Internal Combustion Engine &Parts
1课题简介
汽车换挡技巧变速器是汽车传动系统中最主要的结构之一，其作用是可以在较大范围内改变汽车行驶速度和驱动轮上扭矩的大小，可实现倒车行驶和空挡。自动变速器根据油门踏板程度和车速变化，自动地进行变速，所以驾驶者只需操纵加速踏板就可以控制车速。液力自动变速器由液力变矩器和换挡执行机构组成。液力变矩器
安装在发动机和变速器之间，以液压油为工作介质，起传递转矩，变矩，变速及离合的作用，可在一定范围内自动无级地改变转矩比和传动比。行星齿轮系统主要由行星齿轮机构和换挡执行机构组成，通过改变动力传递路线得到不同的传动比。两者组合使用更广泛地扩大了传动比的变化范围。自动变速器由于档位少变化大，连接平稳，操作简单，颇受广大用户的喜欢。
本文以拉维娜式四挡自动变速器为例，设计的换挡执行机构包括前进离合器C 1，直接档、倒档离合器C 2，直接档、超速档离合器C 3，2档、4档制动器B 1，低档、倒挡制动器B 2，低档单向离合器F 1。
2换挡执行机构组成及作用
换挡执行机构是自动变速器重要的结构之一，其作用是用来改变行星齿轮机构中某个主动元件或限制结构中某个元件的运动，目的是改变传动比和动力的传递方向。换挡执行机构由多个离合器、制动器和单向离合器组成。离合器起到传递动力的作用，把输入轴与行星齿轮机构中的某个元件连接起来，或者将前排行星齿轮机构中的某个元件与后排机构中的某个元件连接起来，传递转矩给汽车驱动桥。制动器的作用是控制行星齿轮机构中的某一个元件，使之与自动变速器壳体连接，从而控制该元件固定不动。单向离合器也称单向超越离合器，通过单向锁止的原理固定或连接某个元件，将行星齿轮机构中某两个元件连接在一起，使之以相同的转速延着顺时针或逆时针方向转动，形成直接传动。
3换挡执行机构设计
本文设计的换挡执行机构结构比较简洁，仅用三个离合器（C 1，C 2，C 3），两个制动器（B 1，B 2），一个单向离合器（F 1），该变速器可实现了四挡变速，具体结构如图1所示。
3.1换挡传动路线
①一挡：离合器C 1接合，单向离合器F 工作，所以行星架只能延顺时针方向转动，行星架被制动，小太阳轮与输入轴相连接。此时传动路线为：泵轮→导轮→涡轮→离合器C 1→小太阳轮→短行星轮→长行星轮，最后通过齿圈输出。
②二挡：离合器C 1接合，制动器B 2制动大太阳轮。动力传递路线：大太阳轮不动，泵轮→导轮→涡轮→涡轮轴→离合器C 1→小太阳轮→短行星轮→长行星轮，最后通过齿圈输出。
③三挡（直接挡）：锁止合器C 0接合，液力变矩器锁死，离合器C 1，C 2，C 3接合，行星齿轮传动机构被锁止，所以整个行星齿轮机构成为一个整体转动。动力传递路线为：泵轮→锁止离合器→整个行星齿轮副，最后输出动力。
④四挡（超速挡）：锁止合器C 0锁止，离合器C 3接合，制动器B 2制动大太阳轮。动力传递路线为：泵轮→锁止离合器C 0→离合器C 3→行星架→长行星轮，最后通过齿圈输出动力。
⑤倒挡：倒挡离合器C 2接合，大太阳轮转动。制动器B 1工作，使行星架被制动。此时动力传递路线为：
泵轮→导轮→涡轮→涡轮轴→离合器C 2→大太阳轮→长行星轮，最后反向驱动齿圈传递动力。
⑥空挡：各离合器和制动器都在闲置状态，此时行星齿轮机构各部分可以自由运动，则行星齿轮机构不传递动力，变速器处于空（N ）挡位置。
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—作者简介：宋小艳（1982-），女，河北迁安人，硕士研究生，研究方
向为汽车运用技术。
汽车AMT 换挡执行机构设计
宋小艳
（沈阳城市建设学院，沈阳110167）
摘要：本文以拉维娜式四挡变速器为例，完成了汽车自动变速器的换挡执行机构的设计，对机构具体的传动路线进行了分析并
制定了传动方案，最终完成换挡执行机构的具体结构参数的设计。
Abstract:This artical takes the Ravigneaux four speed automatic transmission as an example,completes the design of the shift actuator of the automatic transmission,including the transmission line and the design of the transmission scheme,and finishes the structural design of the whole shift actuator transmission part at last.
关键词：换挡执行机构；离合器；制动器；单向离合器Key words:shift actuator ；
clutch ；brake ；one-way clutch
图1变速机构简图
下面将各结构在工作中的结合情况汇总到表1。
3.2离合器C 1设计
离合器C 1的组要作用是连接中间轴与前行星排齿圈，它通过渐开线花键与输入轴相连，通过摩擦片与联接鼓相连，联接鼓又通过花键与小太阳轮相连。包括离合器鼓5、摩擦片10、钢片9、回位弹簧（螺旋弹簧）6、活塞3、卡环1、弹簧座2、O 型圈、碟形弹簧7、压盘10等，具体结构如图2所示。
3.2.1摩擦片尺寸及花键设计
在离合器中，摩擦片与钢片相互接触挤压排列，在工作时，它们相互挤压，形成摩擦力，从而实现预定功能，摩
擦片和钢片的不同在于其外接触表面涂有一层铜基粉末
冶金材料。摩擦片外径D （mm ）尺寸根据发动机最大转矩T e max （N ·m ）计算得出，计算公式D=100T emax A
√
，其中A —参考系数，取47。本文发动机最大转矩取T emax =172N ·m ，计
算得到D=191.3mm 。根据摩擦片标准系列尺寸，取外径
D 1=200m ，内径d 1=140mm ，则内花键大径亦取D gi =140mm ，厚度b=3.5mm ，c=0.700。依据GB/T3478.1-2008取模数m=2.5，则由D gi =m （Z+1.5），得齿数Z=54.5，取Z=50。分度圆直径D=mZ=2.5×50=125mm ，内花键小径D ii =D gi -1.25mm=136.875mm ，取D ii =136mm ，齿厚S=0.5πm=3.925mm ，摩擦片厚h=3.5mm 。花键选用30°平齿根的圆柱直齿渐开线
花键。
花键连接的强度校核计算：由于是动连接，故用下述方法进行校核：P=2T×103ϕZhld m ⩽[P]
式中：T —传递转矩，T=172N ·m ；φ—齿间载荷不均匀系数，φ=0.7~0.8，取φ=0.7；Z —花键齿数，Z=50；l —齿的工作长度，取l=2.5mm ；h —齿的工作高度，取h=m=2.5mm （压力角为30°时）；d m —平均直径，对渐开线花键来说为分度圆直径，取d m =125。
经计算得P=12.58，依据花键连接的许用压强P∈10~20MPa ，摩擦片内花键在使用和制造情况处于良好状态，所以满足强度要求，具体标准见表2所示。
3.2.2钢片尺寸及花键设计
钢片厚取3.5mm ，其内径为D 1=136mm ，外径D 2=200mm ，钢片外花键同样选30°平齿根圆柱直齿渐开线花键。外花键小径D ie =200mm ，依据GB/T3478.1-2008取模数m=5，由D=m （Z-1.5）得，Z=41.5，取Z=35，分度圆直径D=mZ=5×35=175mm ，齿厚S=0.5πm=7.85mm 。
花键连接的强度校核与摩擦片内花键强度校核方法一致，计算得出P=10.42，能够满足要求，具体标准见表1所示。
3.2.3回位弹簧设计回位弹簧的形式采用周布弹簧，参考实验室变速器的离合器，
初定为23个。由GB/T2089-2009查得：弹簧钢丝直径取1.2mm ，弹簧中径为8mm ，弹簧有效圈数为10.5
圈，自由高度为35mm ，材料为78MnA 。3.3离合器C 2、C 3设计离合器C 2把大太阳轮与输入轴连接起来，它一方面通过摩擦片的内花键与离合器C 1的外花键相连，离合器
C 1又与输入轴相连，
从而其本身就与输入轴相连起来，另一方面，
它通过离合器鼓齿与带式制动器B 2相连，带式制动器B 2又与大太阳轮相连，从而实现了输入轴与大太阳轮的连接。
离合器C 3用来连接输入轴与行星架，C 3通过花键与输入轴相连接，通过摩擦片的内花键与联接连鼓相连接，而联接鼓通过花键与行星架相连接，这样就实现了输入
轴、C 3、行星架之间的连接。
离合器C 2、C 3所选用的摩擦片与离合器C 1的相同，具
表1各挡位下执行元件的结合情况
杆位挡位离合器制动器单向离合器
C 1C 2
C 3
B 1B 2
F
P 停车挡○N 空挡○D 1234●●●
●●●
●●
●
R
倒挡
●
●
注：●表示结合传力，○表示结合但不传力.
图2离合器零件分解图
表2花键连接的许用挤压应力σ和许用压强P
MPa
连接工作方式
许用值
使用和制造
情况
齿面未经热
处理齿面经热处理
静连接
许用挤压应力
σ
不良中等良好
35~5060~10080~12040~70100~140120~200动连接（无载
荷作用下
移动）许用压强P 不良中等良好
15~2020~3025~4020~3530~6040~70动连接（有载
荷作用下
移动）许用压强P 不良中等良好
---3~105~1510~20
Internal Combustion Engine &Parts
体设计过程见离合器C 1的设计步骤，回位弹簧也是用螺旋弹簧。
3.4制动器B 1设计
本设计采用片式制动器。片式制动器B 1用来制动行星架，B 1通过钢片的外花键和自动变速器壳体相连接，通过摩擦片的内花键与行星架相连接，制动器通过对摩擦元件的制动实现对行星架的制动。制动器B 1利用行星机构旋转所产生的离心力将制动液甩出油腔。B 1的主要零部件有制动器鼓、制动器压盘、摩擦元件、活塞等。关于摩擦元件的选取参照离合器C 1的设计过程，这里只对摩擦元件的基本尺寸进行计算。
3.4.1转矩容量的计算转矩容量计算方法：
T B2=βT emax =pμd RnK=πμd n 12
q 0D 3
2（1-C 3）ϕK
式中：T B2-转矩，T B2=172N ·m ；β-后备系数，取β=1.2；T emax -额定转矩，T emax =146N ·m ；P-压紧力，P=2.8kN ；μd -摩擦衬面动摩擦系数，μd =0.09；n-摩擦表面个数，n=2×Z f =10，其中Z f 为摩擦片片数；q 0-摩擦片比压；摩擦片的许用比压[q 0]=0.5MPa ；ϕ-净面积和摩擦衬面面积之比，除去摩擦片表面的油槽部分，计算得ϕ=0.21；K-压紧力损失系数，取K=0.95。D 2-摩擦片外径，依据结构尺寸初选取D 2=156mm ；D 1-摩擦片内径，初选D 1=184mm ；C-摩擦片内外径之比，C=D 1D 2
=0.84。3.4.2摩擦片尺寸及花键设计
花键选用30°平齿根的圆柱直齿渐开线花键，根据变速器径向尺寸，初定摩擦片外径D 1=178mm ，内径d 1=150mm ，则内花键大径亦取D gi =150mm 。
依据GB/T3478.1-2008取模数m=4，则由D gi =m （Z+1.5），得齿数Z=36。分度圆直径D=mZ=4×36=144mm ，内花键小径D ii =D gi -1.25mm=145mm ，齿厚S=0.5πm=6.28mm ，摩擦片厚h=4mm 。
3.4.3行星架外花键的设计
其外花键小径是根据行星架轮廓尺寸确定的D gi =150mm ，依据GB/T3478.1-2008取模数m=4，则由D gi =m （Z-1.5），得齿数Z=39，分度圆直径D=mZ=4×39=156mm ，大径D ee =160mm
花键连接的强度校核计算：由于是动连接，故用下述
方法进行校核：P=2T×103
ϕZhld m
⩽[P]
式中：T —传递转矩，T=172N ·m ；φ—齿间载荷不均匀系数，φ=0.7~0.8，取φ=0.7；Z —花键齿数，Z=39；l —齿的工作长度，取l=2.5mm ；h —齿的工作高度，取h=m=4mm （压力角为30°时）；d m —平均直径，对渐开线花键来说为分度圆直径，取d m =156。
经计算得P=7.87，依据花键连接的许用压强P∈5~15MPa ，摩擦片内花键在使用和制造情况处于中等状态，基本满足强度要求，具体标准见表1所示。
3.4.4钢片尺寸及花键设计
钢片厚取，其内径为D 1=136mm ，外径D 2=151mm ，钢片外花键同样选30°直齿圆柱渐开线花键。外花键小径D ie =151mm ，依据GB/T3478.1-2008取模数m=4，由D=m （Z-1.5），得Z=39.25，取Z=36，分度圆直径D=mZ=4×36=144mm ，齿厚S=0.5πm=6.28mm 。
3.5制动器B 2设计
制动器B 2是用来制动大太阳轮的，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。其设计方法与制动器B 1相同。
3.6单向离合器F 设计
单向离合器F 是用来制动行星架，防止其逆向转动的。其外圈和行星架做成一体，内圈空套在制动器B 2活塞上，当行星架相对制动器B 2活塞逆向转动时，楔块被卡死，这就阻止了行星架的逆向转动。
本设计采用楔块式自由轮机构，其由内圈、外圈、保持架等组成。
①楔块式与滚柱式自由轮相比具有以下特点：优点：允许较高的自由轮转速，具有较低的阻力；在相同的尺寸条件下，具有更大的转矩容量；由于压力角变化，在结合过程中较平顺，对内外圈滚道之间的歪斜不太敏感。
缺点：无法实现发动机制动。另外，由于档位转换需要，所以结合元件数量增多，结构复杂，重量增加，所以传力不能太大，重型车辆不宜采用。楔块要特殊加工制造，初期成本较高；楔块滚道加工要求高，径向偏心率公差要求高。
②失效形式：过载失效：自由轮传递转矩靠楔紧支撑力产生摩擦力来传动。因此在接触点上产生很大接触应力，同时对内外圈产生很大的环向应力。
磨损失效：滚子、楔块和滚道的磨损都会使其失效。楔块和滚子保持正常接合位置，压紧弹簧疲劳破坏。4结论
本设计确定了拉威挪式行星齿轮变速机构的具体结构形式，通过对传动路线的分析与设计确定了该机构的具体传动方案，又通过对摩擦结合元件的选取及参数确定，传动机构的传动各齿轮参数的确定，最终完成了拉威挪式四挡行星齿轮变速机构的设计。本设计采用用了3个离合器和2个制动器就能实现4挡控制，此外，在变速机构的设计中，两行星排公用齿圈、长行星轮和大太阳轮，又使得结构更为紧凑，能够更加广泛地适用于发动机前置前驱的轿车上。
参考文献:
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路与汽运，2017，1.[2]刘欣，周厚金，赵甜甜，尚玄清.一种新型的商用车离合器
执行机构系统设计[J].电子设计工程，2014，12.[3]张琳，许晓通.两挡AMT 换挡执行机构设计及仿真[J].机械设计与制造工程，2017，6.