一种新型的电控离合器执行系统

卢国亮

摘 要：本文主要针对市场上现有的离合器执行机构存在的缺点，发明了一种新型的离合器执行系统，依靠电机来进行控制并提供动力，齿轮减速增扭，丝杠与齿轮固定联接，将齿轮的旋转运动转化为活塞前后移动，从而推动液压式的分离轴承分离或者结合离合器压盘，实现离合器的切换动作。本结构具有体积小，成本低，控制精度高，响应速度快等优点，采用外挂式结构，可以广泛的搭载在各类手动变速器（MT），电控机械式自动变速器（AMT），双离合变速器（DCT）等上。

关键词：电控系统;液压;离合器;执行机构

1 技术背景

随着21世纪我国人民生活水平的不断提高，对汽车的要求也越来越高，从简单的代步工具逐渐转变为追求动力性，舒适性，娱乐性，美观性等一体的综合交通工具。因此车辆的设计也日新月异，不断改进，离合器作为影响整车行驶舒适性的一个重要零件，其操控也逐渐从手动模式过渡为自动模式。

现有的离合器执行机构大多在手动变速器（MT）、电控机械式自动变速器（AMT）、双离合变速器（DCT）等上采用。其主要使用油泵、电磁阀、阀体、油路、油缸、活塞等组成的液压系统，以液压油推动活塞或者分离拨叉，带动分离轴承分离或者结合离合器压盘与从动盘，以实现现离合器的切换动作。其中，手动变速器对驾驶员的技术要求高，要求加速踏板，制动踏板，离合踏板，换档杆相互配合，长时间操作易产生疲劳;双离合变速器及电控机械式自动变速器则存在液压损耗，影响效率，另外还有清洁度要求严苛，制造难度高，外形尺寸大等缺点。针对这些缺点，设计了一种新型的离合器执行机构，其原理如下：

2 系统原理

该系统由动力单元和油路单元组成。以奇数离合器为例，动力单元由电机7，齿轮副4&8，丝杠螺母6&9，活塞10，活塞防转销3等组成;油路单元包括主液压缸2，油管，补油壶11等组成。工作时电机7固联减速主动齿轮8，通过减速从动齿轮4降速增扭，丝杠螺母中螺母9通过螺钉固定在减速从动齿轮4上，即从动齿轮4带动螺母9旋转，与防转销3共同作用驱动丝杠6做直线运动，丝杠6端面与主液压缸活塞10接触，通过电机正反转推动活塞左右轴向运动，提供离合器运动动力。补油壶11确保系统油量始终在正常工作范围内。

3 参数设计

3.1 已知离合器参数

a）离合器分离轴承CSC工作压强：P=37～48bar，計算按48bar进行

b）离合器传递最大扭矩的行程Lmax=11mm（考虑变形、间隙、磨损），计算按11mm计算

c）离合器空行程：Lw=3mm

d）离合器工作行程：按Ls=8mm计算

e）离合器最大压力Fa=4200N

f）离合器分离轴承CSC面积：S=1150 mm^2

3.2 电机选型

为了方便快速做出样机，同时参考需要的功率要求，选用无刷直流电机，具体参数见表1。

3.3 丝杆选型

丝杆一般可以分为梯形丝杠和滚珠丝杠2类，由于梯形丝杠的传动效率低（一般仅为26%-46%），而滚珠丝杠的效率可大于90%，因此优先选择滚珠丝杠。同时考虑丝杠螺母需要固定在齿轮上，所以滚珠丝杠螺母越小，则机构更加紧凑;根据机械设计手册初选如下滚珠丝杠。

从表2中可知，丝杠导程为R1=5mm，丝杠外径为d1=16mm。

故螺旋升角α：

丝杠承受工作时最大径向力Fr：

当量动载荷：

其中：X和Y为径向动载荷系数和轴向动载荷系数，由查表所得。

滚珠丝杠计算的当量动载荷P<基本额定载荷C，所以选择的滚珠丝杠满足设计要求。

3.4 速比计算

由于奇数档离合器最大执行力较大，故以奇数档来进行计算，具体推导如下：

代入离合器、丝杠、活塞等参数计算后i21c=1.582，设计时考虑留有最小1.25倍的安全余量，故速比初选59/29=2.034

3.5 轴承选型

在设计的结构中，减速从动齿轮通过轴承固定在壳体上，齿轮既要承受轴向力，也要承受径向力。已知所受最大轴向力为4200N，最大径向力为417.7N。

因圆锥滚子轴承可以承受较大的轴向力和一定的径向力，所以确定选用圆锥滚子轴承，根据轴的直径及布置需要，从机械设计手册中选择如下轴承，见表3。

根据式（3）计算两个轴承的当量动载荷分别为17058N和21344N，额定载荷大于当量动载荷;而轴承极限转速为15400rpm，大于主动小齿轮的转速3000rpm，故所选的轴承满足设计要求。

4 机构设计

4.1 动力单元总体结构设计

动力单元总体设计如图2所示，电机1带动输入轴旋转，输入轴齿轮带动输出齿轮旋转，输出齿轮减速增扭后，带动固联在输出齿轮上的丝杠螺母旋转，丝杠螺母旋转推动活塞直线运动，挤压液压油从出油口2压出，进入油路系统，以推动离合器进行动作。

4.2 齿轮减速机构设计

齿轮减速机构结构如图3，输入齿轮轴2用滚针轴承1进行支撑，输出齿轮轴两侧采用圆锥滚子轴承5支撑，同时齿轮适当减重挖空。丝杆螺母固定联接在输出齿轮轴上。

4.3 滚珠丝杠与自锁机构设计

由于采用的滚珠丝杠没有自锁功能，离合器需要在任何工作位置自锁，所以在丝杠的后端设计了自锁机构，如图4。当电机停转时，自锁机构1里的主动块会与固定在壳体上的摩擦片产生摩擦进行自锁，防止活塞回退。自锁结构涉及到未公开专利，此处不详细介绍。

当输出齿轮4旋转，自锁机构1不工作，滚珠丝杠2在丝杠螺母3的作用下旋转移动，以推动驱动活塞前后运动。

4.4 驱动活塞机构设计

驱动活塞机构如图5所示，主要由活塞本体1、油封2、耐磨环3、防转销4等组成。通过活塞左右移动，驱动液压油从壳体最左侧的出油口来回移动，使离合器按规定的动作进行工作。

由于系统采用静液驱动形式，活塞1只做往复直线运动，且液压油在运动过程中不允许泄漏，故采用Y型油封。Y型油封具有如下优点：a）密封可靠;b）运动平稳，摩擦阻力小;c）耐压性好;d）安装方便;e）结构简单，价格低廉。初选的油封参数如下：适用压力400bar，适用温度-40～150℃。

活塞1由于运动过程可能存在径向力，产生倾斜运动，因此在活塞的外圈增加了导向耐磨环3，支撑在活塞和壳体缸壁之间。耐磨环具有优异的自润滑特性，较好的导热性和抗压强度，同时抗腐蚀、耐油，可有效防止活塞与壳体缸壁间金属部件的直接接触，对密封圈具有保护作用。

滚珠丝杠在与丝杠螺母的相互转动过程中，会存在一定的自转，而不做直线运动。在此机构中，丝杠与活塞必须保持直线运动。因此本结构中设计了防转销5，用来抑制活塞旋转，保证活塞的直线运动。

4.5 补油壶与管路设计

因系统为静液压工况，在液压执行过程中，即需要考虑油液损耗，同时也要考虑液压油内气体排出，否则气体压缩减少驱动液压体积，影响控制精确性。所以在系统油位的最上方设计了带排气功能的补油壶。油的管路设计主要都在变速器主壳体里，此处不做图展开。

5 总结

本文主要介绍了一种新型电子控制离合器执行系统，其优势在于体积小，成本低，控制精度高，响应速度快，并采用外挂式结构，可以广泛的搭载在各类手动变速器（MT），电控机械式自动变速器（AMT），双离合变速器（DCT）等变速器上。该设计已获得多项专利，拥有完全自主知识产权。

参考文献：

[1]汽车设计 机械工业出版社 王望予、张建文等 2005.

[2]机械设计手册 化学工业出版社 成大先等 2008.