主副箱互鎖和取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

趙康

法士特汽車(chē)傳動(dòng)工程研究院實(shí)驗(yàn)中心，陜西西安 710077

0 引言

在冷車(chē)或者低溫的情況下，副箱同步器換擋時(shí)間長(zhǎng)，司機(jī)容易在副箱沒(méi)有換擋完成的情況下掛主箱，這種操作對(duì)于副箱同步器增加了換擋的難度，也加大了副箱同步器的磨損，甚至?xí)霈F(xiàn)整車(chē)動(dòng)力中斷。變速器安裝取力器后，對(duì)于變速器副箱同步器又多了一層考驗(yàn)。因此對(duì)副箱同步器的保護(hù)是必須要做的工作，既要保證主副箱順利換擋，又要防止在取力器工作時(shí)，司機(jī)誤操作使副箱同步器掛入高擋，損壞副箱同步器。為此，文中設(shè)計(jì)了主副箱保護(hù)結(jié)構(gòu)和取力器(PTO)保護(hù)機(jī)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

1 主副箱互鎖和取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)原理

1.1 機(jī)械式主副箱互鎖結(jié)構(gòu)

在S變速器上采用的是機(jī)械式互鎖結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 S變速器的機(jī)械式互鎖結(jié)構(gòu)

由圖1可知，當(dāng)互鎖板處于副箱撥叉軸凸臺(tái)時(shí)，副箱處于空擋位置，此時(shí)互鎖板被拉緊處于主箱撥叉軸凹槽中，主箱不能換擋；當(dāng)互鎖板處于副箱撥叉軸凸臺(tái)兩側(cè)的凹槽中，副箱處于高擋或者低擋位置，互鎖板被彈簧頂回，此時(shí)互鎖板未處于主箱撥叉軸凹槽中，主箱可以換擋。

通過(guò)上面的原理可以知道，S變速器安裝取力器后，依然采用以上的機(jī)械式互鎖，當(dāng)取力器掛上擋，副箱同步器在中間位置，主箱就無(wú)法換擋，這種互鎖的結(jié)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足取力器的安裝，故帶后取力器的變速器不能采用這種機(jī)械式主副箱互鎖機(jī)構(gòu)。

1.2 氣動(dòng)主副箱互鎖結(jié)構(gòu)原理

氣動(dòng)主副箱互鎖的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)主副箱互鎖的結(jié)構(gòu)原理

由圖可知，互鎖氣閥的頂桿在副箱撥叉軸的凹槽中，表示副箱在低擋或者高擋位置，氣路中有高壓氣，互鎖氣缸解鎖，主箱可以換擋；當(dāng)互鎖氣閥的頂桿從副箱撥叉軸的凹槽里滑出，表示副箱在中間位置，氣路中沒(méi)有高壓氣體，互鎖氣缸鎖止，主箱不可以換擋。

1.3 取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)原理

如圖3所示，取力器工作前首先保證副箱中間位置氣缸在低擋側(cè)，取力器進(jìn)氣開(kāi)關(guān)打開(kāi)，高壓氣同時(shí)進(jìn)入取力器氣缸和中間位置氣缸，取力器氣缸使取力器掛到擋位，中間位置氣缸保持在中間位置，切斷向傳動(dòng)軸輸出的動(dòng)力。此刻中間位置氣缸在中間位置，由于主副箱互鎖的結(jié)構(gòu)，此刻主箱不能換擋，這不符合取力器的工作要求，故在取力器工作時(shí)，主箱必須可以換擋，這就要求將兩者結(jié)合的時(shí)候，主箱互鎖氣缸解鎖，主箱可以換擋。

圖3 取力器工作原理

1.4 主副箱互鎖和取力器保護(hù)氣路結(jié)構(gòu)

圖4為S12單H氣路的主副箱互鎖及取力器保護(hù)氣路結(jié)構(gòu)。

圖4 S12單H氣路的主副箱互鎖及取力器保護(hù)氣路結(jié)構(gòu)

(1)主副箱換擋互鎖功能

以6→7擋為例，儲(chǔ)氣筒的高壓氣進(jìn)入變速器調(diào)壓閥，一路進(jìn)入離合器踏板電磁閥，當(dāng)離合器踏板被踩下，高壓氣進(jìn)入互鎖閥，此刻副箱在低擋，高壓氣進(jìn)入互鎖活塞和助力器，互鎖氣缸解鎖，主箱可以換擋。另一路高壓氣進(jìn)入截止閥。當(dāng)手球(預(yù)選閥)從低擋掛到高擋，主箱從6擋摘到空擋，截止閥中的高壓氣進(jìn)入單H閥，再進(jìn)入高擋截止閥及副箱同步器高擋側(cè)，副箱開(kāi)始換擋，當(dāng)副箱撥叉軸在中間位置時(shí)，互鎖閥的頂桿被頂起，互鎖閥中的高壓氣截止，助力器和鎖擋活塞斷氣，主箱換擋被鎖死，主箱不能換擋。直到副箱換擋完成，互鎖閥頂桿進(jìn)入凹槽中，互鎖閥頂桿回彈，高壓氣就可以進(jìn)入助力器和鎖定氣缸，主箱換擋解鎖，主箱可以換擋。主箱由空擋掛入7擋，換擋完成。7→6擋的過(guò)程，與上面6→7擋相類(lèi)似，不同之處是副箱低擋進(jìn)氣并未進(jìn)入高擋截止閥，直接進(jìn)入副箱低擋側(cè)。

(2)取力器保護(hù)工作原理

當(dāng)取力器工作時(shí)，副箱同步器首先要在低擋位置，高壓氣由儲(chǔ)氣筒進(jìn)入停車(chē)取力開(kāi)關(guān)，停車(chē)取力開(kāi)關(guān)打開(kāi)，高壓氣進(jìn)入高擋截止閥、中間位置氣缸和互鎖閥，高擋截止閥的氣進(jìn)入取力器氣缸，取力器掛上擋，同時(shí)高擋截止閥關(guān)閉給副箱高擋的進(jìn)氣，中間位置氣缸到中間位置，切斷給傳動(dòng)軸的輸出動(dòng)力，互鎖閥中的高壓氣可以進(jìn)入鎖止氣缸和助力器，鎖止氣缸解鎖，主箱此時(shí)可以正常換擋。如果發(fā)生司機(jī)誤操作，在手球處掛入高擋，截止閥的高壓氣進(jìn)入高擋截止閥，高擋截止閥阻止了高壓氣進(jìn)入副箱高擋，從而保護(hù)了副箱同步器。

2 主副箱互鎖及取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 主副箱互鎖功能驗(yàn)證

對(duì)C12變速器7→6擋(預(yù)選)性能進(jìn)行試驗(yàn)，空擋點(diǎn)停留0.2 s，設(shè)置機(jī)械手處的換擋力170 N，換擋速度300 mm/s，其性能曲線(xiàn)如圖5所示。圖中，S0為主箱從7擋開(kāi)始摘擋；S1為副箱氣缸低擋側(cè)開(kāi)始進(jìn)氣；S2為主副箱互鎖氣缸開(kāi)始排氣，并準(zhǔn)備進(jìn)入鎖止?fàn)顟B(tài)；S3為主箱從空擋開(kāi)始掛6擋，同時(shí)主副箱互鎖氣缸排氣完成進(jìn)入完全鎖止?fàn)顟B(tài)；S4為主副箱互鎖氣缸開(kāi)始解鎖；S5為主副箱互鎖氣缸解鎖完成；S6為主箱掛到6擋；S1～S4為副箱低擋側(cè)同步器換擋過(guò)程；S3～S4為主副箱互鎖氣缸完全鎖止過(guò)程。

圖5 7→6擋(預(yù)選)換擋性能曲線(xiàn)

由圖5可知，S3～S4過(guò)程副箱同步器換擋未完成，此時(shí)(S3)主箱去掛6擋，主副箱互鎖氣缸處于完全鎖止?fàn)顟B(tài)，最大鎖止力791.8 N(撥頭處)產(chǎn)生于該過(guò)程，阻礙主箱換擋，由此證明主副箱互鎖功能正常。

2.2 取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)功能驗(yàn)證試驗(yàn)

C12變速器模擬停車(chē)取力的工況，取力器開(kāi)關(guān)接通后，取力器掛到擋位后，切換預(yù)選閥來(lái)驗(yàn)證取力器保護(hù)功能是否正常，主箱是否可以換擋，如圖6所示。主箱在空擋，取力器(PTO)通氣工作后，通過(guò)預(yù)選閥切換副箱同步器至高擋過(guò)程中，單H閥換向，高擋側(cè)無(wú)氣壓，副箱氣缸活塞沒(méi)有向高擋側(cè)移動(dòng)，即PTO保護(hù)閥起作用，達(dá)到PTO工作時(shí)副箱同步器不能切換至高擋側(cè)的目的;主箱在空擋，變速器輸出軸轉(zhuǎn)速為0，PTO通氣工作后，主箱從空擋掛4擋，可以?huà)焐蠐酰⑶覚C(jī)械手處最大掛擋力與變速器掛4擋的靜態(tài)換擋力接近，可以證明PTO在工作過(guò)程中，主箱可以正常換擋。

圖6 取力器通氣時(shí)切換副箱及主箱換擋曲線(xiàn)

3 主副箱互鎖及取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題分析

互鎖氣缸互鎖力的大小與互鎖氣缸排氣快慢有關(guān)，排氣越快互鎖力就會(huì)越大，反之互鎖力就越小。通過(guò)對(duì)比圖5和圖7，可以看出圖7的互鎖氣缸氣壓沒(méi)有排完，最小互鎖氣壓為0.195 MPa，而圖7就排為0，故圖7已互鎖力大于圖5的互鎖力。

圖7 6→7擋(預(yù)選)換擋性能曲線(xiàn)

在主副箱同時(shí)換擋的過(guò)程中，如果換擋力夠大，克服了互鎖氣缸的互鎖力，主箱比副箱先換上擋，副箱沒(méi)有換上擋，操縱上的截止閥停止給副箱供氣，同時(shí)排掉副箱中的氣，使副箱同步器停留于中間位置，導(dǎo)致動(dòng)力中斷，如圖8所示。由圖可知，在主箱從7擋摘到空擋，停留時(shí)間0.1 s，就去掛6擋，此刻副箱換擋沒(méi)有完成，鎖擋氣壓壓力沒(méi)有排出，鎖擋力較小，主箱比較容易換上擋，此刻截止閥斷氣，副箱同步器停留在中間位置，一軸的轉(zhuǎn)速就自然降下來(lái)，說(shuō)明副箱沒(méi)有掛到擋位，動(dòng)力中斷。

圖8 副箱換擋過(guò)程中出現(xiàn)動(dòng)力中斷

4 加裝主副箱互鎖及取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)前后對(duì)變速器換擋性能的影響

4.1 對(duì)副箱換擋性能的影響

表1為C12變速器加裝主副箱互鎖及取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)前后對(duì)比。由表可以得到：加裝主副箱互鎖及取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)后副箱同步器的同步時(shí)間和換擋時(shí)間稍有增長(zhǎng)，但對(duì)換擋的性能影響不大。

表1 C12變速器加裝主副箱互鎖及取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)前后對(duì)比

4.2 對(duì)主箱換擋性能的影響

未加裝主副箱互鎖及取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)，如果出現(xiàn)搶擋：

(1)主箱換擋難或者主箱換擋打齒，這種情況在進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)時(shí)常常會(huì)遇到。

(2)出現(xiàn)第3.2節(jié)中描述的副箱換擋未完成，主箱已經(jīng)換擋完成，出現(xiàn)動(dòng)力中斷。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)主副箱互鎖及取力器保護(hù)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證，可以得到如下的結(jié)論：

(1)互鎖閥的排氣必須盡可能地快，盡快建立最大互鎖力；

(2)互鎖力要大一些，防止副箱未換擋完成，主箱就已經(jīng)換上擋。