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可控式單向CMD離合器簡(jiǎn)析

2022-01-17 19:40:15·  來(lái)源：汽車動(dòng)力總成  
　
單向離合器最早是在1869年為自行車設(shè)計(jì)的。隨著時(shí)間和技術(shù)的發(fā)展，單向離合器的使用越來(lái)越廣泛，小到割草機(jī)，大到直升飛機(jī)，都可以看到它的身影。單向離合器是一
單向離合器最早是在1869年為自行車設(shè)計(jì)的。隨著時(shí)間和技術(shù)的發(fā)展，單向離合器的使用越來(lái)越廣泛，小到割草機(jī)，大到直升飛機(jī)，都可以看到它的身影。
單向離合器是一種典型的機(jī)械元件：離合器的內(nèi)圈和外圈之間可以在一個(gè)特定的方向上相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；在向另一個(gè)方向上，內(nèi)圈和外圈之間由于機(jī)械作用可以自動(dòng)的接合在一起，并傳遞很高的扭矩。見圖1：
由于這種特點(diǎn)，單向離合器可以使用在很多特殊場(chǎng)合中，例如:
· 逆止器
· 超越離合器
· 定位離合器
和聯(lián)軸器，制動(dòng)器不同的是，單向離合器不需要機(jī)械或液壓控制系統(tǒng)，可以使控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單。在傳統(tǒng)的Step AT自動(dòng)變速箱中，常?？梢钥吹絾蜗螂x合器與制動(dòng)器（與變速箱殼體連接的離合器）并聯(lián)在一起使用,見圖2。一般情況下，自動(dòng)變速箱需要實(shí)現(xiàn)不同檔位下的動(dòng)力傳動(dòng)，需要接合兩個(gè)特地的離合器。但在一檔起步的情況下，由于單向離合器的使用，自動(dòng)變速箱只需要先接合一個(gè)離合器接合，之后單向離合器在行星排的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)作用下，會(huì)自動(dòng)的接合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一檔起步的功能，因此，單向離合器在自動(dòng)變速箱中也被稱之為起步離合器。同時(shí)，由于單向離合器在反方向上不能傳遞動(dòng)力，因此在車輛滑行制動(dòng)時(shí)，需要控制一個(gè)與單向離合器并聯(lián)的制動(dòng)器接合，來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力從車輪經(jīng)由變速箱而到發(fā)動(dòng)機(jī)的反向傳遞，來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功能，這一點(diǎn)是單向離合器功能上的劣勢(shì)。


常見的單向離合器根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可分為以下幾種形式，見圖3：
· 滾柱式(Roller type)
· 楔塊式(Sprag type)
· 止推片式(Diode type 或MD(mechanical diode) type，類似于棘輪，
也被稱之為楔片式離合器)
· 螺旋式單向離合器(Spiral type)，見圖4：




根據(jù)不同種類的單向離合器的優(yōu)缺點(diǎn)，其使用區(qū)域也有不同。其中止推片式單向離合器常見于美系自動(dòng)變速箱上。最早的應(yīng)用是福特的4R70系列自動(dòng)變速箱，后來(lái)在在Ford的5R110,CD4E，6L50，6F系列變速箱以及通用的GF6系列變速箱上都可以看到它的身影。在一些亞洲廠家的變速箱上也可以看到這類單向離合器的使用，例如馬自達(dá)。
止推片式單向離合器的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，參考圖3中的剖視圖可以看到，通過(guò)使用一個(gè)由彈簧/彈片支撐的止推片，可以在一個(gè)方向上和離合器的內(nèi)圈與外圈鎖止在一起；當(dāng)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，止推片會(huì)被“推到”，而實(shí)現(xiàn)了反向的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，止推片的動(dòng)作是被動(dòng)的?；谠摻Y(jié)構(gòu)原理，通過(guò)增加一套機(jī)械控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)止推片的主動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)離合器接合方向的主動(dòng)控制，可以根據(jù)變速箱內(nèi)部元件接合/分離的要求來(lái)實(shí)現(xiàn)單向離合器不同工作模式的轉(zhuǎn)換。故將這種改進(jìn)設(shè)計(jì)稱之為可控式單向離合器，也可稱之為CMD(Controllable Mechanical Diode)。CMD離合器最早是由美國(guó)Means公司開發(fā)并投入使用的。根據(jù)具體要實(shí)現(xiàn)的模式，CMD離合器可分為以下幾類:
· 2路式單向離合器
· 2模式單向離合器
· 4路式單向離合器
· 4模式單向離合器
· 可選擇式單向離合器，簡(jiǎn)稱為“SOWC”
CMD離合器不存在傳統(tǒng)多片式離合器的拖曳扭矩，故而可以提高變速箱的傳動(dòng)效率，提高燃油效率 (1-2%)；由于集成度高，可以直接替代單向離合器加制動(dòng)器的傳動(dòng)組合，減少零件數(shù)量，充分利用變速箱內(nèi)部的狹小空間，降低制造成本。見圖5，左側(cè)黃色部分是原變速箱內(nèi)部單向離合器加制動(dòng)器所需要的空間，右側(cè)綠色部分使用CMD離合器后所需要的空間。
CMD離合器可以給變速箱提供4種操作模式:
· 實(shí)現(xiàn)順時(shí)針方向的接合/扭矩傳遞
· 實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針方向的接合/扭矩傳遞
· 實(shí)現(xiàn)元件在順/逆時(shí)針兩個(gè)方向上的接合
· 實(shí)現(xiàn)元件在順/逆時(shí)針兩個(gè)方向上的自由旋轉(zhuǎn)

一個(gè)典型的CMD離合器包括如下的組件，以圖6為例：
· 反向固定槽盤
· 正向固定槽盤
· 活動(dòng)盤
· 方向選擇板
· 正向止推楔片組和反向止推楔片組
· 驅(qū)動(dòng)桿
· 液壓或電動(dòng)執(zhí)行器

驅(qū)動(dòng)桿與選擇板直接相連，可以決定CMD離合器的工作模式。如圖7所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿處于左圖關(guān)閉位置時(shí)，選擇板將反向楔片組壓入到其下部，使反向楔片組無(wú)法由于彈簧的作用而抬起，進(jìn)而失去了控制離合器內(nèi)外圈反方向接合的功能。由于僅剩下一組正向楔片組可以正常工作，此時(shí)的CMD離合器和普通的楔片式單向離合器功能相同。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿處于右圖打開位置時(shí)，反向楔片組可以經(jīng)由選擇板上的窗口，在楔片下部壓縮彈簧的作用下抬起，進(jìn)而起到了對(duì)離合器內(nèi)外圈在反方向上的鎖止作用。由于正向楔片組也可以正常工作，可以實(shí)現(xiàn)離合器在正反兩個(gè)方向上的鎖止，此時(shí)的CMD離合器就相當(dāng)于一套處于接合狀態(tài)下的制動(dòng)器。

CMD離合器在變速箱中的位置可以參見圖8中紅框處：

CMD離合器的驅(qū)動(dòng)桿可以采用多種方式來(lái)驅(qū)動(dòng)，常見的有電驅(qū)動(dòng)式和液壓驅(qū)動(dòng)式。電驅(qū)動(dòng)式采用電機(jī)或電磁閥直接與驅(qū)動(dòng)桿連接的方式，來(lái)使選擇板以一定的角度順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CMD離合器不同模式的控制。見圖9：

液壓驅(qū)動(dòng)是通過(guò)安裝在CMD離合器殼體上的一個(gè)液壓活塞來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種控制方式目前被廣泛應(yīng)用在福特的8速前驅(qū)自動(dòng)變速箱以及通用的9速前驅(qū)自動(dòng)變速箱中。圖10：

例如在通用的9速自動(dòng)變速箱中，通過(guò)使用一個(gè)電磁閥來(lái)控制一個(gè)離合器選擇閥的位置。這個(gè)離合器選擇閥決定了高壓油從CMD離合器上液壓活塞的哪一個(gè)油路進(jìn)入。通過(guò)液壓活塞的軸向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CMD離合器內(nèi)部選擇板的控制，使離合器可以依據(jù)期望的接合或分離模式工作。

CMD離合器最早由美國(guó)Means公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，目前已經(jīng)衍生出多種結(jié)構(gòu)，例如將楔片組由布置在離合器元件的端面方向上更改為元件的圓柱方向上的，也有通過(guò)更改楔片為楔塊結(jié)構(gòu)的，或者更改執(zhí)行器的實(shí)現(xiàn)方式。相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也已經(jīng)由不同公司、機(jī)構(gòu)或個(gè)人申請(qǐng)國(guó)內(nèi)專利，代表性專利可以參見：
1. 單向離合器和同步器組件，申請(qǐng)人：通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司；
2. 可選單向離合器，申請(qǐng)人：通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司；
3. 雙重離合器組件，申請(qǐng)人：通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司；
CMD離合器由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，不僅在傳統(tǒng)自動(dòng)變速箱中得到了廣泛的使用，還成為了電動(dòng)車多檔化的核心零部件之一。例如GKN開發(fā)的電動(dòng)車用第三代2檔電驅(qū)動(dòng)橋中就使用了一個(gè)通過(guò)液壓控制的可選擇式單向離合器，如圖12中紅框處：



參考文獻(xiàn)（部分）：
https://www.meansindustries.com/technology/clutch-systems/cmd
https://drivetrain-symposium.world/de/worlds-1st-production-selectable-one-way-clutches-for-automatic-transmissions/
https://gearsmagazine.com/magazine/one-way-selectable-one-way-clutch-technology/
文章中引用數(shù)據(jù)和圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)
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