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湿式离合器接合压力对接合特性的影响研究

来源:九壹网
第29卷 第4期 重庆理工大学学报(自然科学) 2015年4月 V01.29 No.4 Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science) Apr.2015 doi:10.3969/j.issn.1674-8425(Z).2015.04.002 湿式离合器接合压力对接合特性的影响研究 刘小川,张志刚,石晓辉,李震宇 (汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054) 摘 要:通过分析湿式离合器的接合过程,应用一维平均雷诺方程和粗糙表面弹性接触模 型建立湿式离合器接合过程数学模型。利用龙格一库塔数值方法对接合过程数学模型进行求 解,研究湿式离合器接合压力对接合过程中黏性转矩、粗糙摩擦转矩及传递转矩的变化规律。 仿真结果表明:接合压力上升越慢,其产生的黏性转矩、粗糙摩擦转矩及传递转矩响应越慢;接 合压 力上升特性对黏性转矩和粗糙摩擦转矩的峰值影响较小,对黏性转矩总体变化趋势影响也 较小 ,但对粗糙摩擦转矩和传递转矩总体变化趋势影响较大。 关键词:湿式离合器;接合压力;黏性转矩;摩擦转矩 中图分类号:U463 文献标识码:A 文章编号:1674—8425(2015)04—0007—05 Effect of Engagement ure on Engagement Characteristics of Wet Clutch LIU Xiao—chuan,ZHANG Zhi—gang,SHI Xiao—hui,LI Zhen—yu (Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts, Ministyr of Education,Chongqing 400054,China) Abstract:By analyzing the wet clutch engagement,the mathematical model of wet clutch engagement based on one.dimensional average Reynolds equation and elastic contact model between asperity sur— faces was established.We got the solution of the mathematical model during engagement process by U— sing the Runge Kutta numerical method to study the changing rules of wet clutch to viscous torque, friction torque and transmitted torque in engagement process.Simulation results show that the slower the engagement pressure rise,the slower the viscous torque,friction torque and transmitted torque re— sponse,and the rise characteristics of engagement pressure have a less impact on the peak of viscous torque and friction torque and it has little impact on the overall trend of viscous torque,but it have a greater impact 013.the overall trend of ̄ie6on torque and transmitted torque. Key words:wet clutch:engagement pressure;viscous torque;friction torque 收稿日期:2014—12—24 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51205432) 作者简介:刘小川(1989一),男,四川人,硕士研究生,主要从事车辆传动系统理论研究;通讯作者张志刚(1979一), 男,博士,副教授,主要从事车辆传动系统理论及试验检测技术研究。 引用格式:刘小川,张志刚,石晓辉,等.湿式离合器接合压力对接合特性的影响研究[J].重庆理工大学学报:自然科 学版,2015(4):7—11. Citation format:LIU Xiao.chuan,ZHANG Zhi—gang,SHI Xiao—hui,et a1.Effect of Engagement Pressure on Engagement Characteristics of Wet Clutch[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015 (4):7—11. 8 重庆理工大学学报 湿式离合器作为车辆传动系统核心部件之 一,在车辆起步和换挡过程中发挥着重要作用,被 广泛应用于高级轿车、重型车辆及履带车辆等¨J。 在湿式离合器工作过程中主要应用液压系统控制 油压推动活塞压紧摩擦副的对偶钢片与摩擦片, 通过对偶钢片和摩擦片的接合或分离来实现车辆 传动系统动力的传递与中断。研究湿式离合器工 作过程中接合压力对动态接合特性的影响规律, 对制定精确的湿式离合器油压控制策略具有重要 意义,可决定车辆起步的平稳性和换挡品质,同时 对车辆起步与换挡过程中湿式离合器接合过程产 生的滑摩功也具有重要影响。因此,从湿式离合 器摩擦传动机理出发,分析湿式离合器接合压力 对动态传递转矩的影响规律,对于实现湿式离合 器优化控制及提高车辆起步平顺性、减轻换挡顿 挫感具有重要意义。 目前,对于湿式离合器的研究主要集中在湿 式离合器接合过程建模、热特性分析及控制优化 等方面。Gao等 通过试验研究了纸基摩擦片表 面粗糙峰高度分布模型,并运用该模型对湿式离 合器接合特性进行了建模仿真。张飞铁等 通过 建立湿式离合器机械传动数学模型,研究了不同 动态摩擦因数斜率对传递转矩的影响。Miyagawa 等 对湿式离合器接合特性进行了热流固耦合分 析,导出了湿式离合器接合特性模型,研究了摩擦 副表面沟槽类型对接合特性的影响规律。杨亚联 等 5 建立了湿式多片离合器三维有限元模型,采 用热一机耦合仿真方法分析了不同参数及工况对 钢片温度场和应力场的影响。Jang等 建立了湿 式离合器热流体动力学模型,并指出温度效应对 湿式离合器接合特性具有重要影响。Zhang等 建立了湿式离合器热传导模型,研究了湿式离合 器单次接合过程中温度场分布并进行了试验验 证。程秀生等 采用模糊PID离合器压力控制方 法提出了两挡同时参与起步过程的控制策略,并 验证了该控制策略的有效性。薛殿伦等 利用模 糊自适应PID控制理论方法确定不同工况下湿式 离合器摩擦片间最优压力变化规律,较好地解决 了起步平稳性等问题。然而,从湿式离合器摩擦 传动机理出发,开展接合压力对湿式离合器接合 过程中传递转矩变化规律的研究相对较少。 本文建立了湿式离合器动态接合过程数学模 型,利用数值耦合方法研究了3种接合压力特性 对湿式离合器接合特性的影响规律。 1 湿式离合器摩擦传动机理分析 依据湿式离合器接合过程的承载力和传递转 矩产生机理的不同,将湿式离合器接合过程划分 为3个阶段 :流体挤压阶段、边界润滑阶段及机 械接触阶段。在流体挤压阶段,接合压力完全由 冷却润滑油膜承载,传递转矩由油膜黏性转矩构 成;在边界润滑阶段,接合压力由油膜和摩擦副微 凸体共同承载,传递转矩由油膜黏性转矩和微凸 体粗糙摩擦转矩共同组成,并随着湿式离合器接 合过程的不断深入,微凸体承载力与粗糙摩擦转 矩逐渐起主导作用;在机械接触阶段,接合压力完 全由微凸体承载,传递转矩也完全由微凸体粗糙 摩擦转矩构成。下面对湿式离合器接合过程摩擦 传动机理进行建模。 1.1油膜承载力模型 湿式离合器接合过程可简化成如图1所示的 物理模型。湿式离合器接合前,摩擦副间充满冷 却润滑油,摩擦片和对偶钢片被油膜隔开,摩擦片 角速度为09:,对偶钢片角速度为 ,接合压力P 将摩擦副逐渐压紧。结合湿式离合器摩擦副轴对 称的特点,利用Patir.Cheng平均雷诺方程… 导出 在圆柱坐标系下湿式离合器润滑油膜承载力的一 维控制方程: (n 12 ̄a)警]=12卵r dhr(1) 式(1)中: 为径向流量因数, ,=1一 exp(一0.56h/ ̄r);h为润滑油油膜厚度; 为摩擦 衬片渗透性;d为摩擦衬片厚度;P 为平均油膜压 力;叼为润滑油黏度;h 为摩擦副平均间隙。 假定摩擦片和对偶钢片表面粗糙峰服从均值 为零的高斯分布,则可得摩擦副平均问隙五 与油 膜厚度h之问的关系: :{0.5[ )雌 刘小川,等:湿式离合器接合压力对接合特性的影响研究 9 令 )一o-5[ +e )] 其中: 为摩擦副表面联合粗糙度;erf()为高斯 误差函数。 摩擦副内外径处油膜边界条件为: (r=6/,)=0, P (r=b)=O,则可得油膜承载力沿径向分布: (,卜 [r + 1m 一Dn寺 ] jg(g 面  面dh(3), 式(3)中0和b分别为摩擦副内径、外径。 对偶钢片 润滑油 摩擦片 图1 湿式离合器接合过程物理模型 1.2微凸体承载力模型 假设湿式离合器摩擦副表面微凸体粗糙峰服 从高斯密度函数分布,结合G—W弹性接触模型, 导出湿式离合器摩擦副微凸体真实接触面积为 0|【去 +告(g(h)-1)](4) 式(4)中:A为微凸体粗糙峰密度;y为微凸体粗 糙峰曲率半径。因此,湿式离合器摩擦副单位面 积微凸体承载力为 P =E・ (5) 其中 LE 2(\E , 。+  巴/) (6) 式中:E为微凸体当量弹性模量;E 为对偶钢片弹 性模量;E:为摩擦片弹性模量; 为对偶钢片泊 松比; :为摩擦片泊松比;6为真实接触面积比, 6= /A 表征摩擦副真实接触面积与其名义接触 面积的关系。 1.3接合压力模型 湿式离合器工作过程的接合压力是由其液压 控制系统油压产生,接合压力上升特性对湿式离 合器接合过程传递转矩具有重要影响。本文主要 研究P P ,P ,等3种接合压力特性对湿式离合 器传递转矩特性影响规律。P 基于文献[12]的 试验数据拟合而成,P 采用文献[13]的指数接合 压力上升特性,P 采用阶跃接合压力上升特性。3 种接合压力特性曲线如图2所示,其表达式分 别为: P l=2P。(1.155 3t一1.525t + 0.956t 一0.165 91t ) (7) D(1一exp(一毒)) (8) P =P。 (9) 式中:P。为最大接合压力;t为接合时间;t 为压力 迟滞时间。 日 如 蝼 0 O1 0.2 0.3 0.4 0 5 0.6 07 0.8 0.91.0 11 1.2 1_3 1.4 1.5 t/s 图2接合压力特性曲线 1.4湿式离合器动态传递转矩模型 依据湿式离合器接合过程可知,接合压力先 后由油膜承载力和微凸体承载力承载,从而由湿 式离合器接合过程承载力准静态平衡关系可得 or(b 一2) =(1—6)f7 PhdA+6『j PcdA (10) 式(10)中P 可为P P ,P 由于湿式离合器接合过程承载力构成不同, 故湿式离合器接合过程的传递转矩产生机理也随 之改变,先后由润滑油油膜的黏性转矩 逐渐过 渡至微凸体摩擦转矩 。运用湿式离合器接合过 程的转矩平衡条件可得 T=(1—6) +6 (11) 10 其中: : 重庆理工大学学报 表1仿真计算初始条件 6)( 一 )  drd8 (12)参数名称 初始值 摩擦副内径a/m =JD"tr上t'bc!, 厂 r2drd (13) 摩擦副外径b/m 摩擦衬 肆葭d/m :,・ (14) 摩擦副表面联合粗糙度tr/m 摩擦衬片渗透性 /m 式中:咖r, 为Patir—Cheng剪切流量因数;to 为摩 当量弹性模量E/Pa 擦副相对角速度i 为摩擦因数。 在湿式离合器接合过程中摩擦因数受诸多因 素影响,本研究主要考虑转速对摩擦因数的影响, 得到摩擦因数与摩擦副滑差转速的关系¨ : / =0.13—0.0081・lg l (15) 2数值仿真分析 本研究利用Runge—Kutta数值积分法,分别把 接合压力 ,P Ps 代人式(10),并对式(10)和 (11)进行耦合数值积分求解,得到每个步长 对 应时刻的油膜厚度∥和摩擦副相对角速度 。 数值积分步长为0.001 S,迭代终止条件为摩擦副 相对角速度 。≤0.001 rad/s。根据油膜厚度和 相对角速度变化率,通过湿式离合器动态传递转 矩模型可得到3组接合过程中每时刻的黏性转 矩、粗糙摩擦转矩及传递转矩。比较3种接合压 力特性曲线对接合过程中黏性转矩、粗糙摩擦转 m × 8 ¨ 矩及传递转矩的影响。仿真时假设对偶钢片角速 一一一 ~ 一一枷 度 。恒定为0,摩擦片初始角速度为 。。摩擦副  一一一 一 在接合压力P 作用下把摩擦片逐渐向对偶钢片压 紧,直至摩擦副相对角速度满足迭代终止条件时, 湿式离合器接合过程结束。仿真计算初始条件如 表1所示。 图3给出了湿式离合器接合过程中黏性转矩 的变化规律。从图3可知:P P ,P 产生的黏性 转矩响应逐渐变慢,黏性转矩峰值大小不变,3组 接合压力产生的黏性转矩变化趋势大体相同。这 是由于湿式离合器接合过程初期为流体挤压阶 段,接合压力上升越快,则油膜挤压排挤速度越 快,使黏性转矩快速增大,同时,黏性转矩响应越 快,则黏性转矩峰值响应也越快。 粗糙度峰点密度A/m 粗糙峰点曲率半径R/m 初始油膜厚度ho/m 润滑油粘度 (Pa・S) 最大接合压力P。/Pa 初始角速度 。/(rad・S ) 转动惯量l/(kg・m2) 如 加 0 g ● Z 赳 蕊 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9l 0 1.1 1.2 l 3 1 4 1 5 t/s 0 图3黏性转矩 图4给出了湿式离合器接合过程中粗糙摩擦 转矩的变化规律。从图4可知:P P P 产生 的粗糙摩擦转矩响应逐渐变慢,粗糙摩擦转矩峰 值大小不变,3组接合压力产生的粗糙摩擦转矩变 化趋势相差较大。这是由于湿式离合器接合过程 中接合压力上升越快,进入压紧阶段越早,且压紧 阶段产生微凸体接触摩擦转矩越大,则粗糙摩擦 转矩响应就会越快,粗糙摩擦转矩峰值响应也 越快。 图5给出了湿式离合器接合过程中传递转矩 的变化规律。从图5可知:3组接合压力P P P 产生的传递转矩变化趋势差异性较大。结合图 3,4可知,传递转矩及传递转矩峰值的变化规律是 黏性转矩与粗糙摩擦转矩共同作用的结果。 刘小川,等:湿式离合器接合压力对接合特性的影响研究 一暑. 、 磐肇 梨桑 11 一暑.NJ\ 幸争埘 70[。 三畚 图4粗糙摩擦转矩 70 6O 50 40 30 20 10 O O Ol O_2 O3 0.4 0.5 0.6 0.7 08 0.91.0 l 1 I_2 1 3 1.4 1.5 t/s 图5传递转矩 3 结束语 通过分析湿式离合器接合过程摩擦传动机 理,建立了湿式离合器传递转矩模型,并分析了不 同接合压力模型对湿式离合器接合过程转矩的影 响。仿真结果表明:湿式离合器接合过程中接合 压力上升特性对其传递转矩产生机理具有重要影 响,接合压力上升越慢,其接合过程中黏性转矩、 粗糙摩擦转矩及总传递转矩响应越慢。接合压力 上升特性对接合过程中黏性转矩和粗糙摩擦转矩 的峰值影响较小,对黏性转矩总体变化趋势影响 也较小,但对粗糙摩擦转矩及传递转矩总体变化 趋势影响较大。 参考文献: [1]Depraetere B,Pinte G,Symens W.A two—level iterative learning control scheme for the engagement of wet clut— ches[J].Mechatronies,2011(21):501—508. 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