关于CVT中离合器弹簧系统的设计

文敏 刘立娟 梁甲 袁明佳 韦铈潍

摘要：在CVT的研究中，很多研究人员认为使用液力变矩器作为起步装置的CVT，对离合器控制策略和硬件要求不高，但是在实际的应用过程中，在某些特殊工况下，CVT的离合器也会承担某种程度的起步功能。比如驾驶员换挡后以及踩下油门踏板进行急加速的状态，这时如果控制策略不完善以及硬件的不稳定性，可能引起离合器摩擦片的滑摩不充分，导致车辆起步时的冲击感，可能会造成CVT的严重破坏。本文主要从硬件的弹簧系统的设计入手，提供避免出现该问题产生的设计算法。

关键词：CVT;离合器;冲击;弹簧系统

1 引言

带式结构CVT（以下简称CVT）作为自动变速器中的一种形式，在国内的车型中得到越来越广泛的应用。CVT采用摩擦力来传递动力，其工作原理即导致该系统的承载安全系数不高，对冲击载荷明感，为避免在冲击载荷对CVT中钢带的破坏，需对系统中各个环节都进行相关的设计控制，比如液力变矩器的离合及减震系统，离合器系统的动态响应控制，液压系统的压力抖动及响应控制等。本文只针对离合器中的弹簧系统设计改进，来避免因为该设计的不合理性，造成对CVT产生起步冲击以及其他造成CVT钢带打滑破坏。

2 离合器系统结构

如图l所示，CVT中一种离合器系统结构包含离合器毂、活塞、复位弹簧、复位弹簧压板、摩擦片等主要零件。

离合器系统在充油阶段，电磁阀控制的目标压力保持不变，直至离合器的半离合点，即离合器油缸充满且缓冲弹簧行程被完全压缩。半离合点的控制是整个过程中难度最大的点，离合器接合过程中的第一次冲击也来源于此。针对在半离合点的结合压力的设定，弹簧系统起到关键作用。

3 前进挡离合器的工作说明

离合器有两个工作状态：结合、分离。

A、结合过程：变速器进入D挡模式，液压油通过前进挡离合器 进入到前进挡活塞腔内，如图2红色箭头，推动前进挡活塞克服弹簧力和其他摩擦力移动，并挤压前进挡离合器系统，让摩擦片接触并完成结合。

冲压过程如图3所示，分为三个过程：充油（tl）、滑摩（t2）、结合（t3）。

B、分离过程：变速器从D挡模式进入N挡或R挡，液压油从活塞腔内排出，如图2绿色箭头，活塞被弹簧推动复位，完成分离过程。

4 弹簧的设计

tl与t2时刻的过渡点A是充油结束的时刻，对这一过渡点的精确控制非常重要，否则会出现“充油过度”或者“充油不足”。

“充油过度”，即在A点，离合器阀的目标压力继续保持Pfill不变，而活塞到达其最大行程以后，进入油缸的流量会将离合器油缸内的压力快速提升至离合器阀的目标压力，即作用在摩擦片上的压力瞬时提高，引起换挡冲击。

“充油不足”，即充油尚未完成，控制系统已经将离合器阀的目标压力从Pfill，拉低至Psijp，0，导致充油速度下降，充油过程被拉长。如果在离合器油缸充满的时刻，离合器阀的目标压力已经沿着直线Pslip，O-Pslip，1将目标压力提升到较高的水平，那么作用在摩擦片上的压力也会在这一时刻迅速提升，导致换挡冲击。

4.1 结合阶段

当液压油进入前进挡离合器油腔，其建立的油压力将克服弹簧力推动活塞沿轴向移动，当前进挡离合器系统的间隙被消除，摩擦片与钢片完全解除的工作点被称为Kisspoint点。在该点位置，离合器系统虽完全接触但不具备额外的油压力进行动力的传递，此时弹簧的主要作用为：

a、避免油压建立初期产生的不稳定油压的冲击力传递到离合器系统，从而产生换挡冲击;

b、避免“充油不足”和“充油过度”的问题，采用弹簧系统来保证进入Kisspoint点的一致性;

c、在退回N挡或者P挡后，通过弹簧力来快速泄空离合器腔体内的油压，见图4。

结合上述弹簧的具体作用，通过以下计算来确定弹簧力的需求。

根据油压特性，得：Pkiss=1 - 1.5bar （Pkiss：在Kisspoint点的离合器油压）。故：

F2= Pkiss*Ad+ F

式中：F0-前进挡弹簧在Kisspoint点的力值;Ad-油缸工作面积;Fd-离合器油缸内的动压，见图5。

根据离合器传递动力的需求、离合器油压控制阀的性能及摩擦片的摩擦系数特性等来设定油缸的工作面积，在本文中不进行具体说明，根据已有实例：

Ad= （D^2 - d^2）*π/4

式中：D前进挡离合器活塞大径;d前进挡离合器活塞小径。

4.2分离阶段

当前进挡离合器进入分离阶段，弹簧力推动活塞克服活塞阻力，快速完成分离动作，避免出现双离合器结合的现象，在该阶段，弹簧的作用为：克服活塞阻力，推动活塞轴向移动复位。

让液压油排卸，保证离合器快速分离;液压油的排卸能力，可按照下式进行推导：

4.3开槽碟簧计算

目前前进挡离合器中常用的弹簧形式有：碟簧/开槽碟簧、圆柱弹簧组、波形弹簧。本文简述开槽碟簧的设计。开槽碟形弹簧是在普通碟形弹簧上开出由内向外的径向沟槽制作而成。该结构弹簧通常用于轴向尺寸受到限制而允许外径较大的场合。

结合之前锁定的弹簧需求载荷值，按照如下计算公式可进行碟簧的计算。

根据以上计算过程确定相应参数，可对离合器中的弹簧系统详细设计及改进，来避免设计的不合理性，使得离合器系统在起步及传动中平稳工作。

5 总结

在现代的CVT中，越来越多的通过增加转速传感器测量转速差来优化控制策略，以弥补硬件系统的不稳定性。而本文通过优化对离合器系统的弹簧结构设计，对弹簧系统进行最佳力值设计，在硬件方面有效避免在某些特定工况下出现换挡冲击、离合器摩擦片异常磨损或者金属带的损伤。

参考文献：

[1]秦代成，李慧谨波形弹簧的力学性能分析.制造业自动化.2014.

作者简介——

文敏：（1981-），男，湖南株洲人，本科，工程師，现任职于柳州上汽汽车变速器有限公司柳东分公司，主要从事变速器方面的工作。