無級變速器濕式離合器動態(tài)摩擦系數(shù)對轉(zhuǎn)矩傳遞影響的研究

張飛鐵 周云山 蔡源春 薛殿倫

湖南大學(xué)，長沙，410082

0 引言

從整車傳動系統(tǒng)來看，發(fā)動機(jī)、液力變矩器、濕式離合器都會影響無級變速器汽車的起步性能，發(fā)動機(jī)油門開度由駕駛員控制，駕駛員起步意圖是不確定的，即起步時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩是不確定的，液力變矩器傳遞的力矩隨渦輪與泵輪的速比變化而變化，這也直接影響到濕式離合器主動片的力矩大小，通過控制濕式離合器的壓力及壓力變化率，才能使離合器從動片端的轉(zhuǎn)矩滿足汽車起步的性能要求。這三者中間，濕式離合器的轉(zhuǎn)矩傳遞特性最難把握，因此，研究濕式離合器的起步特性及其影響因素是很有必要的。

國內(nèi)外對濕式摩擦片起步特性開展了廣泛的研究，Crowther等［1］使用四自由度轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)進(jìn)行離合器和傳動系模擬，在描述系統(tǒng)及提供其動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，分析、演示了線性系統(tǒng)和摩擦特性的系統(tǒng)穩(wěn)定性和沖擊性。Murakami等［2］用RH摩擦測量儀器（JASOM349－98）測量摩擦速度特性，并比較了使用不同變速器油和新舊摩擦片的摩擦速度特性。張金樂等［3］通過建立濕式換擋離合器摩擦副三維有限元模型，分析了摩擦副相對轉(zhuǎn)速差、對偶鋼片厚度和工作油壓對于對偶鋼片溫度場和應(yīng)力場分布的影響。Huron［4］經(jīng)過SAE No.2離合器數(shù)值模擬試驗，得出了系統(tǒng)振動是由穩(wěn)定的輸入激勵導(dǎo)致的結(jié)論。Centea等［5－6］通過研究手動變速器干式離合器的接合沖擊發(fā)現(xiàn)：穩(wěn)態(tài)時，負(fù)的摩擦系數(shù)之比會導(dǎo)致離合器沖擊，正的摩擦系數(shù)之比會帶來較好的平順性，但在快速接合中也會導(dǎo)致離合器沖擊。Berger等［7］在合理的精度下模擬濕式離合器接合試驗，包括液力潤滑、邊界潤滑和全機(jī)械連接。Ost等［8］使用具有9個摩擦片的離合器進(jìn)行SAE No.2試驗，研究了多摩擦片下的離合器磨損。通過測量試驗中的轉(zhuǎn)矩振動，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩振動是由離合器沖擊或滑摩導(dǎo)致的。

本文將發(fā)動機(jī)、液力變矩器和濕式離合器三者相結(jié)合進(jìn)行傳動系統(tǒng)分析。試驗發(fā)現(xiàn)，在離合器的接合過程中，離合器片的摩擦系數(shù)是變化的，而這一變化會直接影響到離合器的接合品質(zhì)。為了求解無極變速器（continuously variable transmissions，CVT）傳動系統(tǒng)中離合器片的動態(tài)摩擦系數(shù)對傳遞轉(zhuǎn)矩特性的影響，本文分析了傳動系統(tǒng)中力矩傳遞的關(guān)系，建立了發(fā)動機(jī)、液力變矩器與濕式離合器機(jī)械傳動的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，從理論的角度闡明了動態(tài)摩擦系數(shù)對轉(zhuǎn)矩傳遞特性的影響。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

本文研究的濕式離合器載體是某公司針對A級車自主開發(fā)的一款金屬帶式無級自動變速器。它由發(fā)動機(jī)、液力變矩器、濕式離合器、主動帶輪、金屬帶、從動帶輪、主減速齒輪、差速器等主要部分組成。其CVT的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。其機(jī)械結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示，發(fā)動機(jī)的動力經(jīng)CVT的輸入軸傳遞給液力變矩器的泵輪，經(jīng)過液力變矩器，動力傳輸至濕式離合器，當(dāng)離合器接合完成后，動力經(jīng)由帶輪、金屬帶、主減速齒輪、差速器、傳動軸，到達(dá)車輪。

表1 某CVT主要設(shè)計參數(shù)

圖1 CVT剖面圖

圖2 前進(jìn)擋濕式離合器剖面圖

CVT濕式離合器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中顯示的是前進(jìn)擋離合器。外摩擦片也稱為壓板，通常所說的摩擦片也稱內(nèi)摩擦片。前進(jìn)擋離合器由油缸、活塞、緩沖碟簧、復(fù)位碟簧、太陽輪、卡簧、內(nèi)外摩擦片組成，核心部分是4對內(nèi)外摩擦片。整個離合器工作腔通過CVT箱密封，摩擦片的行程為2.3mm。它的工作過程如下：當(dāng)需要接合前進(jìn)擋離合器時，通過離合器閥控制的具有一定壓力的油液經(jīng)進(jìn)油口到達(dá)前進(jìn)擋離合器腔，油液推動活塞，克服復(fù)位碟簧的阻力，使內(nèi)外摩擦片互相接觸，動力經(jīng)油缸傳至太陽輪。當(dāng)需要脫開離合器時，離合器閥控制的油液壓力變?yōu)榱?，前進(jìn)擋離合器腔內(nèi)的油液壓力大于腔外的壓力，油液便會從出油口泄漏，此時內(nèi)外摩擦片脫開，動力中斷。倒擋離合器的結(jié)構(gòu)與前進(jìn)擋離合器的結(jié)構(gòu)相似，它由油缸、活塞、緩沖碟簧、復(fù)位碟簧、彈簧座、卡簧、內(nèi)齒圈、內(nèi)外摩擦片組成，核心部分是3對內(nèi)外摩擦片。整個離合器工作腔通過CVT箱密封，摩擦片的行程為2.5mm。它的工作過程如下：當(dāng)需要接合倒擋離合器時，通過離合器閥控制的具有一定壓力的油液經(jīng)進(jìn)油口到達(dá)倒擋離合器腔，油液推動活塞，克服復(fù)位彈簧的阻力，使內(nèi)外摩擦片互相接觸，鎖止行星輪系的內(nèi)齒圈。當(dāng)需要脫開離合器時，離合器閥控制的油液壓力變?yōu)榱悖箵蹼x合器腔內(nèi)的油液壓力大于腔外的壓力，油液便會從出油口泄漏，此時內(nèi)外摩擦片脫開，內(nèi)齒圈自由轉(zhuǎn)動。

為了傳遞高轉(zhuǎn)矩及保持較低的制造成本，內(nèi)摩擦片表面是紙基材料，外摩擦片采用的是鋼材，倒擋摩擦片外徑為148.5mm，內(nèi)徑為115mm，前進(jìn)擋外徑為120mm，內(nèi)徑為98.5mm，外摩擦片采用某冷軋鋼，液壓油為某品牌的CVT油。

2 濕式離合器傳動的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)離合器的機(jī)械結(jié)構(gòu)與接合過程，建立的CVT濕式離合器傳動數(shù)學(xué)模型為

式中，ψi為相對應(yīng)的慣性元件轉(zhuǎn)角值；Ci為相對應(yīng)的慣性元件阻尼系數(shù)；i為泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)速比；f（i）為液力變矩器的轉(zhuǎn)矩放大系數(shù)，是泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)速比i的函數(shù)；K1為飛輪與渦輪間的彈性系數(shù)；K2為泵輪與主動摩擦片之間的彈性系數(shù)；K3為從動片與整車間的彈性系數(shù)；Ji為旋轉(zhuǎn)慣量元件；Te為發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩；Tb為泵輪轉(zhuǎn)矩；Tw為渦輪轉(zhuǎn)矩；Tv為整車負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Tc為離合器的傳遞轉(zhuǎn)矩；Ji為慣量元件。

圖3所示模型由6個旋轉(zhuǎn)的慣量元件組成；第一個慣量元件J1代表發(fā)動機(jī)與飛輪；第二個慣量元件J2代表渦輪與飛輪剛性連接；第三個慣量元件J3代表泵輪；第四個慣量元件J4代表主動摩擦片；第五個慣量元件J5代表從動摩擦片；第六個慣量元件J6代表整車慣量。J4與J5之間是摩擦接觸。J5與J6是剛性連接。系統(tǒng)中的各參數(shù)值如表2所示。

圖3 濕式離合器式CVT傳動模型

表2 濕式離合器式CVT傳動模型參數(shù)表

當(dāng)離合器接合完成后，在主從動摩擦片不產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，且液力變矩器沒有接合時，濕式離合器式CVT傳動數(shù)學(xué)模型可分別表示為：

式中，ψ4/5為主從動摩擦片的轉(zhuǎn)動角度，表示整體的主從動摩擦片轉(zhuǎn)動角。

根據(jù)式（1）～式（7）對濕式離合器進(jìn)行靜態(tài)分析，假設(shè)加在離合器表面的壓力是常值，離合器上傳遞的轉(zhuǎn)矩可表示為

式中，ro為離合器外圓半徑；ri為離合器內(nèi)圓半徑。

為便于計算，摩擦系數(shù)可近似用一線性函數(shù)表示為

式中，μs0為滑轉(zhuǎn)速度為零時的摩擦系數(shù)；Ks為摩擦系數(shù)的斜率。

摩擦系數(shù)變化圖解如圖4所示。

圖4 摩擦系數(shù)變化圖

根據(jù)式（14）與式（16），Tc可表示為

由式（17）可知，Tc由兩部分組成，一部分是變量，隨主從摩擦片的滑轉(zhuǎn)速度變化而變化，另一部分是常量。

通過上述剖析，式（1）～式（7）描述的CVT傳動數(shù)學(xué)模型，可分別簡化成如下線性系統(tǒng)表達(dá)式：

把式（18）～式（21）寫成標(biāo)準(zhǔn)形式，則有

把式（22）變化成一階形式，則

式中，A為系統(tǒng)矩陣；04為4×4零矩陣；I D4為4×4單位矩陣。

3 仿真分析與試驗

根據(jù)前面的數(shù)學(xué)模型，為了說明不同摩擦斜率對傳遞力矩的影響，在MATLAB/Simulink環(huán)境中對濕式離合器機(jī)械模型進(jìn)行仿真。仿真工況是車輛怠速起步，初始條件為：

（1）發(fā)動機(jī)怠速狀態(tài)，怠速轉(zhuǎn)矩25N·m。

（2）車輛處于靜止。

（3）起步負(fù)載轉(zhuǎn)矩為180N·m。

（4）μs0值為0.13，摩擦系數(shù)根據(jù)式（16）進(jìn)行計算。

（5）離合器壓力范圍為0～0.85MPa，0.4s內(nèi)線性接合。

仿真結(jié)果如圖5～圖13所示，從圖5可以看出：當(dāng)假定的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變時，在整個接合過程中，主動摩擦片的轉(zhuǎn)速逐漸降低，而從動摩擦片的轉(zhuǎn)速逐漸升高，直至兩者轉(zhuǎn)速相等。

圖5 K s＝0.0001轉(zhuǎn)速圖

圖6 K s＝0.0001轉(zhuǎn)矩圖

圖7 K s＝0.0001渦輪轉(zhuǎn)矩圖

圖8 K s＝－0.0001轉(zhuǎn)速圖

圖9 K s＝－0.0001轉(zhuǎn)矩圖

圖10 K s＝－0.0001渦輪轉(zhuǎn)矩圖

圖11 K s＝0轉(zhuǎn)速圖

圖12 K s＝0轉(zhuǎn)矩圖

圖13 K s＝0渦輪轉(zhuǎn)矩圖

圖14 摩擦系數(shù)及溫度（25℃）對滑摩速度影響的測試

從仿真結(jié)果還可以看出：對于正斜率的摩擦系數(shù)，其傳遞的轉(zhuǎn)矩是收斂的，而對于負(fù)斜率的摩擦系數(shù)，其傳遞的轉(zhuǎn)矩是發(fā)散的。

另外，對具有單一負(fù)斜率或正斜率特性的摩擦系數(shù)，從式（14）可知，摩擦系數(shù)的大小只對離合器轉(zhuǎn)矩大小產(chǎn)生影響，并不改變離合器接合的沖擊特性，圖6、圖9和圖12已充分揭示這一特性。

為了驗證斜率特性對接合沖擊的影響，把具有正斜率摩擦系數(shù)的摩擦片進(jìn)行裝車，通過臺架試驗進(jìn)行摩擦片摩擦系數(shù)測試，其測試結(jié)果如圖14所示。把上述經(jīng)臺架試驗測試后的具有正斜率的摩擦片裝車后測試，離合器接合平順。因缺少測試沖擊度的設(shè)備，平順與否是通過駕駛員主觀感覺評價的，故在此不作詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析。

必須指出的是，離合器壓力的波動對離合器的轉(zhuǎn)矩傳遞有較大的影響，在仿真時會出現(xiàn)整個系統(tǒng)共振的現(xiàn)象，即渦輪、主動摩擦片和從動摩擦片一起出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動。

4 結(jié)束語

本文為動力傳動系統(tǒng)建立了以濕式離合器為核心的數(shù)學(xué)模型，通過分析，當(dāng)濕式離合器的摩擦系數(shù)為正斜率時，其傳遞的轉(zhuǎn)矩是收斂的，而對于負(fù)斜率的摩擦系數(shù)，其傳遞的轉(zhuǎn)矩是發(fā)散的。具有正斜率摩擦系數(shù)的摩擦片的實際離合器接合過程平順。這一結(jié)果為設(shè)計濕式離合器摩擦片時摩擦系數(shù)的選擇提供了理論基礎(chǔ)，具有工程應(yīng)用價值。

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