同步自動(dòng)離合器并車試驗(yàn)研究

張 祥，陳克鑫，王學(xué)志，閆 澤

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱150078)

0 引 言

同步自動(dòng)離合器，國(guó)外稱之為SSS 離合器，是一種通過(guò)齒輪元件傳遞功率的全自動(dòng)型單向超越離合器，該種離合器只依賴兩端轉(zhuǎn)速的變化自動(dòng)進(jìn)行接合或脫開(kāi)，無(wú)需任何外部控制。離合器作為理想的離合部件，它的這種特性適用于柴燃交替(CODOG)、燃燃交替(COGOG)以及燃燃聯(lián)合(COGAG)動(dòng)力傳動(dòng)裝置中［1－2］。

燃燃聯(lián)合(COGAG)國(guó)內(nèi)尚無(wú)2 臺(tái)同步自動(dòng)離合器并車運(yùn)行的使用經(jīng)驗(yàn)。在理論上，由于“超越”特性，2 臺(tái)同步自動(dòng)離合器在同一轉(zhuǎn)速下似乎不能并車接合，但實(shí)際上在國(guó)外已有應(yīng)用，例如印度海軍某航母采用4 臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)(LM2500)雙機(jī)并車COGAG 推進(jìn)系統(tǒng)中使用了英國(guó)SSS 離合器。這是因?yàn)槔昧巳紮C(jī)動(dòng)力渦輪為自由渦輪的特性，在2 臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)需要并車輸出功率的瞬間，第2 臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速會(huì)自動(dòng)“漂升”到接合所需的“超越”轉(zhuǎn)速，從而使該SSS 離合器自動(dòng)地接合。

在試驗(yàn)臺(tái)上，由于電機(jī)是剛性聯(lián)接，當(dāng)?shù)? 臺(tái)電機(jī)升速到離合器接合所需的“超越”轉(zhuǎn)速的時(shí)候，由于2 臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速差，第1 臺(tái)電機(jī)端的離合器將會(huì)脫開(kāi)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)2 臺(tái)離合器并車。本文通過(guò)電機(jī)控制來(lái)模擬燃?xì)廨啓C(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了2 臺(tái)同步自動(dòng)離合器并車。

1 同步自動(dòng)離合器工作原理

艦用燃?xì)廨啓C(jī)端同步自動(dòng)離合器樣機(jī)如圖1所示。主要由四大部件構(gòu)成:即主動(dòng)件、從動(dòng)件、中繼滑移件和主滑移件［6］。當(dāng)主動(dòng)件轉(zhuǎn)速高于從動(dòng)件轉(zhuǎn)速時(shí)，中繼滑移件在棘輪棘爪和副螺旋齒的作用下，產(chǎn)生軸向滑移運(yùn)動(dòng)，中繼齒接合。中繼齒接合后，在主滑移件上產(chǎn)生軸向推力，推動(dòng)大慣量的主滑移件滑移，使主動(dòng)件與從動(dòng)件上的驅(qū)動(dòng)齒接合，離合器處于接合狀態(tài);當(dāng)主動(dòng)件轉(zhuǎn)速低于從動(dòng)件轉(zhuǎn)速時(shí)，由于反扭矩的作用，滑移件產(chǎn)生反向滑移，離合器處于脫開(kāi)狀態(tài)。

圖1 同步自動(dòng)離合器樣機(jī)Fig.1 Experiment sample of synchro-self-shifting clutches

2 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

2.1 試驗(yàn)臺(tái)組成

試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)布置圖如圖2所示。其中2 個(gè)電機(jī)用來(lái)模擬燃?xì)廨啓C(jī)，2 臺(tái)電機(jī)為同型號(hào)電機(jī)，左側(cè)同步自動(dòng)離合器和右側(cè)同步自動(dòng)離合器是用來(lái)做并車試驗(yàn)的離合器，二者為同類型同旋向的離合器。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)Tab.1 Parameter of the test bed

3 電機(jī)控制

3.1 電機(jī)并車過(guò)程

本試驗(yàn)用電機(jī)模擬燃?xì)廨啓C(jī)，因電機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)特性不同，所以為了實(shí)現(xiàn)2 臺(tái)離合器的并車，首先必須實(shí)現(xiàn)2 臺(tái)電機(jī)并車，本試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的并車過(guò)程分為以下3 步:

圖2 同步自動(dòng)離合器并車試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)布置圖Fig.2 Structure collocation of twin-synchro-self-shifting clutches incorporation test bed

1)運(yùn)行在一電機(jī)一測(cè)功機(jī)模式下，2 臺(tái)電機(jī)不存在主從關(guān)系。當(dāng)有并車命令，起動(dòng)接入電機(jī)，接入電機(jī)端自動(dòng)同步離合器處于脫開(kāi)狀態(tài)。

2)工作電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，接入電機(jī)轉(zhuǎn)速升到工作電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，控制接入電機(jī)工作在力矩控制及轉(zhuǎn)速跟隨工作電機(jī)的模式下。

3)給定接入電機(jī)轉(zhuǎn)速比工作電機(jī)轉(zhuǎn)速高1 r/min，接入電機(jī)端同步自動(dòng)離合器在當(dāng)前控制模式下，會(huì)逐漸接合，并傳遞扭矩。一旦接入端離合器接合，工作電機(jī)的輸出扭矩會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到接入電機(jī)上，直到2 臺(tái)電機(jī)輸出載荷均衡為止，完成并車工作。此刻，工作電機(jī)工作在轉(zhuǎn)速閉環(huán)工作模式下，接入電機(jī)工作在力矩控制模式下，接入電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨工作電機(jī)轉(zhuǎn)速而變化。

3.2 電機(jī)解列過(guò)程

解列是并車的逆過(guò)程:運(yùn)行在2 電機(jī)并車模式下，2 臺(tái)電機(jī)工作存在主從關(guān)系，解留電機(jī)為主機(jī)，解出電機(jī)為從機(jī)，當(dāng)有解列命令，設(shè)置功率轉(zhuǎn)移命令，增加解留電機(jī)輸出力矩，減少解出電機(jī)輸出力矩，直到解出電機(jī)幾乎處于空載狀態(tài);停止解出電機(jī)并解除主從關(guān)系，2 臺(tái)電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差后，解出電機(jī)端自動(dòng)同步離合器脫開(kāi)，完成解列。

圖3 為2 臺(tái)電機(jī)并車及解列關(guān)系曲線，其中上半部分為2 臺(tái)電機(jī)的功率－時(shí)間關(guān)系曲線，下半部分為2 臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速－時(shí)間關(guān)系曲線。圖3 中:曲線①和⑥分別為工作電機(jī)功率及工作電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線;曲線②和⑦分別為接入電機(jī)功率及接入電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線;曲線③和⑧分別為2 臺(tái)電機(jī)并車階段功率及轉(zhuǎn)速變化曲線;曲線④和⑨分別為解留電機(jī)功率及解留電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線;曲線⑤和⑩分別為解出電機(jī)功率及解出電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線。

圖3 2 臺(tái)電機(jī)并車及解列關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve between incorporation and noncooperation of the twin-electric-motors

4 離合器并車試驗(yàn)分析

試驗(yàn)過(guò)程中在同步自動(dòng)離合器指示環(huán)兩側(cè)安裝位移傳感器，對(duì)離合器滑移組件的滑移距離進(jìn)行測(cè)量，將離合器處于完全接合狀態(tài)時(shí)的位移標(biāo)定為位移零點(diǎn)，那么在完全脫開(kāi)狀態(tài)時(shí)的位移極為位移最大點(diǎn)。試驗(yàn)中設(shè)定電機(jī)8 為工作電機(jī)和解留電機(jī)，電機(jī)1 為接入電機(jī)和解出電機(jī)。

分別在轉(zhuǎn)速為1 231，1 827，2 424，2 731，3 270 r/min 的工況下對(duì)離合器進(jìn)行并車試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，2 臺(tái)離合器滑移行程曲線如圖4所示，2 臺(tái)離合器轉(zhuǎn)速－扭矩關(guān)系曲線如圖5所示。

圖4 2 臺(tái)離合器滑移行程曲線Fig.4 Slippage displacement of twin-synchro-self-shifting clutches

圖5 2 臺(tái)離合器轉(zhuǎn)速－扭矩關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between rotate speed and torque of the twin-synchro-self-shifting clutches

圖4 中，在不同轉(zhuǎn)速下并車時(shí)，離合器滑移組件都能夠迅速產(chǎn)生動(dòng)作并完全的接合和脫開(kāi)，運(yùn)行過(guò)程中滑移組件沒(méi)有出現(xiàn)往復(fù)振蕩現(xiàn)象，離合器能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行工作［3－5］。

圖5 中，上半部分為扭矩曲線，下半部分為轉(zhuǎn)速曲線。在試驗(yàn)初始階段，將右側(cè)同步自動(dòng)離合器轉(zhuǎn)速升到1 231 r/min，離合器接合，穩(wěn)定運(yùn)行后，右側(cè)同步自動(dòng)離合器輸入端扭矩大概為1 100 Nm 左右，左側(cè)同步自動(dòng)離合器輸入端扭矩基本為0，升速左側(cè)同步自動(dòng)離合器輸入端轉(zhuǎn)速至1 231 r/min，此時(shí)右側(cè)同步自動(dòng)離合器輸入端扭矩開(kāi)始下降，左側(cè)同步自動(dòng)離合器輸入端扭矩上升。并車穩(wěn)定運(yùn)行后，右側(cè)同步自動(dòng)離合器輸入端扭矩穩(wěn)定在540 Nm左右，幾乎降低為原來(lái)的一半，左側(cè)同步自動(dòng)離合器輸入端扭矩穩(wěn)定在550 Nm 左右。也就是說(shuō);左側(cè)同步自動(dòng)離合器接合，開(kāi)始傳遞扭矩，工作電機(jī)8 的輸出扭矩會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到接入電機(jī)1 上，直到2臺(tái)電機(jī)輸出載荷均衡為止，完成2 臺(tái)同步自動(dòng)離合器的并車工作。降速左側(cè)同步自動(dòng)離合器的轉(zhuǎn)速至停機(jī)，增加解留電機(jī)8 輸出力矩，減少解出電機(jī)1輸出力矩，直到解出電機(jī)1 幾乎處于空載狀態(tài)，左側(cè)同步自動(dòng)離合器脫開(kāi)，完成2 臺(tái)同步自動(dòng)離合器的解列過(guò)程。同樣在轉(zhuǎn)速1 827、2 424、2 731和3 270 r/min 的工況下，2 臺(tái)同步自動(dòng)離合器的并車及解列過(guò)程都非常順利平穩(wěn)。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The data of the test

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2 臺(tái)同步自動(dòng)離合器的試驗(yàn)研究可以看出，在不同工況下，為了模擬燃?xì)廨啓C(jī)特性，通過(guò)電機(jī)控制，成功實(shí)現(xiàn)了2 臺(tái)同步自動(dòng)離合器的并車，離合器動(dòng)作順暢，滑移位置準(zhǔn)確，完成了功率在2臺(tái)同步自動(dòng)離合器之間的轉(zhuǎn)移。并車運(yùn)行過(guò)程中離合器工作穩(wěn)定可靠。本文的研究成果對(duì)離合器的發(fā)展及應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。

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