主副箱互锁和取力器保护结构设计与分析

赵康

法士特汽车传动工程研究院实验中心，陕西西安 710077

0 引言

在冷车或者低温的情况下，副箱同步器换挡时间长，司机容易在副箱没有换挡完成的情况下挂主箱，这种操作对于副箱同步器增加了换挡的难度，也加大了副箱同步器的磨损，甚至会出现整车动力中断。变速器安装取力器后，对于变速器副箱同步器又多了一层考验。因此对副箱同步器的保护是必须要做的工作，既要保证主副箱顺利换挡，又要防止在取力器工作时，司机误操作使副箱同步器挂入高挡，损坏副箱同步器。为此，文中设计了主副箱保护结构和取力器(PTO)保护机构，同时进行了大量的试验，能够达到预期的目标。

1 主副箱互锁和取力器保护结构原理

1.1 机械式主副箱互锁结构

在S变速器上采用的是机械式互锁结构，如图1所示。

图1 S变速器的机械式互锁结构

由图1可知，当互锁板处于副箱拨叉轴凸台时，副箱处于空挡位置，此时互锁板被拉紧处于主箱拨叉轴凹槽中，主箱不能换挡；当互锁板处于副箱拨叉轴凸台两侧的凹槽中，副箱处于高挡或者低挡位置，互锁板被弹簧顶回，此时互锁板未处于主箱拨叉轴凹槽中，主箱可以换挡。

通过上面的原理可以知道，S变速器安装取力器后，依然采用以上的机械式互锁，当取力器挂上挡，副箱同步器在中间位置，主箱就无法换挡，这种互锁的结构无法满足取力器的安装，故带后取力器的变速器不能采用这种机械式主副箱互锁机构。

1.2 气动主副箱互锁结构原理

气动主副箱互锁的结构原理如图2所示。

图2 气动主副箱互锁的结构原理

由图可知，互锁气阀的顶杆在副箱拨叉轴的凹槽中，表示副箱在低挡或者高挡位置，气路中有高压气，互锁气缸解锁，主箱可以换挡；当互锁气阀的顶杆从副箱拨叉轴的凹槽里滑出，表示副箱在中间位置，气路中没有高压气体，互锁气缸锁止，主箱不可以换挡。

1.3 取力器保护结构原理

如图3所示，取力器工作前首先保证副箱中间位置气缸在低挡侧，取力器进气开关打开，高压气同时进入取力器气缸和中间位置气缸，取力器气缸使取力器挂到挡位，中间位置气缸保持在中间位置，切断向传动轴输出的动力。此刻中间位置气缸在中间位置，由于主副箱互锁的结构，此刻主箱不能换挡，这不符合取力器的工作要求，故在取力器工作时，主箱必须可以换挡，这就要求将两者结合的时候，主箱互锁气缸解锁，主箱可以换挡。

图3 取力器工作原理

1.4 主副箱互锁和取力器保护气路结构

图4为S12单H气路的主副箱互锁及取力器保护气路结构。

图4 S12单H气路的主副箱互锁及取力器保护气路结构

(1)主副箱换挡互锁功能

以6→7挡为例，储气筒的高压气进入变速器调压阀，一路进入离合器踏板电磁阀，当离合器踏板被踩下，高压气进入互锁阀，此刻副箱在低挡，高压气进入互锁活塞和助力器，互锁气缸解锁，主箱可以换挡。另一路高压气进入截止阀。当手球(预选阀)从低挡挂到高挡，主箱从6挡摘到空挡，截止阀中的高压气进入单H阀，再进入高挡截止阀及副箱同步器高挡侧，副箱开始换挡，当副箱拨叉轴在中间位置时，互锁阀的顶杆被顶起，互锁阀中的高压气截止，助力器和锁挡活塞断气，主箱换挡被锁死，主箱不能换挡。直到副箱换挡完成，互锁阀顶杆进入凹槽中，互锁阀顶杆回弹，高压气就可以进入助力器和锁定气缸，主箱换挡解锁，主箱可以换挡。主箱由空挡挂入7挡，换挡完成。7→6挡的过程，与上面6→7挡相类似，不同之处是副箱低挡进气并未进入高挡截止阀，直接进入副箱低挡侧。

(2)取力器保护工作原理

当取力器工作时，副箱同步器首先要在低挡位置，高压气由储气筒进入停车取力开关，停车取力开关打开，高压气进入高挡截止阀、中间位置气缸和互锁阀，高挡截止阀的气进入取力器气缸，取力器挂上挡，同时高挡截止阀关闭给副箱高挡的进气，中间位置气缸到中间位置，切断给传动轴的输出动力，互锁阀中的高压气可以进入锁止气缸和助力器，锁止气缸解锁，主箱此时可以正常换挡。如果发生司机误操作，在手球处挂入高挡，截止阀的高压气进入高挡截止阀，高挡截止阀阻止了高压气进入副箱高挡，从而保护了副箱同步器。

2 主副箱互锁及取力器保护结构的试验验证

2.1 主副箱互锁功能验证

对C12变速器7→6挡(预选)性能进行试验，空挡点停留0.2 s，设置机械手处的换挡力170 N，换挡速度300 mm/s，其性能曲线如图5所示。图中，S0为主箱从7挡开始摘挡；S1为副箱气缸低挡侧开始进气；S2为主副箱互锁气缸开始排气，并准备进入锁止状态；S3为主箱从空挡开始挂6挡，同时主副箱互锁气缸排气完成进入完全锁止状态；S4为主副箱互锁气缸开始解锁；S5为主副箱互锁气缸解锁完成；S6为主箱挂到6挡；S1～S4为副箱低挡侧同步器换挡过程；S3～S4为主副箱互锁气缸完全锁止过程。

图5 7→6挡(预选)换挡性能曲线

由图5可知，S3～S4过程副箱同步器换挡未完成，此时(S3)主箱去挂6挡，主副箱互锁气缸处于完全锁止状态，最大锁止力791.8 N(拨头处)产生于该过程，阻碍主箱换挡，由此证明主副箱互锁功能正常。

2.2 取力器保护结构功能验证试验

C12变速器模拟停车取力的工况，取力器开关接通后，取力器挂到挡位后，切换预选阀来验证取力器保护功能是否正常，主箱是否可以换挡，如图6所示。主箱在空挡，取力器(PTO)通气工作后，通过预选阀切换副箱同步器至高挡过程中，单H阀换向，高挡侧无气压，副箱气缸活塞没有向高挡侧移动，即PTO保护阀起作用，达到PTO工作时副箱同步器不能切换至高挡侧的目的;主箱在空挡，变速器输出轴转速为0，PTO通气工作后，主箱从空挡挂4挡，可以挂上挡，并且机械手处最大挂挡力与变速器挂4挡的静态换挡力接近，可以证明PTO在工作过程中，主箱可以正常换挡。

图6 取力器通气时切换副箱及主箱换挡曲线

3 主副箱互锁及取力器保护结构的问题分析

互锁气缸互锁力的大小与互锁气缸排气快慢有关，排气越快互锁力就会越大，反之互锁力就越小。通过对比图5和图7，可以看出图7的互锁气缸气压没有排完，最小互锁气压为0.195 MPa，而图7就排为0，故图7已互锁力大于图5的互锁力。

图7 6→7挡(预选)换挡性能曲线

在主副箱同时换挡的过程中，如果换挡力够大，克服了互锁气缸的互锁力，主箱比副箱先换上挡，副箱没有换上挡，操纵上的截止阀停止给副箱供气，同时排掉副箱中的气，使副箱同步器停留于中间位置，导致动力中断，如图8所示。由图可知，在主箱从7挡摘到空挡，停留时间0.1 s，就去挂6挡，此刻副箱换挡没有完成，锁挡气压压力没有排出，锁挡力较小，主箱比较容易换上挡，此刻截止阀断气，副箱同步器停留在中间位置，一轴的转速就自然降下来，说明副箱没有挂到挡位，动力中断。

图8 副箱换挡过程中出现动力中断

4 加装主副箱互锁及取力器保护结构前后对变速器换挡性能的影响

4.1 对副箱换挡性能的影响

表1为C12变速器加装主副箱互锁及取力器保护结构前后对比。由表可以得到：加装主副箱互锁及取力器保护结构后副箱同步器的同步时间和换挡时间稍有增长，但对换挡的性能影响不大。

表1 C12变速器加装主副箱互锁及取力器保护结构前后对比

4.2 对主箱换挡性能的影响

未加装主副箱互锁及取力器保护结构，如果出现抢挡：

(1)主箱换挡难或者主箱换挡打齿，这种情况在进行低温性能试验时常常会遇到。

(2)出现第3.2节中描述的副箱换挡未完成，主箱已经换挡完成，出现动力中断。

5 结论

通过对主副箱互锁及取力器保护结构的验证，可以得到如下的结论：

(1)互锁阀的排气必须尽可能地快，尽快建立最大互锁力；

(2)互锁力要大一些，防止副箱未换挡完成，主箱就已经换上挡。