第4期2021年4月
机械设计与制造
M achinery Design&M anufacture179
不同因素对汽车传动离合器接合过程影响分析
李盛福
(广西工业职业技术学院汽车工程系,广西贵港537100)
摘要:离合器是汽车传动系统的重要组成部分,其接合过程直接影响到车辆起步性能和动力传递,并影响系统各单元 的使用寿命。针对离合器接合过程的特点,对滑摩状态和接合状态进行动力学分析,建立系统的动力学模型;从滑摩功和 冲击度两个方面对离合器接合过程进行评价,获取影响换挡品质的评价指标因素;根据动力模型和数学模型,基于 Sim ulink建立离合器接合过程的分析模型;研究不同坡度及载重等因素对离合器接合过程中摩擦片的角速度、滑摩功及 冲击度的影响,获取各因素的影响规律。结果可知:随着油门开度和油门变化率的逐渐增大,离合器接合角速度和接合时 间都有所增大,接合过程产生的滑摩功也不断增多;随着起步坡度、栽重的增大,离合器接合角速度逐渐减小,接合时间 逐渐增大,接合过程产生的滑摩功也不断增多;分析过程和结果为此类设计提供参考。
关键词:车辆;离合器;接合过程;滑摩状态;动力模型;评价指标
中图分类号:T H16; U463.211 文献标识码:A 文章编号:1001 -3997(2021 )04-0179-05
Influence Analysis of Different Factors on the Engagement
Processof Automobile Transmission Clutch
LI Sheng-fu
(Departm ent of Automotive Engineering, Guangxi Vocational and Technical College of Industry, Guangxi Guigang 537100, China)
Abstract :77ie clutch is an important part of the automotive transmission system.The engagement process of the clutch directly effects the starting performance and power transmission of the vehicle,and affects the service life of each unit.According to the characteristics of the clutch engagement process,the slipping state and the engagement state were analyzed,to establish a dynamic model of the system.The clutch engagement process was evaluated from the aspects o f slippery power and impact degree^and the evaluation index factors effecting the shift quality were obtained.According to the dynamic model and mathematical model,based on Simulink,the analytical m
odel of the clutch engagement process was established.The effects of different gradients and loads on the friction plate angular velocity,friction work,and impact during the clutch engagement process were analyzed,and the influence of each factor was obtained.The results show that:with the gradual increase o f the throttle opening and the rate o f change of the throttle,the clutch engagement angular velocity and engagement time have increased,and the friction and friction work generated during the engagement process has also increased.As the starting gradient and load increase,the clutch engagement angular velocity gradually decreases,and the engagement time gradually increases,so the friction and friction work generated by the engagement process also increases continuously.The analysis process and results provide a reference for such designs.
Key Words: Automobile;Clutch;Engagement Process;Friction State;Dynamic Model;Evaluation Index
l引言
机械传动车辆的动力传递换挡的过程,伴随着离合器的不 断接合和分离,此过程的快慢直接影响到系统动力传递的稳定性 和相关零部件的使用寿命同时,离合器的接合过程也受到车辆 载荷环境的影响,如车辆坡度、载重条件等。保证离合器平稳高效快捷的实现接合,同时整个过程中能量消耗较少,是平稳
高效换挡过程所要达到的。因此,对离合器的接合过程进行分析,获取不 同因素对其影响规律,可有效解决设计过程中的相关问题,具有 重要应用价值。
学者对此进行一定研究:文献•对离合器过渡过程的平稳
来稿日期:2021-06-20
基金项目:广西职业教育教学改革研究项目(GXGZJG2016A092)
作者简介:李盛福,(1981 -),男,广西北海人,研究生班,副教授,主要研究方向:机械工程及车辆工程
180李盛福:不同因素对汽车传动离合器接合过程影响分析第4期
性和接合元件热负荷进行分析,以此作为指标开展换挡品质评 价;文献|3基于A M E S i m建立整个传动系统的动态模拟仿真模型,分析换档过程的影响因素及规律;文献w,通过识别汽车行驶环境 和驾驶员意图,对控制参数进行自动调整,实现差异化的换档控 制;文献立了基于系统控制和人机交换的换挡模型,提升控制 模型分析的精准度。
针对离合器接合过程的特点,对滑摩状态和接合状态进行分析,建立系统的动力学模型;从滑摩功和冲
击度两个方面对离 合器接合过程进行评价,获取影响换挡品质评价指标的因素;根 据动力模型和数学模型,基于Simulink建立离合器接合过程的分 析模型;研究不同坡度及载重对接合过程评价指标的影响,获取 各因素的影响规律,为设计分析提供参考。
2离合器接合过程分析及建模
车辆起步时离合器接合分三个过程:一是主从动片完全分 离状态,此时离合器不传递扭矩;二是主从动片滑摩状态,此时离 合器主从动片有转速差,以动摩擦的形式传递扭矩;三是主从动 片完全接合状态,此时离合器主从动片转速相同,以静摩擦的形 式传递扭矩^61。
2.1离合器接合过程动力学模型
车辆传动系统中包含多个环节,为了对离合器进行更好地 分析,需要将传动过程进行一定的简化17•。其简化后的动力学模 型,如图1所示。
图1离合器滑摩状态模型
Fig.l Model of Clutch Slipping State
可建立如下模型:
输人轴:
(1)
输出轴:
1-^-=T-T
Jv dt c m(2)
完全接合状态,如图2所示可建立如下模型:
W—W f=W c(3)
U r+l)f=T-Tm(4)
Je Jv
图2离合器完全接合状态模型
Fig.2 Clutch Fully Engaged State Model 2.2离合器接合过程评价指标
离合器的接合过程需要保证平稳、快捷及高效,因此要求整 个过程冲击小、耗能低,实现二者的平稳协调。因此,离合器最优 控制就是以在合理的冲击度下使滑摩功最小,车辆的换挡品质就 可从冲击度和滑摩功两个方面来评价。
2.2.1冲击度
车辆冲击度定义为y,它可以用车辆的加速度变化率来表示,这样可以把其他因素,如路状况、车速大小等因素排除在外。其表达式为:
■d\_i…i〇^RcsnT dP…
/~ S M r d,
对于某一具体车而言,其中自动变速器传动比L液力变矩 器转速比i〇、摩擦片间摩擦因数M、摩擦副个数2、摩擦片有效作
用半径艮、s、动力传递系统效率&、摩擦片与从动片的初始间隙 s、转矩A/、轮胎半径r都是定值,故冲击度y只会随离合器工作压 力变化变化而改变,要实现对离合器冲击度的控制,只需对离合 器工作油压进行控制
2.2.2滑摩功
滑摩功是由于离合器的主动从片有转速差,导致摩擦产生 的大量热。它反映了离合器接合过程中机械能转化为热量的多 少,滑摩功越大表明产生的热量也就越多,摩擦片的温升也就越 厉害,摩擦片的受损也就越严重离合器的滑摩功主要产生于起步阶段、滑摩阶段、趋于同步阶段。其表达式为:
W=I Tc((〇r-〇)c )d l(6)
式中离合器接合时间;
7;—接合力矩;
(air-〇)c)一主从动片角速度差。
分析上式可知,可合理控制离合器接合时间、接合力矩(与 工作油压有关)、主从动片转速差来控制滑摩功的大小。
2.3基于Simulink离合器动力学建模
基于Simulink建立离合器系统的分析模型,如图3所7K。
图3离合器系统Sim ulink模型
Fig.3 Simulink Model of the Clutch System
图中模型包含有发动机模块、滑摩状态模块、同步状态模 块、逻辑判断模块、油压模块、离合器扭矩计算模块、冲击度模块、滑摩功模块等。
3各因素对离合器接合过程的影响
3.1起步坡度的影响
在矿用车使用的环境中上下坡是常见的工况,
因此对车辆
0.5
1
1.5
2    2.5
3
3.5
4
4.5
5
时间/s
(b )5°坡度起步
1.5
2
2.5    3
3.5    4
4.5 5
时间/s
(a )平地起步
0.5
1
1.5
2    2.5
3汽车离合器
3.5
4
4.5
5
时间/s
(c )10°坡度起步
图4起步对摩擦片角速度影响 Fig.4 Influence of Starting on the Friction Plate Angular Velocity
对比图4可以看出,相同的起步意图下,随着坡度的增加, 离合器的接合角速度由lOOrad/s— 8〇rad/S—6〇rad/s 逐渐减小, 而接合时间由2.8S—3s—3.2s 逐渐增大,若继续增加,则离合器 的角速度将达不到最低转速,使发动机熄火,导致车辆不能正常 起步。
0.5
0 0.5 1    1.5    2
2.5
3    3.5
4    4.
5 5
时间/s
(c)l 〇°坡度起步
图5不同坡度对滑摩功影响
Fig.5 Influence of Different Slopes on Sliding Friction Work
3.1.3不同坡度对冲击度影响
平地、5°和10°坡度下起步所对应的摩擦片冲击度曲线图, 如图6所示。由三图对比可以看出:整个接合过程中,从动片角速 度从0逐渐增加,最后与主动片完全一致,这个过程中,冲击度先 从0迅速增加,后又降低至0,整个过程波动较大;随着坡度的增 加,从动片接合过程开始的时间逐渐增加;而整个过程的冲击度 都小于lOm/s3,满足国际标准的要求。
0.5
0 0.5 1    1.5    2    2.5    3    3.5    4    4.5 5
时间/s
(b)5°JK 度起步
xlO5
160
200
0 0.5
(a )平地起步
xlO5
在不同的坡度下起步的研究就显得非常重要。现取坡度为〇。、5。 和10°来研究正常起步情况下不同坡度起步对离合器接合过程 的影响。
3.1.1对摩擦片角速度影响
平地、5°和10°坡度下起步所对应的摩擦片角速度曲线图, 如图4所示。
3丄2不同坡度对滑摩功影响
平地、5°和10°坡度下起步所对应的摩擦片滑摩功曲线图, 如图5所示。对比图5可以看出,相同的起步意图下,随着坡度的 增加,整个接合过程中,滑摩功呈现出逐渐增大的趋势。
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No.4
Apr .2021
机械设计与制造
181
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(a )空载起步滑摩功
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时间/s
(b )满载起步滑摩功 图8不同载重对滑摩功影响
Fig.8 Effect of Different Load on Sliding Friction Work
图7对摩擦片角速度影响
Fig.7 Effect on Angular Velocity of Friction Plate
3.2起步载重的影响3.2.1对摩擦片角速度影响
矿用车辆空载和满载情况下起步时离合器摩擦片所对应的
角速度曲线图,如图7所示。对比二者可以看出当车辆载重增加 时,离合器接合时间增加,而最终接合的角速度则逐渐减小。这是 因为当车重增加时,离合器从动轴的等效转动惯量会增加,从动 片的角速度变化率就会变小,接合时间就会变长,最终接合速度 也会变小。这与重载起步时,反应时间比轻载起
步时的反应时间 长是相一致的。
3.2.2不同载重对滑摩功影响
矿用车辆空载及满载情况下起步时离合器摩擦片所对应的 滑摩功曲线图,如图8所示。
时间/s (a )平地起步
1
2
3
4
5
时间/s
(b )5°坡度起步
时间/s
(c)10°坡度起步 图6不同坡度对冲击度影响
Fig.6 Impact of Different Slopes on Impact
182机械设计与制造
No .4Apr .2021
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时间/s
(b )满载起步冲击度
图9不同载重对冲击度影响
Fig.9 Impact of Different Load on Impact
对比两图可以看出:整个接合过程中,从动片角速度从o 逐 渐增加,最后与主动片完全一致,这个过程
中,冲击度先从〇迅速 增加,后又降低至0,整个过程波动较大;随着载重的增加,从动 片接合过程开始的时间未发生明显变化,而冲击度的最大值则有 所增大,但都小于国际标准lOm/s3的要求。
4结论
根据离合器接合状态的不同建立动力学模型,从滑摩功 和冲击度两个方面对离合器接合过程进行评价,根据其表达式 得到影响换挡品质评价指标的因素;基于S im u lin k 建立离合器 接合过程模型;研究不同起步坡度及载重的影响,由分析结果 可知:
(1)
随着油门开度和油门变化率的逐渐增大,离合器接合角 速度和接合时间都有所增大,接合过程产生的滑摩功也不断增 多;
(2)
随着起步坡度的增大,离合器接合角速度逐渐减小,接 合时间逐渐增大,接合过程产生的滑摩功也不断增多;
时间/s
(a )空载起步冲击度
10
由图中可以看出随着车重的增大,滑摩功也会不断增加,根 据车辆承载受力平衡,则阻力也较大,整个过程中,离合器传递扭 矩较大,导致整个过程中的接合时间和滑摩功也都有所增加。
3.2.3不同栽重对冲击度影响
矿用车辆空载及满载下起步时离合器摩擦片所对应的冲击 度曲线图,如图9所示。
10
I
|
I
I
(3)随着起步载重的增大,离合器接合角速度逐渐减小,接 合时间逐渐增大,接合过程产生的滑摩功也不断增多。
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