采用LABVIEW軟件進(jìn)行編程，通過電腦USB口解析KVASER讀取到的報(bào)文，把K值及試驗(yàn)次數(shù)顯示在電腦上。中間軸TB試驗(yàn)臺(tái)搭建如圖4所示，臺(tái)架主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、飛輪和離合器總成單元、變速器支撐單元、k值讀取單元等部分組成。

圖3 制動(dòng)器試驗(yàn)程序流程圖

圖4 中間軸TB性能試驗(yàn)臺(tái)

3.2 中間軸制動(dòng)器制動(dòng)扭矩的測(cè)試方法

中間軸制動(dòng)器的制動(dòng)扭矩在現(xiàn)有的試驗(yàn)臺(tái)架上是不能直接測(cè)量的，主要原因扭矩儀布置問題無法解決，本文提供的測(cè)試方法主要是通過上述中公式（5）進(jìn)行扭矩測(cè)量，施實(shí)步驟如下：

（1）首先通過離合器的分離接合，計(jì)算中間軸自由下降的斜率Kf，在相同的溫度下進(jìn)行10次重復(fù)性測(cè)量計(jì)算，取算術(shù)平均值作為計(jì)算結(jié)果，通過轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz計(jì)算出阻力矩Ms。

（2）在相同的溫度下通過離合器分離后，然后開啟TB閥進(jìn)行TB制動(dòng)，計(jì)算中間軸制動(dòng)斜率K，進(jìn)行10次重復(fù)性測(cè)量計(jì)算，取算術(shù)平均值作為計(jì)算結(jié)果，通過轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz計(jì)算出含有阻力矩的制動(dòng)力矩Mk。

（3） 通過公式（5）可以計(jì)算出制動(dòng)器的平均制動(dòng)扭矩Tz。

通過此方法可以在不同油溫下、不同油品下進(jìn)行Kf、K的測(cè)量，繪制MAP圖，便于后期TB的更好自學(xué)習(xí)。

3.3 中間軸制動(dòng)器摩擦材料摩擦系數(shù)的測(cè)試計(jì)算方法

中間軸制動(dòng)器的摩擦材料的摩擦系數(shù)本身是一個(gè)計(jì)算值，由公式（3）通過制動(dòng)扭矩Tz、活塞面壓P（t）及本身的幾何參數(shù)計(jì)算出來，其測(cè)試計(jì)算方法在5.1制動(dòng)扭矩測(cè)試過程中加入壓力傳感器，對(duì)制動(dòng)氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，求出活塞平均面壓P，然后通過公式（3）可以計(jì)算出平均摩擦系數(shù)，同樣進(jìn)行10次重復(fù)性測(cè)量計(jì)算，取算術(shù)平均值作為平均摩擦系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

3.4 中間軸制動(dòng)器性能試驗(yàn)過程中曲線采集及分析

中間軸制動(dòng)器性能試驗(yàn)過程中需要采集的曲線主要有變速器的一軸轉(zhuǎn)速、中間軸轉(zhuǎn)速（由變速器結(jié)構(gòu)決定）、離合器的分離位移曲線、TB閥的通電方波信號(hào)及氣缸進(jìn)氣壓力曲線等。本文以我公司某6擋變速器為例，通過利用換擋舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)GSQA對(duì)該變速器一軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過分析軟件進(jìn)行曲線擬合，具體曲線見圖5所示。

圖5 制動(dòng)器工作時(shí)一軸轉(zhuǎn)速與壓力曲線圖

圖6為完整的制動(dòng)性能曲線圖，圖中的離合器位移、TB閥的PWM信號(hào)、一軸轉(zhuǎn)速通過CANalyzer進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并記錄數(shù)據(jù)，然后結(jié)合GSQA系統(tǒng)采集到的一軸轉(zhuǎn)速和氣壓數(shù)據(jù)并經(jīng)過分析軟件進(jìn)行曲線擬合而獲得，下面從中間軸制動(dòng)器工作原理方面對(duì)圖6曲線進(jìn)行劃分區(qū)域并進(jìn)行分析。

圖6 制動(dòng)器完整制動(dòng)性能曲線圖

T0時(shí)刻為離合器接合狀態(tài)，T1為離合器完全分離時(shí)刻，T0～T1過程定義為離合器完全分離過程用Tc表示，T1～T2過程定義為制動(dòng)器開啟響應(yīng)時(shí)間，用Tr表示，它的影響因素主要有TB電磁閥的滯環(huán)、開啟彈簧力、TB閥至氣缸處的管路的長(zhǎng)短和直徑及氣缸內(nèi)回位彈簧的剛度；T2～T4過程為制動(dòng)器的實(shí)際制動(dòng)過程，此處用Tb或t表示，此過程也是摩擦副的滑磨過程，把T2、T4時(shí)刻對(duì)應(yīng)的一軸轉(zhuǎn)速分別定義為n2、n4，通過齒輪速比及單位轉(zhuǎn)化關(guān)系可以計(jì)算出中間軸制動(dòng)軸轉(zhuǎn)速差?ωz；T2～T3為制動(dòng)器開始制動(dòng)至TB閥關(guān)閉的過程，此過程一般用于K值計(jì)算；T3～T4為制動(dòng)器關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間，用Td表示，T4為制動(dòng)器的制動(dòng)力完全解除時(shí)刻；T4～T5為制動(dòng)器制動(dòng)力解除后，中間軸轉(zhuǎn)速自由降速過程；T4～T6為制動(dòng)器氣缸在回位彈簧的作用下整個(gè)排氣過程。

由于TB閥的PWM占空比受擋位及溫度環(huán)境影響比較大，在實(shí)際工作中需要不斷的調(diào)整和自學(xué)習(xí)，在本圖中假設(shè)TB閥的開啟和關(guān)閉是最佳時(shí)刻，T6時(shí)刻對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速恰好是換某擋中間軸理論轉(zhuǎn)速，則T4～T5過程為最佳換擋過程。最佳換擋過程轉(zhuǎn)速一定高于目標(biāo)擋位的中間軸理論轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速具體高多少合適，還應(yīng)需要考慮變速器換擋執(zhí)行器電磁閥開啟響應(yīng)時(shí)間，本文在此處只從試驗(yàn)的角度考慮TB制動(dòng)器工作的情況，實(shí)車上會(huì)受到路況、環(huán)境等因素影響，TB的動(dòng)作會(huì)更復(fù)雜。

4 總結(jié)

本文首先從中間軸制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)、工作原理及關(guān)鍵參數(shù)研究出發(fā)，以輕卡AMT為研究對(duì)象搭建了試驗(yàn)臺(tái)架，在沒有扭矩儀的情況下，提出一種如開展制動(dòng)器性能試驗(yàn)的方法，并詳細(xì)說明了對(duì)制動(dòng)扭矩、摩擦系數(shù)如何測(cè)量計(jì)算，最后利 用換擋舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)GSQA進(jìn)行了氣壓及轉(zhuǎn)速的采集，經(jīng)過分析軟件進(jìn)行二次擬合，形成完整的性能曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行了詳細(xì)分析和闡述。