（车辆工程专业论文）液力变矩器闭锁离合器特性研究.pdf

嫒嚣 一_ 一一 4 焉霉 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密匦。 学位论文作者签名：名耀 如jj 年6 月i t ) 日 指导教师签名： 乡荔 2 0 1 1 年上月弦日 液力变矩器闭锁离合器特性研究 s t u d yo nc h a r a c t e r i s t i c so fl o c k - u pc l u t c h r n l - 0 r q u ec o n v e r t e r 姓 2 0 1 1 年6 月 i 江苏大学硕士学位论文 摘要 液力机械式自动变速器使汽车起步平稳、换挡平顺、操纵简单， 在车辆上得到广泛的应用。但是传统液力变矩器存在传动效率低的缺 点，闭锁离合器的出现弥补了液力变矩器的这一不足。本文针对液力 变矩器闭锁离合器技术的发展现状，结合理论研究，重点对闭锁离合 器闭锁特性、闭锁过程热负荷、闭锁过程的抖动和稳定性等方面进行 研究。全文研究的主要内容有以下几个方面： 对液力变矩器闭锁离合器闭锁过程进行分析，建立闭锁离合器闭 锁过程动力学模型，并对模型中的参数进行分析。利用 m a t l a b s i m u l i n k 建立闭锁离合器闭锁过程仿真模型，得出不同摩 擦片材料( 纸基摩擦材料、树脂摩擦材料、铜基摩擦材料) 、不同闭 锁油压( 1 m p a 、1 5 m p a 、2 m p a ) 下，闭锁时间、滑摩功、滑摩功率的 变化曲线，并对其进行对比分析。仿真结果表明，闭锁油压越大，闭 锁时间越短，闭锁过程产生的滑摩功也越小，但闭锁油压过大会造成 冲击度过大；纸基摩擦材料与其他两种相比，闭锁时间更短，滑摩功 较小。 对液力变矩器闭锁离合器闭锁过程进行热负荷分析，建立闭锁离 合器热负荷模型，并确立边界和初始条件，结合以上的仿真结果，利 用a n s y s 对闭锁过程进行温度场分析，讨论不同闭锁油压、不同摩擦 材料对热负荷的影响。仿真结果表明，闭锁油压越小，摩擦片温度越 高，温度沿径向方向逐渐升高，沿轴向方向逐渐降低；铜基摩擦材料 液力变矩器闭锁离合器特性研究 温度要低于纸基摩擦材料温度，并且铜基摩擦材料轴向温度梯度也小 于纸基摩擦材料的轴向温度梯度。 对液力变矩器闭锁离合器闭锁过程中的抖动及稳定性进行分析， 建立4 自由度扭转振动模型，从自激振动的角度，分析闭锁离合器抖 动产生的机理，并讨论闭锁过程中系统的稳定性。利用 m a t l a b s i m u l i n k 建立闭锁离合器闭锁过程扭转振动仿真模型，分 析不同摩擦系数变化斜率、静摩擦系数、阻尼系数、传动轴扭转刚度 等参数对闭锁离合器抖动的影响。仿真结果表明，增大摩擦系数变化 斜率、静摩擦系数、阻尼系数和传动轴扭转刚度，可以明显减小闭锁 离合器闭锁过程中的抖动现象。 关键词：闭锁离合器，闭锁过程仿真，热负荷，瞬态温度场，闭锁离 合器抖动 江苏大学硕士学位论文 t h ea u t o m o b i l ew i t ha u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nh a ss m o o t hs t a r t i n g ， g e a r s h i f t i n g a n dc o n v e n i e n t o p e r a t i o n h o w e v e r , t r a d i t i o n a lt o r q u e c o n v e r t e rh a sad i s a d v a n t a g eo fl o wt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , l o c k u p d u t c hf e t c h e s u pt h i ss h o r t a g e f r o mt h ep r e s e n t s t a t u so fl o c k - u p r e s e a r c h ，c o m b i n e d t h e o r e t i c a l r e s e a r c h ，t h e m a i nw o r ko ft h i s d i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h ec h a r a c t e r i s t i co f l o c k i n g u pp r o c e s s ，t h e r m a ll o a d o fl o c k i n g u pp r o c e s s ，j u d d e ra n ds t a b i l i t yo fl o c k i n g u pp r o c e s s t h e m a i n c o v e r a g eo ft h i sd i s s e r t a t i o na r e a sf o l l o w s ： l o c k i n g - u pp r o c e s so fl o c k u pd u t c hw a ss t u d i e d t h i sd i s s e r t a t i o n h a se s t a b l i s h e dt h ed y n a m i cm o d e lo fl o c k i n g - u pp r o c e s s ，a n da n a l y z e d t h ep a r a m e t e r so fd y n a m i cm o d e l t h es i m u l a t i o ns y s t e mw a sm a d eb y u s i n gm a t l a b s i m u l i n k c a l c u l a t e da n dc o m p a r a t i v ea n a l y z e dt h e l o c k i n g u pt i m ec u r v e ，s l i d i n gf r i c t i o nw o r kc u r v e ，s l i d i n gf r i c t i o np o w e r c u r v eo fd i f f e r e n tf r i c t i o nm a t e r i a l s ( p a p e rf r i c t i o nm a t e r i a l ，r e s i nf r i c t i o n m a t e r i a l ，b r o n z ef r i c t i o nm a t e r i a l ) a n do i lp r e s s u r e ( 1m p a ，1 5 m p a ， 2 m p a ) s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d t h a tt h eh i g h e ro i lp r e s s u r e ，t h es h o r t e r l o c k i n g u pt i m ea n dt h es m a l l e rs l i d i n gf r i c t i o nw o r k ，b u t o i lp r e s s u r ew i l l r e s u l ti nj e r k p a p e rf r i c t i o nm a t e r i a lh a ss h o r t e rl o c k i n g - u pt i m ea n d s m a l l e rs l i d i n gf r i c t i o nw o r k f r i c t i o nt h e r m a ll o a d o f l o c k i n g u pp r o c e s sw a s s t u d i e d t h i s d i s s e r t a t i o nh a se s t a b l i s h e dt h et h e r m a la n a l y s i sm o d e lo fl o c k - u pd u t c h ， d e f i n e dt h eb o u n d a r ya n di n i t i a l c o n d i t i o n ，c o m b i n e dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sa b o v e ，u s e da n s y st oa n a l y z et h et e m p e r a t u r ef i e l do f l o c k i n g - u p p r o c e s s ，d i s c u s s e dt h ee f f e c to nt h e r m a ll o a di n f l u e n c e db yo i lp r e s s u r e 液力变矩器闭锁离合器特性研究 a n df r i c t i o nm a t e r i a l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h el o w e ro i l p r e s s u r e ，t h el o w e rf r i c t i o np l a t et e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r ew a sg r a d u a l l y i n c r e a s e da l o n gt h er a d i c a ld i r e c t i o n ，d e c r e a s e da l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o n t e m p e r a t u r eo fb r o n z ef r i c t i o nm a t e r i a lw a sl o w e rt h a nt h a t o fp a p e r f r i c t i o nm a t e r i a l ，a n dt e m p e r a t u r eg r a d i e n to fb r o n z ef r i c t i o nm a t e r i a lw a s s m a l l e rt h a nt h a to fp a p e rf r i c t i o nm a t e r i a l t h em e c h a n i s mo fl o c k - u pd u t c hj u d d e ra n ds t a b i l i t yo fl o c k - u p p r o c e s sw e r es t u d i e d t h i sd i s s e r t a t i o nh a se s t a b l i s h e d4 - d o f t o r s i o n a l v i b r a t i o nm o d e lo fl o c k - u pd u t c h t h em e c h a n i s mo fl o c k - u pd u t c h j u d d e rw a sa n a l y z e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs e l f - i n d u c e dv i b r a t i o n ，a n d d i s c u s s e dt h es t a b i l i t yo fl o c k i n g u pp r o c e s s t h et o r s i o n a lv i b r a t i o n s i m u l a t i o n s y s t e m o f l o c k i n g u pp r o c e s s w a sm a d e b yu s i n g m a t l a b s i m u l i n k ，t h i sd i s s e r t a t i o na l s oa n a l y z e dt h ee f f e c tt h r o u g h s i m u l a t i o no nt h el o c k u pd u t c h j u d d e ri n f l u e n c e d b yf r i c t i o nc o e f f i c i e n t g r a d i e n t ，s t a t i cc o e f f i c i e n to ff r i c t i o n ，t r a n s m i s s i o ns y s t e md a m p i n ga n d s t i f f n e s s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a ti n c r e a s i n gt h es l o p eo ff r i c t i o n c o e f f i c i e n t ，s t a t i cf r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，d a m p i n ga n dt o r s i o n a ls t i f f n e s sc a n r e d u c ej i t t e ri nt h el o c k i n g - u pp r o c e s s k e y w o r d s ：l o c k - u pd u t c h ，s i m u l a t i o no fl o c k i n g - u pp r o c e s s ，t h e r m a l l o a d ，t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d ，l o c k u pc l u t c hj u d d e r 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。一。1 1 1 液力变矩器的发展与闭锁离合器的应用。1 1 1 1 弓i 言1 1 1 2 液力变矩器的发展。2 1 1 3 闭锁离合器的应用5 1 2 液力变矩器闭锁离合器研究现状与发展趋势6 1 2 1 国外研究现状6 1 2 2 国内研究现状7 1 2 3 液力变矩器闭锁离合器滑摩控制8 1 2 4 液力变矩器闭锁离合器发展趋势9 1 3 本文主要研究内容。1 0 第二章闭锁离合器的结构及特性分析。n 2 1闭锁离合器结构分析1 1 2 2 闭锁离合器工作过程分析1 2 2 2 1 闭锁过程分析1 2 2 2 2 闭锁控制规律1 3 2 2 3 充油特性1 6 2 2 4 闭锁品质评价指标1 7 2 3闭锁离合器摩擦片的磨损特性2 0 2 4 本章小结2 1 第三章闭锁离合器闭锁过程的建模与仿真2 2 3 1 闭锁离合器闭锁过程动力学建模2 2 3 1 1 闭锁离合器闭锁过程动力学模型2 2 3 1 2 动力学模型中的参数2 3 3 2 闭锁离合器闭锁过程仿真分析2 7 3 2 1闭锁离合器闭锁参数的设定2 7 3 2 2 闭锁离合器闭锁过程建模仿真2 8 3 2 - 3闭锁离合器闭锁过程仿真结果分析2 8 3 3 本章小结。3 3 第四章闭锁离合器闭锁过程热负荷分析。3 4 4 1 概述一3 4 v 液力变矩器闭锁离合器特性研究 4 1 1闭锁离合器摩擦片材料3 4 4 1 2 闭锁离合器摩擦片油槽。3 5 4 2 传热学基础理论3 6 4 2 1 三种基本热传递方式。3 7 4 2 2 边界条件及初始条件。3 9 4 2 3 热载荷4 0 4 2 4 稳态热分析与瞬态热分析4 1 4 3闭锁离合器热负荷模型4 2 4 4闭锁离合器摩擦片瞬态温度场的有限元分析。4 6 4 5闭锁离合器摩擦片瞬态温度场的分析结果4 7 4 5 1同种摩擦片材料，不同闭锁油压4 7 4 5 2 相同闭锁油压，不同摩擦材料5 0 4 6 本章小结5 2 第五章闭锁离合器闭锁过程抖动分析5 3 5 1闭锁离合器闭锁过程传动系扭振模型。5 3 5 2 闭锁离合器闭锁过程稳定性分析5 4 5 2 1闭锁离合器自激振动5 4 5 2 2闭锁离合器闭锁过程稳定性分析5 5 5 3 闭锁离合器闭锁过程抖动分析5 8 5 3 1闭锁离合器闭锁过程抖动m 棚a b s i m u l i n k 仿真模型的建立5 8 5 3 2闭锁离合器闭锁过程抖动仿真分析5 9 5 4 本章小结。6 3 第六章总结与展望。6 4 6 1 全文总结6 4 6 2 展望6 5 参考文献 致谢 攻读硕士期间发表的论文 6 6 6 9 7 0 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1液力变矩器的发展与闭锁离合器的应用 1 1 1 引言 汽车诞生一百多年来，汽车工业得到了前所未有的快速发展。随着人们对动 力性、经济性、舒适性等要求的不断提高，对汽车各零部件及总成的性能也提出 了更高的要求。在车辆传动系方面，机械式手动变速器以其较高的效率、低廉的 价格，目前在我国车辆上还占有相当大的比例，但机械式手动变速器要求驾驶员 的劳动强度高、操纵复杂，并且难以同时兼顾动力性和经济性，制约了它的进一 步发展。 为了解决机械式手动变速器的问题，车辆自动变速技术应运而生。自动变速 技术能够把驾驶员从繁重的换挡工作中解放出来，提高驾驶的安全性，并且自动 变速技术还能将驾驶员的经验融合到控制器中，提高驾驶的舒适性和燃油经济 性。 按照实现自动变速的原理，自动变速器一般可以分为：由液力变矩器和齿轮 变速箱组成的液力机械式自动变速器( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，简称a t ) 、由传 统固定轴式变速箱和干式离合器及电液控制系统组成的电控机械式自动变速器 ( a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，简称a m t ) 、无级变速自动变速器 ( c o n t i n u o u sv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，简称c 、，1 ) 、双离合器自动变速器( d u a l c l u t c ht r a n s m i s s i o n ，简称d c t ) i t 。 图1 1 液力机械式自动变速器 f i g 1 1a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n 图1 2 电控机械式自动变速器 f i g 1 2a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n i 液力变矩器闭锁离合器特性研究 图1 3 无级变速自动变速器图1 4 双离合器自动变速器 f i g 1 3c o n t i n u o u sv a r i a b l et r a n s m i s s i o nf i g 1 4d u a lc l u t c ht r a n s m i s s i o n 目前在轿车上普遍采用的自动变速器是液力机械式自动变速器。它可以将动 力平稳的传递到车轮，以其良好的舒适性、动力性、安全性，在汽车领域占有相 当重要的地位。与普通的机械式手动变速器相比，液力机械式自动变速器有以下 优点【2 1 ： ( 1 ) 消除了不同驾驶员换挡技术的差异。 ( 2 ) 将驾驶员从换挡的繁重操纵中解放出来，可减轻驾驶员疲劳度，保证 行驶安全。 ( 3 ) 提高车辆的燃油经济性。可以使发动机经常处在经济转速下运转，提 高车辆的燃油经济性，降低对外界环境的污染。 ( 4 ) 提高车辆动力性。由于液力变矩器的变矩性能及能够连续自动换挡， 提高了车辆的起步加速性能；自动换挡过程中传动系传递功率不中断，自动换挡 在时间上能保证发动机功率得到充分利用，提高了车辆的加速性能。 ( 5 ) 提高舒适性。通过控制系统，可以实现平稳换挡；液力传动可以吸收 一部分的换挡冲击和发动机的振动；能够把发动机转速控制在一定范围内，避免 发动机转速过高、过低、不平稳的急剧变化，可以减少发动机的振动噪声。 ( 6 ) 延长传动系寿命。由于液力变矩器的存在，发动机与变速箱之间为柔 性连接，可以减弱传动系中的动载荷；自动换挡也避免了换挡操作不当造成的冲 击。 1 1 2 液力变矩器的发展 液力变矩器是通过工作轮叶片间的相互作用，引起机械能与液体能的相互转 换来传递动力，通过液体动量矩的变化来改变转矩的传动元件，具有无级连续改 2 江苏大学硕士学位论文 变转速与转矩的能力，对外负载具有良好的自动调节和适应性。 1 9 世纪末2 0 世纪初，有人提出用水泵与水轮机相连来传递动力。德国人费 丁格尔首先将水泵轮和水轮机叶轮合装于一个壳体内，取消管路连接，成为液力 变矩器的雏形，首先应用于海轮，最高效率8 5 9 6 。为了进一步提高效率，在液力 变矩器中取消导轮，形成液力耦合器，最高效率达到9 7 - 9 8 ，但不能像液力 变矩器那样改变转矩。经过1 0 0 多年的发展，随着液力传动技术的不断提高，应 用领域也在不断扩大，从最初的船舶工业，扩展到汽车、机车、工程机械、石油 钻机、机床、冶金、电力等多个领域。在我国，1 9 世纪5 0 年代，液力传动首先 应用于红旗轿车和内燃机车；6 0 年代，广泛应用于工程机械；7 0 年代，发展应 用于多种行业、多种机械，先由仿制逐渐走向自行研究、自行设计、自行制造， 建立多家生产专业厂【3 】。 图1 5 典型液力变矩器结构简图 f i g 1 5s t r u c t u r a ld i a g r a mo fat y p i c a lt o r q u ec o n v e r t e r 卜输入轴2 一闭锁离合器3 一单向离合器4 一输出轴 图1 5 为典型液力变矩器结构简图，主要由三个具有弯曲叶片的工作轮组 成，即泵轮( b ) 、涡轮( t ) 及导轮( d ) 。泵轮一般与变矩器壳体连接在一起， 用螺栓固定在发动机曲轴连接盘上，涡轮经输出轴输出动力。 3 液力变矩器闭锁离合器特性研究 图1 6 典型液力变矩器内部结构 f i g 1 6t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft y p i c a lt o r q u ec o n v e r t e r 液力变矩器正常工作时，储存于环形内腔中的工作油，除有绕液力变矩器轴 的圆周运动外，还有在循环圆中的循环流动，在液体的循环流动过程中，导轮给 涡轮一个反作用力矩，从而使涡轮输出力矩不同于泵轮输入力矩，起到“变矩 的功能。发动机运转时，带动液力变矩器的壳体和泵轮一同旋转，泵轮内的工作 油在离心力的作用下，由泵轮叶片外缘冲向涡轮，并沿涡轮叶片流向导轮，再经 导轮叶片流回泵轮叶片内缘，形成循环的工作油。导轮的作用是改变涡轮上的输 出力矩，由于从涡轮叶片下缘流向导轮的工作油仍有相当大的冲击力，只要将泵 轮、涡轮和导轮的叶片设计成一定形状和角度，就可以利用上述的冲击力来提高 涡轮的输出力矩f 4 】。 由于不同车辆对液力变矩器有不同的性能要求，其结构也多种多样，按照结 构和性能不同，可以分为以下几类【5 l ： ( 1 ) 按工作轮在循环圆中的排列顺序分为j 下转液力变矩器和反转液力变矩 器。正转液力变矩器排列顺序为b ( 泵轮) t ( 涡轮) d ( 导轮) ，涡轮的旋转方 向一般和泵轮的旋转方向相同。反转液力变矩器排列顺序为b ( 泵轮) d ( 导轮) t ( 涡轮) ，泵轮和涡轮的旋转方向相反。目前在各种车辆上广泛应用的是正转液 力变矩器。 ( 2 ) 按液力变矩器中各工作轮的组合和工作状态不同，可分为单相、两相 和多相。 ( 3 ) 按液力变矩器中泵轮数目不同，可分为单泵轮和双泵轮。 ( 4 ) 按液力变矩器中涡轮数目和涡轮叶栅的列数，可分为单级、双级、三 4 江苏大学硕士学位论文 级和多级。 ( 5 ) 按液力变矩器中涡轮的形式不同，可分为轴流式、离心式和向心式涡 轮液力变矩器。 ( 6 ) 按液力变矩器的泵轮和涡轮能否闭锁成一体，可分为闭锁式和非闭锁 式液力变矩器。 液力变矩器的主要优点是： ( 1 ) 防振隔振作用。能降低传动系的动载荷，使车辆起步平稳，吸收衰减 振动冲击，延长传动系使用寿命。 ( 2 ) 自动适应性。自动变矩，适应外界阻力的变化。 ( 3 ) 限矩保护功能。防止发动机因过载而突然熄火。 ( 4 ) 良好的起动和加速性能。车辆在软路面上起动和加速时，车轮下陷量 比机械传动小约2 5 ，滑转小，附着储备大，能以稳定牵引力和任意低的车速行 驶。 1 1 3 闭锁离合器的应用 液力变矩器的性能优越，但最大的缺陷就是效率较低，增加油耗和排放污染， 为了解决这一问题，采用了闭锁装置( l u ) ，它是指在液力变矩器泵轮与涡轮之 间安装一个可控制的离合器，当车辆的行驶工况达到设定目标时，通过控制元件 控制离合器将泵轮与涡轮闭锁成一体，液力变矩器的传动方式由液力传动变为刚 性的机械传动。这一做法可大大提高车辆在高速比情况下的传递效率，功率利用 好，绝大多数自动变速车辆上的液力变矩器都是可闭锁式的。带闭锁离合器的液 力变矩器主要优点有： ( 1 ) 提高了传动效率 ( 2 ) 闭锁后功率利用好，提高了车辆的动力性 ( 3 ) 液力变矩器转为热散失的无效功降低 目前使用的闭锁型液力变矩器有三种类型：液压闭锁型液力变矩器、离心闭 锁型液力变矩器和粘性闭锁型液力变矩器。其中液压闭锁型应用最为广泛。 液压闭锁型液力变矩器是利用自动变速器液压系统中的油液压力来使闭锁 离合器接合，从而将泵轮和涡轮闭锁在一起，提高传动效率。早期的闭锁离合器 5 液力变矩器闭锁离合器特性研究 动作完全由一个滑动柱塞阀所提供的油压来控制；其后，某些设计采用简单的电 气开关和一个闭锁离合器电磁线圈来控制加在闭锁离合器上的油压。目前基本上 都是使用一个电子控制系统来控制液力变矩器闭锁离合器电磁线圈的通断电。 离心闭锁型液力变矩器的主要部件是一个离合器盘，通过一个单向离合器与 液力变矩器的涡轮花键相连，离合器盘外侧装有若干离心蹄块，蹄块外侧衬有摩 擦材料。不工作时，蹄块由回位弹簧拉紧在离合器盘的外侧。当车辆的行驶速度 升高到一定程度时，作用在离心蹄块上的离心力将使其向外张开，蹄块上的摩擦 材料与变矩器盖的内圆表面接触，使涡轮与泵轮闭锁【6 】。 闭锁离合器早在1 9 5 3 年就已申请专利，但由于当时油价较低，直到1 9 6 7 年 能源危机以后，才逐渐引起人们的重视。闭锁离合器闭锁后，传动方式变为刚性 机械传动，降低了乘坐舒适性，因此，早期只适用于公共汽车、载货汽车。1 9 7 8 年，克莱斯勒公司在轿车上首次成功开发了闭锁离合器，可节油约4 一6 。现在 各种轿车上的液力变矩器均已推广应用，不仅闭锁范围扩大，有滑差控制的闭锁 离合器也在兴起川。 1 2 液力变矩器闭锁离合器研究现状与发展趋势 1 2 1 国外研究现状 在国外，b m w 、t o y o t a 、h o n d a 等汽车公司和一些汽车零部件总成公司都在 进行闭锁离合器方面的试验研究。t o y o t a 公司开发了液力变矩器闭锁离合器滑 摩控制系统，可以极大地改善液力变矩器的效率，并且成功地应用在a 5 4 1 e 型自 动变速器驱动桥上。德国z f 公司认为液力变矩器闭锁离合器滑摩控制系统是现 代汽车变速器中不可缺少的部件，并在其生产的变速器中应用了闭锁离合器滑摩 控制系统【8 】。 国外对离合器的热负荷研究较为深入，并得到复杂的模型，大多数对离合器 温度场的研究都是将离合器当作制动器来进行分析研究。d a p a c e y 通过试验得 出了离合器在不同接合速度、接合压力下的摩擦片温度变化规律，并给出简单的 热传导模型【9 1 。z a g r o d z k i 利用有限元法对湿式离合器的温度分布进行了研究， 利用有限差分法对对偶钢片的热应力进行数值计算【1 0 】。美国的a l l i s o n 公司、 6 江苏大学硕士学位论文 j o h nd e a r 公司等均有各自针对不同部件的热分析计算方法和计算机程序，其研 制出的产品均有热平衡方面的指标，其车辆及元件的热负荷、散热和发热研究已 经达到一个很高的水平。 离合器抖动现象主要是由于摩擦系数负斜率变化引起的，但由于其它的影响 因素也较多，机理复杂，至今尚未对离合器抖动现象形成一个清楚的解释。目前 的研究一是主要集中在对抖动现象的描述和试验上；二是采用有限元等仿真分析 软件进行分析。日本学者k a n i 等通过试验发现摩擦系数随速度的变化对离合器 的抖动有很重要的影响，当曲线负斜率变化时，容易发生抖动现象【1 1 1 。美国的 p u r d u e 大学的e j b e r g e r 等利用多自由度系统分析的方法研究了摩擦引起的抖 动现射1 2 1 。英国的d c e n t e a 等利用多体动力学对离合器的扭转振动进行了深入 研究，发现摩擦系数的负斜率变化会引起抖动，并且负斜率的绝对值越大，抖动 现象越明显【1 3 1 。 1 2 2 国内研究现状 在国内，北京理工大学、重庆大学、吉林大学等国内一些高校也对闭锁离合 器进行了一些相应的研究。北京理工大学的郑慕侨、项昌乐、马彪等对闭锁离合 器和换挡离合器进行了深入研究，对闭锁离合器的动态特性、闭锁控制技术及闭 锁点的选取进行了研翘1 4 】【1 5 1 。重庆大学的秦大同进行了滑摩控制方面的研究，对 于闭锁离合器的闭锁控制规律、滑摩控制的摩擦材料、a t f 进行了分析研究【1 6 1 。 吉林大学液力传动研究所的葛安林对车辆自动变速理论进行了深入的分析研究， 并对液力式自动变速器进行了分析设训1 1 。 国内主要是从对摩擦片制动试验的角度进行研究，建立简单的模型，给出一 些定性的结论。孙华琴等通过摩擦离合器的接合过程分析，建立摩擦片接合过程 中的一维传热物理模型，建立温度场的微分方程，利用拉氏变化法求解，得到摩 擦片温度场的解析解【1 7 1 。林腾蛟等对湿式换挡离合器的温度场进行了数值仿真， 得到一些有益的结论【1 8 】。张云龙等通过建立湿式多片制动器对偶钢片非稳态温度 场模型，推导出微分方程及差分方程，采用c r a n k n i c o l s o n 差分格式和 g a u s s s e i d e l 迭代方法计算对偶钢片温度场沿径向和厚度方向的分布【1 9 】。王营 从制动过程能量转换机理出发，建立制动器热流密度分配模型，提出摩擦片表面 7 液力变矩器闭锁离合器特性研究 温度与材料的导热性能及压力的关系 2 0 l 。 国内目前对汽车离合器摩擦振动方面的研究还不多，机械科学院的李本海对 表面形貌对纸基湿式摩擦离合器摩擦特性的影响及机理进行了深入分析【2 l 】。 1 2 3 液力变矩器闭锁离合器滑摩控制 当液力变矩器闭锁离合器闭锁后，有效地减少了液力变矩器的能量损失，但 同时也失去了液力传动的优点。发动机燃油燃烧时产生的转矩波动引起的冲击和 振动直接传递到传动系，造成车辆振动和噪声的增大，降低成员的舒适性、车辆 的操纵性和传动系寿命。为了减少直接传动的转矩波动，加装扭转减振器，但效 果不好，尤其是低速时吸收振动不充分，且使变矩器的断面形状( 可改善变矩器 性能) 无法改进。所以在最初采用闭锁离合器时，其闭锁区域仅限于高车速和低 油门开度的很狭窄的区域。9 0 年代后，随着电子控制技术的发展，世界各著名 汽车公司都采用滑摩控制技术来解决这一问题。滑摩控制是通过改变闭锁离合器 摩擦片上的压紧油压来实现的，通过控制闭锁离合器摩擦片的压紧力大小来实现 闭锁离合器微小滑摩的精确控制。当闭锁离合器存在微小滑摩时，一部分动力经 闭锁离合器机械传动，另一部分经液力传动。由于液力传动与机械传动联合作用， 使滑摩传动情况下的传动效率比纯液力传动高，又减小了对传动系的冲击和振 动，解决了燃油经济性和驾驶平顺性的矛盾【8 l 。 图1 7 具有滑摩控制功能液力变矩器车辆传动系模型 f i g 1 7t h em o d e lo ft o r q u ec o n v e r t e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m 为了精确控制闭锁离合器的闭锁油压，目前都采用电子控制。图1 7 为具有 滑摩控制功能液力变矩器车辆传动系模型，传统的闭锁离合器只有在车速较高 时，发动机转矩波动才不那么明显。而采用滑摩控制技术，使闭锁区域扩大，甚 至在低车速区也没出现波动，比较平稳。滑摩控制的关键技术是要确定合适的目 标滑摩率。目标滑摩率是通过试验和理论分析来确定，各种情况下的目标滑摩率 存储在内存中，通过传感器测得泵轮和涡轮转速，传递给控制器，算出实际滑摩 8 江苏大学硕士学位论文 率，然后与目标滑摩率比较，输出电信号驱动电液系统控制闭锁油压，如图1 8 为滑摩控制电控系统图。 发动机转速 涡轮转速 油门开度 油温 车速 输入 界面 计算目标 滑摩转速 计算滑 摩转速 反 馈 控 制 器 电 流 发 生 器 变矩器 离合器 闭锁控 制阀 线性电 磁阀 图1 8 滑摩控制电控系统图 f i g 1 8t h ed c c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo fs l i d i n gf r i c t i o nc o n t r o ls y s t e m 1 2 4 液力变矩器闭锁离合器发展趋势 由于闭锁离合器闭锁后，影响车辆的乘坐舒适性和传动系的寿命，目前几乎 世界各著名汽车公司都采用闭锁离合器滑摩控制技术。 滑摩控制通过改变闭锁离合器摩擦片的闭锁油压来实现，通过控制闭锁离合 器摩擦片的压紧力大小控制离合器的滑摩量。滑摩控制技术对于减少车辆燃油消 耗来说是一项很有效的技术，经过多年的研究，其目标主要集中在： ( 1 ) 获得较好的燃油经济性 ( 2 ) 获得优越的操纵性能 ( 3 ) 获得高度的可靠性 目前，闭锁离合器发展的趋势主要在以下几个方面： 首先，通过适应性控制和模糊控制技术，精确控制闭锁油压，进而扩大闭锁 离合器的闭锁范围。 其次，对液力变矩器闭锁离合器的闭锁过程进行分析研究。闭锁离合器在应 用过程中的闭锁动态特性对整个传动系统有很大影响，在闭锁过程中，产生的滑 摩功以热量的形式散发出去，闭锁压盘与摩擦片温度不断升高，影响到闭锁品质。 闭锁过程中压盘的抖动也影响到整个传动系的平顺性，所以对闭锁离合器闭锁过 9 液力变矩器闭锁离合器特性研究 程进行分析研究，提高闭锁品质成为研究重点。 1 3 本文主要研究内容 通过对液力变矩器闭锁离合器工作原理及其闭锁过程进行研究，建立闭锁过 程动力学模型，并对其闭锁过程进行仿真分析，得出各主要因素对闭锁离合器闭 锁过程动态性能的影响，以实现提高液力变矩器传动效率，改善车辆燃油经济性 的目的。并在此基础上，运用有限元单元法，对闭锁离合器摩擦片进行温度场分 析，得出不同闭锁条件和材料下，摩擦片的温度分布。建立闭锁离合器闭锁过程 扭转振动分析模型，分析不同传动系参数对闭锁离合器从动盘抖动的影响。 ( 1 ) 闭锁离合器闭锁过程仿真分析。利用m a t l a b s i 哪li n k 建立闭锁离合器 闭锁过程仿真模型，对不同摩擦片材料、充油特性下的主从动端转速变化情况、 滑摩功、滑摩功率等进行仿真，并进行对比分析。 ( 2 ) 闭锁离合器摩擦片热负荷分析。使用闭锁过程的仿真结果，结合传热 学相关知识，运用有限单元法，对闭锁离合器摩擦片进行瞬态温度场分析，得出 不同材料和闭锁条件下的温度场分布，并对其分布情况进行分析。 ( 3 ) 闭锁离合器闭锁过程抖动分析。通过液力变矩器闭锁离合器闭锁过程 的扭转振动模型，分析不同传动系参数对闭锁离合器从动盘抖动的影响。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章闭锁离合器的结构及特性分析 2 1闭锁离合器结构分析 闭锁离合器是通过离合器摩擦传动直接把泵轮和涡轮相连，不通过液力传 动，变为直接机械传动。目前，液力变矩器的种类和样式多种多样，闭锁离合器 的结构也都不尽相同，但就闭锁离合器的结构形式来说主要分为两种：内置式( 置 于液力变矩器壳体内部) 和外置式( 置于液力变矩器壳体外部) 。图2 1 为典型 液力变矩器闭锁离合器结构，为内置式结构。 图2 1 典型液力变矩器闭锁离合器结构图 f i g 2 1at y p i c a lt o r q u ec o n v e r t e rl o c k - u pc l u t c hs t r u c t u r e 卜飞轮连接件2 一泵轮罩3 一闭锁离合器从动片( 闭锁活塞) 4 一涡轮5 一泵轮6 一导轮7 一变速 器输入轴 闭锁离合器利用自动变速器液压系统中的油压产生闭锁，从而将液力变矩器 泵轮和涡轮闭锁在一起。闭锁离合器的闭锁活塞前端有一环状摩擦材料，在与涡 轮花键相连的活塞毂与活塞板之间设有扭转减振器。泵轮与泵轮罩焊接在一起， 与发动机相连，涡轮与输出轴相连，导轮通过单向离合器支撑在壳体上 5 2 2 1 。 液力变矩器闭锁离合器特性研究 劬w 图2 2 闭锁离合器工作原理 f i g 2 。2t h ep r i n c i p l eo fl o c k - u pc l u t c h 1 一闭锁活塞2 一涡轮3 一泵轮罩4 一导轮5 一泵轮6 一变矩器输出轴a 一变矩器出油道b 、c 一闭锁 离合器控制油道 闭锁离合器通过控制系统调节闭锁活塞两侧腔体内的油压实现闭锁与分离。 当达到闭锁条件时，液压油从油道c 进入变矩器，这时油道b 与泄油口相通，使 闭锁活塞左侧油压下降，由于右侧油压仍为变矩器油压，从而使闭锁活塞在左右 压差的作用下压紧在泵轮罩上，进行滑摩，利用两表面问的摩擦材料所提供的摩 擦力将泵轮和涡轮闭锁在一起。当需要解锁时，液压油从油道b 进入变矩器，闭 锁活塞两侧的油压保持相等，使闭锁离合器分离，动力完全通过液压油传递至涡 轮，变矩器按正常工作进行。 2 2 闭锁离合器工作过程分析 2 2 1 闭锁过程分析 闭锁离合器的工作可以分为完全分离、滑摩、完全闭锁三个状态。滑摩状态 是一个过渡状态，通过摩擦力矩的逐渐增大或者减小来实现闭锁离合器的完全闭 锁和完全分离状态的切换。图2 3 给出了闭锁离合器闭锁过程的示意图，图中p 是作用在闭锁离合器闭锁活塞上的接触压力( 面压) ，乃，为闭锁离合器传递的转 矩，a 甜为闭锁离合器泵轮与涡轮间的转速差。闭锁离合器闭锁过程大致可以分 为三个阶段： 江苏大学硕士学位论文 t o ht 阶段一阶段= 阶段三 图2 3 闭锁离合器接合过程示意图 f i g 2 3t h el o c k u pp r o c e s so fl o c k - u pc l u t c h 阶段一，闭锁离合器接合腔快速充油，推动闭锁活塞移动，消除闭锁活塞与 泵轮罩之间的间隙。此阶段面压p 很小，几乎无转矩传递。 阶段二，闭锁离合器的滑摩阶段。随着面压p 的增大，离合器传