關于CVT中離合器彈簧系統的設計

文敏 劉立娟 梁甲 袁明佳 韋鈰濰

摘要：在CVT的研究中，很多研究人員認為使用液力變矩器作為起步裝置的CVT，對離合器控制策略和硬件要求不高，但是在實際的應用過程中，在某些特殊工況下，CVT的離合器也會承擔某種程度的起步功能。比如駕駛員換擋后以及踩下油門踏板進行急加速的狀態，這時如果控制策略不完善以及硬件的不穩定性，可能引起離合器摩擦片的滑摩不充分，導致車輛起步時的沖擊感，可能會造成CVT的嚴重破壞。本文主要從硬件的彈簧系統的設計入手，提供避免出現該問題產生的設計算法。

關鍵詞：CVT;離合器;沖擊;彈簧系統

1 引言

帶式結構CVT（以下簡稱CVT）作為自動變速器中的一種形式，在國內的車型中得到越來越廣泛的應用。CVT采用摩擦力來傳遞動力，其工作原理即導致該系統的承載安全系數不高，對沖擊載荷明感，為避免在沖擊載荷對CVT中鋼帶的破壞，需對系統中各個環節都進行相關的設計控制，比如液力變矩器的離合及減震系統，離合器系統的動態響應控制，液壓系統的壓力抖動及響應控制等。本文只針對離合器中的彈簧系統設計改進，來避免因為該設計的不合理性，造成對CVT產生起步沖擊以及其他造成CVT鋼帶打滑破壞。

2 離合器系統結構

如圖l所示，CVT中一種離合器系統結構包含離合器轂、活塞、復位彈簧、復位彈簧壓板、摩擦片等主要零件。

離合器系統在充油階段，電磁閥控制的目標壓力保持不變，直至離合器的半離合點，即離合器油缸充滿且緩沖彈簧行程被完全壓縮。半離合點的控制是整個過程中難度最大的點，離合器接合過程中的第一次沖擊也來源于此。針對在半離合點的結合壓力的設定，彈簧系統起到關鍵作用。

3 前進擋離合器的工作說明

離合器有兩個工作狀態：結合、分離。

A、結合過程：變速器進入D擋模式，液壓油通過前進擋離合器 進入到前進擋活塞腔內，如圖2紅色箭頭，推動前進擋活塞克服彈簧力和其他摩擦力移動，并擠壓前進擋離合器系統，讓摩擦片接觸并完成結合。

沖壓過程如圖3所示，分為三個過程：充油（tl）、滑摩（t2）、結合（t3）。

B、分離過程：變速器從D擋模式進入N擋或R擋，液壓油從活塞腔內排出，如圖2綠色箭頭，活塞被彈簧推動復位，完成分離過程。

4 彈簧的設計

tl與t2時刻的過渡點A是充油結束的時刻，對這一過渡點的精確控制非常重要，否則會出現“充油過度”或者“充油不足”。

“充油過度”，即在A點，離合器閥的目標壓力繼續保持Pfill不變，而活塞到達其最大行程以后，進入油缸的流量會將離合器油缸內的壓力快速提升至離合器閥的目標壓力，即作用在摩擦片上的壓力瞬時提高，引起換擋沖擊。

“充油不足”，即充油尚未完成，控制系統已經將離合器閥的目標壓力從Pfill，拉低至Psijp，0，導致充油速度下降，充油過程被拉長。如果在離合器油缸充滿的時刻，離合器閥的目標壓力已經沿著直線Pslip，O-Pslip，1將目標壓力提升到較高的水平，那么作用在摩擦片上的壓力也會在這一時刻迅速提升，導致換擋沖擊。

4.1 結合階段

當液壓油進入前進擋離合器油腔，其建立的油壓力將克服彈簧力推動活塞沿軸向移動，當前進擋離合器系統的間隙被消除，摩擦片與鋼片完全解除的工作點被稱為Kisspoint點。在該點位置，離合器系統雖完全接觸但不具備額外的油壓力進行動力的傳遞，此時彈簧的主要作用為：

a、避免油壓建立初期產生的不穩定油壓的沖擊力傳遞到離合器系統，從而產生換擋沖擊;

b、避免“充油不足”和“充油過度”的問題，采用彈簧系統來保證進入Kisspoint點的一致性;

c、在退回N擋或者P擋后，通過彈簧力來快速泄空離合器腔體內的油壓，見圖4。

結合上述彈簧的具體作用，通過以下計算來確定彈簧力的需求。

根據油壓特性，得：Pkiss=1 - 1.5bar （Pkiss：在Kisspoint點的離合器油壓）。故：

F2= Pkiss*Ad+ F

式中：F0-前進擋彈簧在Kisspoint點的力值;Ad-油缸工作面積;Fd-離合器油缸內的動壓，見圖5。

根據離合器傳遞動力的需求、離合器油壓控制閥的性能及摩擦片的摩擦系數特性等來設定油缸的工作面積，在本文中不進行具體說明，根據已有實例：

Ad= （D^2 - d^2）*π/4

式中：D前進擋離合器活塞大徑;d前進擋離合器活塞小徑。

4.2分離階段

當前進擋離合器進入分離階段，彈簧力推動活塞克服活塞阻力，快速完成分離動作，避免出現雙離合器結合的現象，在該階段，彈簧的作用為：克服活塞阻力，推動活塞軸向移動復位。

讓液壓油排卸，保證離合器快速分離;液壓油的排卸能力，可按照下式進行推導：

4.3開槽碟簧計算

目前前進擋離合器中常用的彈簧形式有：碟簧/開槽碟簧、圓柱彈簧組、波形彈簧。本文簡述開槽碟簧的設計。開槽碟形彈簧是在普通碟形彈簧上開出由內向外的徑向溝槽制作而成。該結構彈簧通常用于軸向尺寸受到限制而允許外徑較大的場合。

結合之前鎖定的彈簧需求載荷值，按照如下計算公式可進行碟簧的計算。

根據以上計算過程確定相應參數，可對離合器中的彈簧系統詳細設計及改進，來避免設計的不合理性，使得離合器系統在起步及傳動中平穩工作。

5 總結

在現代的CVT中，越來越多的通過增加轉速傳感器測量轉速差來優化控制策略，以彌補硬件系統的不穩定性。而本文通過優化對離合器系統的彈簧結構設計，對彈簧系統進行最佳力值設計，在硬件方面有效避免在某些特定工況下出現換擋沖擊、離合器摩擦片異常磨損或者金屬帶的損傷。

參考文獻：

[1]秦代成，李慧謹波形彈簧的力學性能分析.制造業自動化.2014.

作者簡介——

文敏：（1981-），男，湖南株洲人，本科，工程師，現任職于柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司，主要從事變速器方面的工作。