商用车AMT电磁式中间轴制动器的设计

作者：林洋1,龙永红1,王建忠2（1.湖南工业大学交通工程学院；2.株洲齿轮有限责任公司技术中心，湖南株洲 412000）时间：2021-03-30来源：电子产品世界收藏

编者按：针对商用车AMT气动式中间轴制动器难以精确控制和冲击较大的问题，本文通过对中间轴制动器基本参数的选取与计算，设计了一种新型电磁式中间轴制动器。此设计控制精度高、适应性强，一定程度上减小了齿间冲击。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202103/424037.htm

0 引言

电控机械式自动变速器（Automated Manual Transmission，AMT）是在传统平行轴式手动变速器和干式离合器的基础上，加装电控执行机构和传感器构成的，其具有手动变速器传动效率高、制造成本低等优点，而且AMT制造相对简单、生产继承性好，所以具有广阔的产业化前景，尤其是在重型商用车领域^[1-3]。

对于带有同步器的机械式自动变速箱，同步转速通过同步器实现，而不带同步器的变速器，采用滑动齿套换挡，升挡时需要将输入轴转速降到合理范围内，才能较平顺的进齿啮合、实现换挡^[4]。而使用中间轴制动器可快速准确的降低输入轴转速。国内外采用的中间轴制动器多为气动控制，不仅需要整车提供清洁气源，而且由于气体的可压缩性，导致制动过程不易精确控制，冲击较大^[5]。

本文针对上述问题，通过对中间轴制动器进行参数计算，设计一种新型的电磁式中间轴制动器总成。

1 中间轴制动器的工作原理

中间轴制动器的摩擦片通过花键与变速器中间轴连接在一起，随中间轴一同旋转，钢片与制动器底座固定在一起。制动器工作时，电磁阀控制高压气体进入制动器气缸，活塞在高压气的作用下向前运动，挤压钢片，使钢片与摩擦片之间发生滑摩产生摩擦阻力矩，即制动力矩，从而降低中间轴转速。当中间轴转速降至目标转速，气缸内的高压气体经电磁阀排出，活塞在回位弹簧的作用下回到初始位置，钢片与摩擦片间的滑摩解除，制动器停止工作。油泵为制动器提供冷却油。

图1 中间轴制动器原理图

2 参数计算

2.1 同步所需理论力矩计算

2.1.1 转动惯量计算

由于制动器是在变速箱摘空挡后工作，所以它的工作对象包括：发动机及其飞轮、变速箱一轴及其附属零件、中间轴及其附属零件、二轴上的惰轮、倒挡轴附属零件以及其自身的转动惯量。首先将上述各部分的转动惯量转换到安装制动器侧的中间轴上，然后再转换到制动器上。

1）分离离合器换挡

分离离合器换挡时，制动器工作需要克服的转动惯量及已知条件如下：输入轴（Input Shaft）及其附属零件的转动惯量及其齿数

I_I = 7.71×10⁻³ kgm² Z_I = 48

中间轴及其附属零件的转动惯量及其齿数

IC₁ = 6.72×10⁻² kgm² IC₂ = 7.17×10⁻² kgm² Z_CI = 69

主轴上的惰性齿轮及其附属零件的转动惯量、齿数及其对应中间轴齿轮的齿数。

图2 AMT结构示意图

倒挡中间齿轮及其附属零件的转动惯量及其齿数

制动器的转动惯量、齿数及其对应主轴齿轮的齿数

离合器从动盘的转动惯量0.12 kgm²

安装制动器侧中间轴上的当量转动惯量

制动器上的当量转动惯量

2）不分离离合器换挡

不分离离合器换挡时，制动器工作需要克服的转动惯量及已知条件如下：

输入轴及其附属零件的转动惯量和齿数

中间轴及其附属零件的转动惯量及其齿数

主轴上的惰性齿轮及其附属零件的转动惯量、齿数及其对应中间轴齿轮的齿数。

倒挡中间齿轮及其附属零件的转动惯量及其齿数

离合器从动盘的转动惯量0.12 kgm²

安装制动器侧中间轴上的当量转动惯量

制动器上的当量转动惯量

2）不分离离合器换挡

不分离离合器换挡时，制动器工作需要克服的转动

惯量及已知条件如下：

输入轴及其附属零件的转动惯量和齿数

中间轴及其附属零件的转动惯量及其齿数

主轴上的惰性齿轮及其附属零件的转动惯量、齿数及其对应中间轴齿轮的齿数

倒挡中间齿轮及其附属零件的转动惯量及其齿数

制动器的转动惯量、齿数及其对应主轴齿轮的齿数

发动机、飞轮及离合器的转动惯量为3.63 kgm²

安装制动器侧中间轴的当量转动惯量：

输入轴相对于安装制动器侧中间轴的当量转动惯量

主轴上各惰性齿轮相对于安装制动器侧中间轴的当量转动惯量

倒挡中间齿轮相对于安装制动器侧中间轴的当量转动惯量

发动机、飞轮及离合器的当量转动惯量

由于制动器是在摘完挡后工作，所以副箱内零部件的转动惯量不计。

安装制动器侧中间轴的总当量转动惯量

中间轴制动器上得当量转动惯量

2.1.2 所需力矩计算

设换挡前车速为_ua，发动机转速为n_ea，传动比为i_ga，中间轴制动器齿轮转速为n_ca；换挡后车速为u_b，发动机转速为n_eb，传动比为i_gb，中间轴制动器齿轮转速为n_cb。

根据汽车在换挡前后车速近似不变的原则，即可得

则中间轴制动器齿轮转速

换挡前后的转速差

由于离合器在换挡时不分离，并且已摘空挡，所以近似刚性联接，中间轴转速变化近似匀减速，角加速度

则制动力矩

设，则

根据10TA 变速箱的换挡时间，取制动器的工作时间Δt = 0.5。

根据经验以及变速箱所匹配的发动机6DN1 的万有特性曲线，取n_ea =1100 。

图3 发动机万有特性曲线图

发动机工作转速范围为0 ~ 1900 r/min ，要求的最大制动力矩：

分离离合器：M_max≈24.2 N⋅m

不分离离合器：M_max≈390 N⋅m

取储备系数β_md=1.3

制动器的额定工作扭矩为

M_e≈ 507 N⋅m

2.2 中间轴制动器所需力矩计算

2.2.1 电磁部分的力与力矩计算

（1）电磁吸力

S ——磁场有效气隙面积；μ₀——真空磁导率， μ₀ = 4π×10−7 H/m；N ——电磁铁线圈总匝数；I ——激磁电流；δ ——工作气隙。

（2）摩擦锥面产生的力矩

2.2.2 压紧部分的力与力矩计算

（1）压紧力

根据压紧部分的实际测绘结果可得

k=tanβ=F₂/ F₁=1/ 22.5

k ——压盘滚道斜率； β ——压盘滚道坡度角；M——摩擦锥面产生的力矩；F1 ——轴向压紧力； F2 ——周向分力； R1 ——钢球的作用半径。

（2）摩擦力矩

f ——摩擦系数；F ——工作压力；Z ——摩擦面数；Rc ——摩擦片的平均摩擦半径。

综合以上公式可得中间轴制动器的工作力矩公式

综上所述，本设计是将克服通电后摩擦锥面所产生的力矩使锥盘转动的周向力F2 通过压盘滚道的坡度放大，从而产生一个较大的轴向压力F1 压紧摩擦片产生降速用的摩擦力矩，这压紧过程中回位弹簧变形产生的弹力忽略不计。

3 设计方案

本方案中间轴制动器由电磁铁控制制动器工作，采用随动式压盘结构，在电磁铁通电时，产生制动作用；电磁铁断电时，解除制动作用；易于精确控制。另外，将冷却油泵与制动器集成为一个总成，系统集成度高、适应性强，提高了装配维修方便性。以下是本方案的设计结构图。

在图5 中，具体对应关系为：1- 制动器壳体；2- 轴总成；3- 制动器齿轮；4- 圆锥滚子轴承；5- 固定齿座；6- 摩擦片（5 个）；7- 钢片（4 个）；8- 齿轮泵外转子；9- 齿轮泵内转子；10- 小垫片；11- 推力轴承；12- 泵盖：13- 碟形弹簧（2 个）；14- 随动压盘；15- 钢球（3 个）；16- 限位压盘；17- 吸盘；18- 限位环；19- 推力轴承（2 个）；20- 大垫片；21- 电磁铁；22- 电磁铁开关。