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可控式单向CMD离合器简析
2022-01-17 19:40:15· 来源：汽车动力总成
单向离合器最早是在1869年为自行车设计的。随着时间和技术的发展，单向离合器的使用越来越广泛，小到割草机，大到直升飞机，都可以看到它的身影。单向离合器是一
单向离合器最早是在1869年为自行车设计的。随着时间和技术的发展，单向离合器的使用越来越广泛，小到割草机，大到直升飞机，都可以看到它的身影。
单向离合器是一种典型的机械元件：离合器的内圈和外圈之间可以在一个特定的方向上相对转动；在向另一个方向上，内圈和外圈之间由于机械作用可以自动的接合在一起，并传递很高的扭矩。见图1：
由于这种特点，单向离合器可以使用在很多特殊场合中，例如:
· 逆止器
· 超越离合器
· 定位离合器
和联轴器，制动器不同的是，单向离合器不需要机械或液压控制系统，可以使控制系统更加简单。在传统的Step AT自动变速箱中，常常可以看到单向离合器与制动器（与变速箱壳体连接的离合器）并联在一起使用,见图2。一般情况下，自动变速箱需要实现不同档位下的动力传动，需要接合两个特地的离合器。但在一档起步的情况下，由于单向离合器的使用，自动变速箱只需要先接合一个离合器接合，之后单向离合器在行星排的转动趋势作用下，会自动的接合，进而实现一档起步的功能，因此，单向离合器在自动变速箱中也被称之为起步离合器。同时，由于单向离合器在反方向上不能传递动力，因此在车辆滑行制动时，需要控制一个与单向离合器并联的制动器接合，来实现动力从车轮经由变速箱而到发动机的反向传递，来实现发动机制动功能，这一点是单向离合器功能上的劣势。
常见的单向离合器根据结构不同，可分为以下几种形式，见图3：
· 滚柱式(Roller type)
· 楔块式(Sprag type)
· 止推片式(Diode type 或MD(mechanical diode) type，类似于棘轮，
也被称之为楔片式离合器)
· 螺旋式单向离合器(Spiral type)，见图4：
根据不同种类的单向离合器的优缺点，其使用区域也有不同。其中止推片式单向离合器常见于美系自动变速箱上。最早的应用是福特的4R70系列自动变速箱，后来在在Ford的5R110,CD4E，6L50，6F系列变速箱以及通用的GF6系列变速箱上都可以看到它的身影。在一些亚洲厂家的变速箱上也可以看到这类单向离合器的使用，例如马自达。
止推片式单向离合器的结构非常简单，参考图3中的剖视图可以看到，通过使用一个由弹簧/弹片支撑的止推片，可以在一个方向上和离合器的内圈与外圈锁止在一起；当反向转动时，由于相对运动的影响，止推片会被“推到”，而实现了反向的自由转动。在这个过程中可以发现，止推片的动作是被动的。基于该结构原理，通过增加一套机械控制系统，通过对止推片的主动控制，可以实现对离合器接合方向的主动控制，可以根据变速箱内部元件接合/分离的要求来实现单向离合器不同工作模式的转换。故将这种改进设计称之为可控式单向离合器，也可称之为CMD(Controllable Mechanical Diode)。CMD离合器最早是由美国Means公司开发并投入使用的。根据具体要实现的模式，CMD离合器可分为以下几类:
· 2路式单向离合器
· 2模式单向离合器
· 4路式单向离合器
· 4模式单向离合器
· 可选择式单向离合器，简称为“SOWC”
CMD离合器不存在传统多片式离合器的拖曳扭矩，故而可以提高变速箱的传动效率，提高燃油效率 (1-2%)；由于集成度高，可以直接替代单向离合器加制动器的传动组合，减少零件数量，充分利用变速箱内部的狭小空间，降低制造成本。见图5，左侧黄色部分是原变速箱内部单向离合器加制动器所需要的空间，右侧绿色部分使用CMD离合器后所需要的空间。
CMD离合器可以给变速箱提供4种操作模式:
· 实现顺时针方向的接合/扭矩传递
· 实现逆时针方向的接合/扭矩传递
· 实现元件在顺/逆时针两个方向上的接合
· 实现元件在顺/逆时针两个方向上的自由旋转
一个典型的CMD离合器包括如下的组件，以图6为例：
· 反向固定槽盘
· 正向固定槽盘
· 活动盘
· 方向选择板
· 正向止推楔片组和反向止推楔片组
· 驱动杆
· 液压或电动执行器
驱动杆与选择板直接相连，可以决定CMD离合器的工作模式。如图7所示，当驱动杆处于左图关闭位置时，选择板将反向楔片组压入到其下部，使反向楔片组无法由于弹簧的作用而抬起，进而失去了控制离合器内外圈反方向接合的功能。由于仅剩下一组正向楔片组可以正常工作，此时的CMD离合器和普通的楔片式单向离合器功能相同。 当驱动杆处于右图打开位置时，反向楔片组可以经由选择板上的窗口，在楔片下部压缩弹簧的作用下抬起，进而起到了对离合器内外圈在反方向上的锁止作用。由于正向楔片组也可以正常工作，可以实现离合器在正反两个方向上的锁止，此时的CMD离合器就相当于一套处于接合状态下的制动器。
CMD离合器在变速箱中的位置可以参见图8中红框处：
CMD离合器的驱动杆可以采用多种方式来驱动，常见的有电驱动式和液压驱动式。电驱动式采用电机或电磁阀直接与驱动杆连接的方式，来使选择板以一定的角度顺时针或逆时针转动，来实现对CMD离合器不同模式的控制。见图9：
液压驱动是通过安装在CMD离合器壳体上的一个液压活塞来实现的，这种控制方式目前被广泛应用在福特的8速前驱自动变速箱以及通用的9速前驱自动变速箱中。图10：
例如在通用的9速自动变速箱中，通过使用一个电磁阀来控制一个离合器选择阀的位置。这个离合器选择阀决定了高压油从CMD离合器上液压活塞的哪一个油路进入。通过液压活塞的轴向运动，实现对CMD离合器内部选择板的控制，使离合器可以依据期望的接合或分离模式工作。
CMD离合器最早由美国Means公司实现产品化，目前已经衍生出多种结构，例如将楔片组由布置在离合器元件的端面方向上更改为元件的圆柱方向上的，也有通过更改楔片为楔块结构的，或者更改执行器的实现方式。相关结构设计也已经由不同公司、机构或个人申请国内专利，代表性专利可以参见：
1. 单向离合器和同步器组件，申请人：通用汽车环球科技运作公司；
2. 可选单向离合器，申请人：通用汽车环球科技运作公司；
3. 双重离合器组件，申请人：通用汽车环球科技运作公司；
CMD离合器由于其结构优势，不仅在传统自动变速箱中得到了广泛的使用，还成为了电动车多档化的核心零部件之一。例如GKN开发的电动车用第三代2档电驱动桥中就使用了一个通过液压控制的可选择式单向离合器，如图12中红框处：
参考文献（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/
文章中引用数据和图片来源网络
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