自动变速器带式制动器设计

宋小艳

（沈阳城市建设学院，辽宁 沈阳 110167）

1 自动变速器简介

自动变速器以其操作简单、驾驶舒适等优点，深受广大用户的喜欢。自动变速器的主要结构包括液力变矩器，行星齿轮传动机构，换挡控制系统等。液力变矩器位于发动机与齿轮传动机构之间，起到传递、改变转矩的作用，其结构非常简单，包括涡轮、泵轮、导轮，通过自动变速器油的流动带动与输出轴连接的涡轮旋转，从而传递扭矩，导轮的作用起到改变扭矩的作用。由于液力变矩器只能有限的改变扭矩的大小，所以需要机械传动的方法进步一改变扭矩，从而增大输出速度的变化范围，该作用是由行星齿轮传动机构实现的。

行星齿轮传动机构是指由行星齿轮系构成的齿轮传动机构，其结构如图1所示。

该组行星齿轮排包括太阳轮，行星齿轮和行星架，齿圈。如果固定其中一个结构，第二个结构为主动件，第三个结构为从动件，就会形成一组传动比。根据不同的排列组合，可以形成8种组合形式，具体传动见表1所示。通常由2～3排的行星齿轮传动机构组成一个自动变速器。

图1 行星齿轮传动机构结构示意图

2 换挡执行机构

在行星齿轮机构中，需要有一结构连接行星齿轮排或是连接行星齿轮机构中的不同元件，该结构就是换挡执行机构中的离合器；还需要有一结构固定行星齿轮机构中某一元件的运动，即制动器；换挡执行机构中还有一元件-单向离合器，其作用是使某一元件只能按一定方向旋转，另一方向被锁止。本文主要针对制动器进行设计。

表1 行星齿轮变速表

3 制动器

制动器有两种形式：片式制动器和带式制动器，其中片式制动器与换挡执行元件中的离合器结构相似，本文以带式制动器为例，介绍其设计流程，其结构如图2所示。

图2 制动器结构示意图

3.1 制动器工作原理

制动带开口处的一端通过支柱支承于固定在变速器壳体的调整螺钉上，另一端支承于油缸活塞杆端部；活塞在回位弹簧和油缸左腔油压作用下位于右极限位置，此时，制动带和制动鼓之间存在一定间隙。

制动时，压力油进入油缸右腔，克服左腔油压和回位弹簧的作用力推动活塞左移，制动带以固定支座为支点收紧；在制动力矩的作用下，制动鼓停止旋转，行星齿轮机构某元件被锁止；随着油压撤除，活塞逐渐回位，制动解除。

3.2 制动器结构设计

此次设计的制动器用于制动太阳轮，其制动鼓上的内花键和大太阳轮的外花键结合，通过制动带的的张紧和松开来制动制动鼓，从而制动大太阳轮。

3.2.1 制动器参数

（1）制动鼓半径和制动带包角的确定

依据变速器整体结构尺寸初定制动鼓半径Rm=82mm，制动带包角α=345°。

（2）结构形式的选取

活塞的作用力直接作用在制动带上，制动带的包角分为单圈和双圈两种，本文采用单圈；拉紧方式可分为单端拉紧和双端拉紧两种，此次设计采用单端拉紧。

（3）摩擦衬面材料的选取

选用的材料为粉末冶金材料，其动摩擦系数取μ=0.08，取其许用比压为[p]=3MPa。

3.2.2 制动力、制动力矩的计算

制动器的作用是制动旋转的某个元件，所以制动力很关键，接下来对制动器进行受力分析。如图2，支柱7左端为固定结构，其作用力用F2表示，右端为活塞的作用力，用F1表示。在制动带上取一个微分段，它对应的包角为da。假设带为挠性，即忽略界面上弯矩和剪力的作用，则两端截面上只受拉力F和F+dF。

制动带微分段上的力平衡式为：

式中，dFN-制动带微分段摩擦表面上的正压力；μd-摩擦系数。

解上式可得

令α=0时，F=F1则积分常数C=1nF1

带入上式，得，解得

从上式可以看出制动带任意处的拉力与操纵端的包角α成指数函数关系。当操纵端作用力与制动鼓旋转方向一致时，成为正转，F2=F1eμdα，摩擦力对操纵力起助力作用；当操纵端作用力与制动鼓旋转方向相反时，称为反转，F2=F1e-μdα，摩擦力对操纵力起削减作用。

制动力矩平衡式为M= (F2-F1)R

当制动鼓正转时，将F2=F1eμdα关系代入上式，得M=F1(eμdα-1)R

当制动鼓反转时，则

由此可见，如果制动力矩相同时，制动鼓反转时的操纵力应为正转情况的eμdα倍。因此为了减小制动器油缸的作用力，制动带操纵端的位置应当设计成使作用力与鼓旋转方向相同（即正转情况）。

已知汽车的最大转矩Te max=162N.m，制动鼓半径Rm=82mm，制动带包角α=345°，则可以确定：

即制动器操纵机构所施加的力为3.19KN。

3.3 制动带与制动鼓比压计算

带式制动器摩擦副间的比压q由下式计算：

式中：B-制动器摩擦副宽度，由鼓的结构和布置可以确定B=47.5mm；

R-制动鼓半径，Rm=82mm。

由此式可见，比压的变化规律与拉力相同，且其最大比压在紧端。带式制动器比压分布不均匀，造成磨损不均的缺点，紧端部分磨损快，这就使带式制动器寿命大大低于片式制动器。

4 结论

本文介绍了自动变速器行星齿轮传动机构的变速原理，行星齿轮机构中的控制元件制动器的原理及其结构的整理设计，通过设计计算得出制动力和制动力矩，并得出制动带近端部分磨损快的结论。

参考文献

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