輕卡AMT變速器中間軸制動器關鍵參數(shù) 及性能試驗方法研究

馮殿軍

（陜西法士特汽車傳動集團有限責任公司 實驗中心，陜西 西安 710077）

引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車駕駛員對汽車的操控要求越來越高，輕卡AMT變速器的市場越來越大，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）選換擋機構配合離合器接合分離執(zhí)行機構，通過TCU控制器判斷一軸轉速、輸出軸轉速等信號進行換擋的。換擋過程中為了不產(chǎn)生換擋沖擊的前提條件是只有當嚙合套的轉速與被掛目標擋位的二軸上齒輪轉速同步在一定范圍內才能執(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，同時在中間軸上增加一套用于對中間軸制動的裝置，它是AMT變速器上不可缺少裝置，該制動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器性能具有現(xiàn)實重要意義。

1 中間軸制動器結構及工作原理

中間軸制動器主要有氣缸蓋、活塞、密封圈、后軸承蓋總成、摩擦片及對偶鋼片、回位彈簧等部件組成，其具體結構如圖1所示。對偶鋼片通過圓柱銷與后軸承蓋總成連接在一起，鋼片只能軸向移動不能轉動，摩擦片通過花鍵的形式與中間軸連接在一起，隨中間軸一起轉動；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，活塞右側裝有回位彈簧，彈簧右端頂在中間軸空腔內，左側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，此時摩擦片與對偶鋼片處于放松狀態(tài)，制動器處于非工作狀態(tài)。當變速器需要升擋時，首先離合器分離，然后離合器從動盤、中間軸總成以及二軸所有空套的齒輪以一定轉速自由降速，此時二軸上目標擋位齒輪轉速大于與之將要嚙合的二軸上的滑套轉速，為了快速縮小兩者的轉速差，此時中間軸制動器進入工作，通過對中間軸快速制動，中間軸帶動二軸上待嚙合齒輪的轉速快速下降到與待嚙合的滑套轉速差在50 rpm以內，以此減小換擋沖擊，縮短換擋時間，減少動力損失，提高換擋品質，提高整車燃油經(jīng)濟性。

圖1 后置式中間軸制動器結構原理圖

后置式中間軸制動器工作原理具體如圖2所示：當AMT變速器控制單元（TCU）發(fā)出制動器工作指令后，二位三通電磁閥通電，氣路打開，氣缸內建立起壓力，活塞克服回位彈簧的阻力并帶動對偶鋼片右移，壓緊摩擦片，多片摩擦副在軸向壓緊力下產(chǎn)生滑動摩擦力矩，克服與中間軸轉動相關所有部件的轉動慣量，使與中間軸嚙合的二軸上待嚙合的齒輪轉速快速下降至目標轉速，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 后置式中間軸制動器工作原理圖

2 中間軸制動器關鍵參數(shù)

由上述可知，中間軸制動器的結構和工作原理與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行滑摩做功，轉化為摩擦扭矩進行同步的過程，其關鍵參數(shù)與同步器關鍵參數(shù)類似，具體計算公式及參數(shù)如下：

制動器的瞬時制動力矩公式如下[1-2]：

式中：

Tz（t）—— t時刻滑動摩擦扭矩，單位為牛米（Nm）；

F（t）—— t時刻摩擦副表面受到的正壓力，單位為牛（N）；

μ（t）—— t時刻滑動摩擦系數(shù)；

以中間軸制動器為研究對象， 根據(jù)牛頓第二定理，對中間軸建立方程式為：

式中：

Jz——變速器中間軸總的轉動慣量，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）。

因中間軸制動時間較短，設?ωz為制動前后的轉速差，對（4）式可以轉換為：

由公式（1）和（5）可知：中間軸制動器的制動時間可以用下面公式計算：

式中：

t——中間軸制動器的制動時間，單位為（s）；

Ms——阻力矩，單位為牛米（Nm）；

制動器摩擦副的滑磨功的計算公式為[3]：

由（2）、（7）式可知中：中間軸制動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，影響制動器的制動能力的主要關鍵參數(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、當量摩擦半徑Rz以及摩擦副數(shù)目Z；制動器設計完成后TB閥的工作壓力、活塞的工作面積、當量摩擦半徑Rz均已固定，所以影響制動器（TB）性能和壽命的關鍵參數(shù)之一為摩擦片的摩擦系數(shù)μz，為了保證制動器在整個使用壽命過程中具有穩(wěn)定制動扭矩能力，其摩擦材料應具備以下性能特點：

（1）摩擦材料應具有高的耐磨損性能，即低的磨耗率。

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

（3）對偶件無磨蝕，對偶件的磨耗率一定要小于摩擦材料的磨耗率。

（4）具有高強度、耐高溫和抗沖擊載荷能力。

（5）不受載荷與制動次數(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)定磨損期內應具有較平穩(wěn)的摩擦系數(shù)。

（6）具有可應付過載現(xiàn)象工況（使用不當）的能力。比如離合器沒有完全分離時進行制動的能力（抗較大轉動慣量的能力）。

（7）好的油品兼容性。目前，制動器摩擦片的摩擦材料大部分均是采用紙基碳復合材料，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理方面研究制動器的性能試驗。由于目前我公司還沒有針對TB試驗的專業(yè)性臺架和系統(tǒng)性的測試方法和規(guī)范的檢測手段，下面根據(jù)以往的經(jīng)驗及相關的試驗標準對制動器的性能試驗方法進行研究和探討。

3 中間軸制動器性能試驗方法及研究

中間軸制動器性能參數(shù)主要體現(xiàn)在制動時間、制動扭矩、摩擦副的動、靜摩擦系數(shù)、滑摩功，熱負荷能力等，從上面相關公式可知，中間軸制動器的性能臺架必須具備以下功能：

（1）試驗臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應具備實時采集變速器的一軸轉速、輸出軸轉速、試驗油溫、制動器氣缸進氣口壓力、制動扭矩曲線的能力。

（2）能通過采集到的曲線進行轉速差計算分析，制動扭矩、進氣口壓力的最大值、平均值、最小值分析；應具備通過對軟件輸入制動器相關幾何參數(shù)（如Ap、r1、r2、Z）；采集系統(tǒng)能實時輸出摩擦系數(shù)曲線，并能進行最值、平均值分析。

目前我公司并沒有開展中間軸制動器性能試驗專業(yè)性臺架，性能試驗的開展主要依據(jù)現(xiàn)有壽命試驗臺搭建的基礎上進行了相關測試能力擴展，本文在此處主要闡述制動器性能試驗需要開展的內容。

3.1 中間軸制動器試驗程序流程開發(fā)及臺架實現(xiàn)

中間軸制動器試驗必須有離合器參與工作才能進行試驗，試驗程序流程圖如圖3所示，制動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)境下建立試驗過程裝態(tài)機，然后利用相關Toolbox進行編譯，生成控制器可執(zhí)行程序下載至控制器，由控制器完成制動器和離合器的協(xié)調控制工作，K值和試驗次數(shù)的記錄是通過KVA- SER讀取控制器發(fā)送的CAN報文，采用LABVIEW軟件進行編程，通過電腦USB口解析KVASER讀取到的報文，把K值及試驗次數(shù)顯示在電腦上。中間軸TB試驗臺搭建如圖4所示，臺架主要由電機驅動單元、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 制動器試驗程序流程圖

圖4 中間軸TB性能試驗臺

3.2 中間軸制動器制動扭矩的測試方法

中間軸制動器的制動扭矩在現(xiàn)有的試驗臺架上是不能直接測量的，主要原因扭矩儀布置問題無法解決，本文提供的測試方法主要是通過上述中公式（5）進行扭矩測量，施實步驟如下：

（1）首先通過離合器的分離接合，計算中間軸自由下降的斜率Kf，在相同的溫度下進行10次重復性測量計算，取算術平均值作為計算結果，通過轉動慣量Jz計算出阻力矩Ms。

（2）在相同的溫度下通過離合器分離后，然后開啟TB閥進行TB制動，計算中間軸制動斜率K，進行10次重復性測量計算，取算術平均值作為計算結果，通過轉動慣量Jz計算出含有阻力矩的制動力矩Mk。

（3） 通過公式（5）可以計算出制動器的平均制動扭矩Tz。

通過此方法可以在不同油溫下、不同油品下進行Kf、K的測量，繪制MAP圖，便于后期TB的更好自學習。

3.3 中間軸制動器摩擦材料摩擦系數(shù)的測試計算方法

中間軸制動器的摩擦材料的摩擦系數(shù)本身是一個計算值，由公式（3）通過制動扭矩Tz、活塞面壓P（t）及本身的幾何參數(shù)計算出來，其測試計算方法在5.1制動扭矩測試過程中加入壓力傳感器，對制動氣壓進行實時采集，求出活塞平均面壓P，然后通過公式（3）可以計算出平均摩擦系數(shù)，同樣進行10次重復性測量計算，取算術平均值作為平均摩擦系數(shù)計算結果。

3.4 中間軸制動器性能試驗過程中曲線采集及分析

中間軸制動器性能試驗過程中需要采集的曲線主要有變速器的一軸轉速、中間軸轉速（由變速器結構決定）、離合器的分離位移曲線、TB閥的通電方波信號及氣缸進氣壓力曲線等。本文以我公司某6擋變速器為例，通過利用換擋舒適性評價系統(tǒng)GSQA對該變速器一軸轉速、進氣壓力進行數(shù)據(jù)采集，通過分析軟件進行曲線擬合，具體曲線見圖5所示。

圖5 制動器工作時一軸轉速與壓力曲線圖

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

圖6 制動器完整制動性能曲線圖

T0時刻為離合器接合狀態(tài)，T1為離合器完全分離時刻，T0～T1過程定義為離合器完全分離過程用Tc表示，T1～T2過程定義為制動器開啟響應時間，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短和直徑及氣缸內回位彈簧的剛度；T2～T4過程為制動器的實際制動過程，此處用Tb或t表示，此過程也是摩擦副的滑磨過程，把T2、T4時刻對應的一軸轉速分別定義為n2、n4，通過齒輪速比及單位轉化關系可以計算出中間軸制動軸轉速差?ωz；T2～T3為制動器開始制動至TB閥關閉的過程，此過程一般用于K值計算；T3～T4為制動器關閉響應時間，用Td表示，T4為制動器的制動力完全解除時刻；T4～T5為制動器制動力解除后，中間軸轉速自由降速過程；T4～T6為制動器氣缸在回位彈簧的作用下整個排氣過程。

由于TB閥的PWM占空比受擋位及溫度環(huán)境影響比較大，在實際工作中需要不斷的調整和自學習，在本圖中假設TB閥的開啟和關閉是最佳時刻，T6時刻對應的轉速恰好是換某擋中間軸理論轉速，則T4～T5過程為最佳換擋過程。最佳換擋過程轉速一定高于目標擋位的中間軸理論轉速，轉速具體高多少合適，還應需要考慮變速器換擋執(zhí)行器電磁閥開啟響應時間，本文在此處只從試驗的角度考慮TB制動器工作的情況，實車上會受到路況、環(huán)境等因素影響，TB的動作會更復雜。

4 總結

本文首先從中間軸制動器的結構、工作原理及關鍵參數(shù)研究出發(fā)，以輕卡AMT為研究對象搭建了試驗臺架，在沒有扭矩儀的情況下，提出一種如開展制動器性能試驗的方法，并詳細說明了對制動扭矩、摩擦系數(shù)如何測量計算，最后利 用換擋舒適性評價系統(tǒng)GSQA進行了氣壓及轉速的采集，經(jīng)過分析軟件進行二次擬合，形成完整的性能曲線，并對曲線進行了詳細分析和闡述。