AMT制動器油氣密封結構優化改進

高林峰 宋 楠 劉 晗 張思明 馮冠華

(陜西法士特汽車傳動工程研究院，西安，710119)

目前商用車AMT（手自一體變速器，編者注）多采用滑套的換擋結構，相比同步器換擋，滑套可靠性高，且成本低。滑套通過花鍵與輸出軸連接，其轉速與整車車速不變；而輸出軸齒輪空套在輸出軸上，通過齒輪嚙合與輸入軸連接。AMT換擋時，滑套在撥叉的帶動下軸向移動并與目標擋位輸出軸齒輪通過花鍵動連接；為保證AMT的換擋平順性，需要減小滑套與目標擋位輸出軸齒輪的轉速差。

在AMT降擋時，TCU會提高發動機的轉速，進而提高目標擋位輸出軸齒輪的轉速，以此減小與滑套之間的轉速差，從而完成降擋；但在升擋時，需要降低目標擋位輸出軸齒輪的轉速，如果只依靠攪油阻力、摩擦阻力等進行減速，會導致換擋時間久，動力中斷時間長；而且針對各種復雜工況的軟件標定難度較大，容易造成換擋打齒，降低換擋平順性。因此，為保證升擋的平順性，在離合器與輸出軸齒輪之間增加制動器結構，當升擋時，通過制動器對輸出軸齒輪進行減速，以此減小與滑套之間的轉速差，從而完成升擋。

1 制動器結構及工作原理

由于商用車自帶氣源，為降低額外的動力源供應，提升整車的燃油經濟性，AMT制動器采用電控氣動的方式，通過電磁閥控制氣路通斷。

制動器結構如圖1所示。活塞與氣缸蓋均為鋁合金材質，活塞間隙裝配于氣缸蓋中，依靠其內壁定心；活塞左側腔體與氣缸蓋組合為氣腔，與整車氣源聯通，右側腔體與變速器內腔聯通，保證制動器工作時，變速器潤滑油能及時帶走摩擦片產生的熱量，防止摩擦片過熱導致燒蝕，提升摩擦片壽命；活塞兩側腔體之間通過K型密封圈進行密封，此K型密封圈具有雙唇口，左側唇口起封氣作用，右側唇口起封油作用。

圖1 制動器結構示意圖

當制動器不工作時，活塞兩側腔體壓強一致，活塞依靠回位彈簧停留在最左側位置，此時摩擦片不產生制動扭矩；當變速器需要升擋時，活塞左側氣腔進氣，推動活塞克服回位彈簧彈力，壓緊摩擦片產生制動扭矩，摩擦片通過花鍵對目標擋位輸出軸齒輪進行減速，待齒輪與滑套轉速接近時，氣腔排氣，活塞通過回位彈簧回位，從而完成升擋。

2 制動器密封失效原因分析

制動器作為AMT核心結構，直接決定了AMT的換擋平順性，而制動器氣腔與油腔的密封對換擋平順性起著至關重要的作用。

為保證整車的可靠性，對制動器進行了可靠性臺架試驗，如圖2所示。當試驗進行到120萬次時拆解制動器，發現氣缸內有變速器潤滑油，且氣缸蓋內壁有磨損劃痕，如圖3、圖4所示。120萬次的制動次數遠低于試驗標準，制動器可靠性試驗密封失效。通過分析制動器結構，判斷制動器密封失效的原因主要有以下幾點。

圖2 制動器可靠性試驗臺架

圖3 制動器漏油

圖4 氣缸蓋內壁劃痕

2.1 密封圈壓縮率設計不合適

K型密封圈裝配于活塞凹槽中，為保證密封圈能順利裝配，密封圈設計為柔性彈性體，沒有常規油封的金屬骨架、彈簧等部件，只能依靠密封圈的壓縮變形來實現密封作用，因此，密封圈的壓縮變形量(壓縮率)應設計合適。壓縮率過小，接觸面壓力過小，不能達到密封的作用；但壓縮率也不宜過大，過大會加快密封圈唇口磨損速度，導致密封圈過早密封失效。

2.2 密封圈壓縮率減小

K型密封圈采用外圈雙唇口設計，左側唇口起封氣作用，右側唇口起封油作用；當氣腔進氣時，封氣側唇口受壓產生變形防止氣體進入變速器內腔，但由于K型密封圈為柔性彈性體，封氣側唇口的變形會導致封油側唇口產生變形，從而導致封油側壓縮率不足，引起密封失效。

2.3 氣缸蓋內壁劃痕導致密封圈唇口受損

活塞采用氣缸蓋內壁定心，活塞在軸向運動時會因進氣方向、阻力、重力等因素發生傾斜與氣缸蓋內壁接觸；而制動器氣缸蓋與活塞均為鋁合金材質，鋁合金材質的耐磨性較差，氣缸蓋內壁與活塞接觸會產生劃痕，而氣缸蓋內壁劃痕會導致軸向運動的密封圈唇口受損，引起密封失效。

2.4 封油側壓力過大導致密封失效

為保證變速器潤滑油能及時的帶走摩擦片產生的熱量及磨屑，制動器摩擦片及密封圈封油側有1/2高度浸潤在變速器潤滑油中；當制動器工作時，活塞會瞬間軸向移動，此時密封圈封油側的氣壓和油壓會急速增大，若此時的氣壓和油壓不能及時泄掉，則會使密封圈封油側唇口受壓變形導致密封失效。

2.5 傾斜進氣引起的密封失效

制動器氣腔進氣推動活塞軸向移動，由于氣缸進氣方向為斜側進氣，活塞正對進氣口位置的受力較大，導致活塞軸向傾斜移動，這樣不僅會使氣缸蓋內壁產生劃痕，而且還會使密封圈在圓周方向的壓縮變形量不均勻，而其中壓縮變形量減小位置會因此導致密封失效。

3 制動器密封改進措施及結論

根據制動器密封失效的原因分析，對制動器結構進行優化改進，改進后的制動器結構如圖5所示，主要有以下幾點改進措施。

圖5 制動器改進后結構示意圖

3.1 調整封油側密封圈壓縮率

K型密封圈封油側壓縮率為11.3%～16.1%，通過調整氣缸蓋、活塞、封油側密封圈尺寸及其公差，封油側密封圈壓縮率調整為16.6%～20.7%。

3.2 K型密封圈結構調整為雙密封圈結構

由于K型密封圈在進氣時封氣側唇口會產生變形導致密封失效，因此，將K型密封圈分為兩個單獨的密封圈，分別起封氣和封油的作用，工作時互不影響。

3.3 活塞增加支撐環

為防止活塞在軸向移動時與氣缸蓋內壁接觸產生劃痕，在活塞上增加支撐環來實現活塞定心；支撐環材料采用PA66但不限于PA66等耐磨性塑膠件；且為了方便裝配，支撐環開口設計。

3.4 增加泄壓孔

在封油側變速器殼體上增加泄壓孔，與變速器內腔聯通，以保證制動器工作時，活塞油腔側氣壓及油壓能及時泄掉。

3.5 進氣方向調整為中央進氣

將制動器進氣方向由傾斜進氣調整為中央進氣，保證氣缸進氣時活塞中心位置受力，減少因進氣方向導致的活塞傾斜。

根據以上改進措施試制相關零件，并進行制動器可靠性試驗。分別在可靠性試驗進行到100萬、200萬、300萬、400萬次時對制動器進行拆檢，氣缸內干燥，無變速器潤滑油泄露，且氣缸蓋內壁光亮無劃痕，如圖6所示。

圖6 制動器優化后密封結構可靠性試驗拆檢結果

4 結語

本文針對制動器密封失效問題，通過分析進氣方向、密封圈變形、活塞受力等對制動器密封的影響，并以此提出中央進氣、雙密封、活塞增加支撐環等 改進措施，最終通過了制動器可靠性試驗，為其它結構的油氣密封結構設計提供了強有力的參考及指導意義。