主副箱互鎖和取力器保護結構設計與分析

趙康

法士特汽車傳動工程研究院實驗中心，陜西西安 710077

0 引言

在冷車或者低溫的情況下，副箱同步器換擋時間長，司機容易在副箱沒有換擋完成的情況下掛主箱，這種操作對于副箱同步器增加了換擋的難度，也加大了副箱同步器的磨損，甚至會出現整車動力中斷。變速器安裝取力器后，對于變速器副箱同步器又多了一層考驗。因此對副箱同步器的保護是必須要做的工作，既要保證主副箱順利換擋，又要防止在取力器工作時，司機誤操作使副箱同步器掛入高擋，損壞副箱同步器。為此，文中設計了主副箱保護結構和取力器(PTO)保護機構，同時進行了大量的試驗，能夠達到預期的目標。

1 主副箱互鎖和取力器保護結構原理

1.1 機械式主副箱互鎖結構

在S變速器上采用的是機械式互鎖結構，如圖1所示。

圖1 S變速器的機械式互鎖結構

由圖1可知，當互鎖板處于副箱撥叉軸凸臺時，副箱處于空擋位置，此時互鎖板被拉緊處于主箱撥叉軸凹槽中，主箱不能換擋；當互鎖板處于副箱撥叉軸凸臺兩側的凹槽中，副箱處于高擋或者低擋位置，互鎖板被彈簧頂回，此時互鎖板未處于主箱撥叉軸凹槽中，主箱可以換擋。

通過上面的原理可以知道，S變速器安裝取力器后，依然采用以上的機械式互鎖，當取力器掛上擋，副箱同步器在中間位置，主箱就無法換擋，這種互鎖的結構無法滿足取力器的安裝，故帶后取力器的變速器不能采用這種機械式主副箱互鎖機構。

1.2 氣動主副箱互鎖結構原理

氣動主副箱互鎖的結構原理如圖2所示。

圖2 氣動主副箱互鎖的結構原理

由圖可知，互鎖氣閥的頂桿在副箱撥叉軸的凹槽中，表示副箱在低擋或者高擋位置，氣路中有高壓氣，互鎖氣缸解鎖，主箱可以換擋；當互鎖氣閥的頂桿從副箱撥叉軸的凹槽里滑出，表示副箱在中間位置，氣路中沒有高壓氣體，互鎖氣缸鎖止，主箱不可以換擋。

1.3 取力器保護結構原理

如圖3所示，取力器工作前首先保證副箱中間位置氣缸在低擋側，取力器進氣開關打開，高壓氣同時進入取力器氣缸和中間位置氣缸，取力器氣缸使取力器掛到擋位，中間位置氣缸保持在中間位置，切斷向傳動軸輸出的動力。此刻中間位置氣缸在中間位置，由于主副箱互鎖的結構，此刻主箱不能換擋，這不符合取力器的工作要求，故在取力器工作時，主箱必須可以換擋，這就要求將兩者結合的時候，主箱互鎖氣缸解鎖，主箱可以換擋。

圖3 取力器工作原理

1.4 主副箱互鎖和取力器保護氣路結構

圖4為S12單H氣路的主副箱互鎖及取力器保護氣路結構。

圖4 S12單H氣路的主副箱互鎖及取力器保護氣路結構

(1)主副箱換擋互鎖功能

以6→7擋為例，儲氣筒的高壓氣進入變速器調壓閥，一路進入離合器踏板電磁閥，當離合器踏板被踩下，高壓氣進入互鎖閥，此刻副箱在低擋，高壓氣進入互鎖活塞和助力器，互鎖氣缸解鎖，主箱可以換擋。另一路高壓氣進入截止閥。當手球(預選閥)從低擋掛到高擋，主箱從6擋摘到空擋，截止閥中的高壓氣進入單H閥，再進入高擋截止閥及副箱同步器高擋側，副箱開始換擋，當副箱撥叉軸在中間位置時，互鎖閥的頂桿被頂起，互鎖閥中的高壓氣截止，助力器和鎖擋活塞斷氣，主箱換擋被鎖死，主箱不能換擋。直到副箱換擋完成，互鎖閥頂桿進入凹槽中，互鎖閥頂桿回彈，高壓氣就可以進入助力器和鎖定氣缸，主箱換擋解鎖，主箱可以換擋。主箱由空擋掛入7擋，換擋完成。7→6擋的過程，與上面6→7擋相類似，不同之處是副箱低擋進氣并未進入高擋截止閥，直接進入副箱低擋側。

(2)取力器保護工作原理

當取力器工作時，副箱同步器首先要在低擋位置，高壓氣由儲氣筒進入停車取力開關，停車取力開關打開，高壓氣進入高擋截止閥、中間位置氣缸和互鎖閥，高擋截止閥的氣進入取力器氣缸，取力器掛上擋，同時高擋截止閥關閉給副箱高擋的進氣，中間位置氣缸到中間位置，切斷給傳動軸的輸出動力，互鎖閥中的高壓氣可以進入鎖止氣缸和助力器，鎖止氣缸解鎖，主箱此時可以正常換擋。如果發生司機誤操作，在手球處掛入高擋，截止閥的高壓氣進入高擋截止閥，高擋截止閥阻止了高壓氣進入副箱高擋，從而保護了副箱同步器。

2 主副箱互鎖及取力器保護結構的試驗驗證

2.1 主副箱互鎖功能驗證

對C12變速器7→6擋(預選)性能進行試驗，空擋點停留0.2 s，設置機械手處的換擋力170 N，換擋速度300 mm/s，其性能曲線如圖5所示。圖中，S0為主箱從7擋開始摘擋；S1為副箱氣缸低擋側開始進氣；S2為主副箱互鎖氣缸開始排氣，并準備進入鎖止狀態；S3為主箱從空擋開始掛6擋，同時主副箱互鎖氣缸排氣完成進入完全鎖止狀態；S4為主副箱互鎖氣缸開始解鎖；S5為主副箱互鎖氣缸解鎖完成；S6為主箱掛到6擋；S1～S4為副箱低擋側同步器換擋過程；S3～S4為主副箱互鎖氣缸完全鎖止過程。

圖5 7→6擋(預選)換擋性能曲線

由圖5可知，S3～S4過程副箱同步器換擋未完成，此時(S3)主箱去掛6擋，主副箱互鎖氣缸處于完全鎖止狀態，最大鎖止力791.8 N(撥頭處)產生于該過程，阻礙主箱換擋，由此證明主副箱互鎖功能正常。

2.2 取力器保護結構功能驗證試驗

C12變速器模擬停車取力的工況，取力器開關接通后，取力器掛到擋位后，切換預選閥來驗證取力器保護功能是否正常，主箱是否可以換擋，如圖6所示。主箱在空擋，取力器(PTO)通氣工作后，通過預選閥切換副箱同步器至高擋過程中，單H閥換向，高擋側無氣壓，副箱氣缸活塞沒有向高擋側移動，即PTO保護閥起作用，達到PTO工作時副箱同步器不能切換至高擋側的目的;主箱在空擋，變速器輸出軸轉速為0，PTO通氣工作后，主箱從空擋掛4擋，可以掛上擋，并且機械手處最大掛擋力與變速器掛4擋的靜態換擋力接近，可以證明PTO在工作過程中，主箱可以正常換擋。

圖6 取力器通氣時切換副箱及主箱換擋曲線

3 主副箱互鎖及取力器保護結構的問題分析

互鎖氣缸互鎖力的大小與互鎖氣缸排氣快慢有關，排氣越快互鎖力就會越大，反之互鎖力就越小。通過對比圖5和圖7，可以看出圖7的互鎖氣缸氣壓沒有排完，最小互鎖氣壓為0.195 MPa，而圖7就排為0，故圖7已互鎖力大于圖5的互鎖力。

圖7 6→7擋(預選)換擋性能曲線

在主副箱同時換擋的過程中，如果換擋力夠大，克服了互鎖氣缸的互鎖力，主箱比副箱先換上擋，副箱沒有換上擋，操縱上的截止閥停止給副箱供氣，同時排掉副箱中的氣，使副箱同步器停留于中間位置，導致動力中斷，如圖8所示。由圖可知，在主箱從7擋摘到空擋，停留時間0.1 s，就去掛6擋，此刻副箱換擋沒有完成，鎖擋氣壓壓力沒有排出，鎖擋力較小，主箱比較容易換上擋，此刻截止閥斷氣，副箱同步器停留在中間位置，一軸的轉速就自然降下來，說明副箱沒有掛到擋位，動力中斷。

圖8 副箱換擋過程中出現動力中斷

4 加裝主副箱互鎖及取力器保護結構前后對變速器換擋性能的影響

4.1 對副箱換擋性能的影響

表1為C12變速器加裝主副箱互鎖及取力器保護結構前后對比。由表可以得到：加裝主副箱互鎖及取力器保護結構后副箱同步器的同步時間和換擋時間稍有增長，但對換擋的性能影響不大。

表1 C12變速器加裝主副箱互鎖及取力器保護結構前后對比

4.2 對主箱換擋性能的影響

未加裝主副箱互鎖及取力器保護結構，如果出現搶擋：

(1)主箱換擋難或者主箱換擋打齒，這種情況在進行低溫性能試驗時常常會遇到。

(2)出現第3.2節中描述的副箱換擋未完成，主箱已經換擋完成，出現動力中斷。

5 結論

通過對主副箱互鎖及取力器保護結構的驗證，可以得到如下的結論：

(1)互鎖閥的排氣必須盡可能地快，盡快建立最大互鎖力；

(2)互鎖力要大一些，防止副箱未換擋完成，主箱就已經換上擋。