考慮粘性扭矩的濕式離合器預(yù)充油控制研究

張衡 李傳友 任憲豐 孫曉鵬 呂文香

（濰柴動(dòng)力股份有限公司電控研究院 山東省濰坊市 261040）

濕式離合器是汽車自動(dòng)變速器的重要組成部分，具有工作性能穩(wěn)定，結(jié)合平順，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩容量大，易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于重型液力機(jī)械傳動(dòng)裝置中[1]。換擋品質(zhì)是評(píng)價(jià)自動(dòng)變速的一個(gè)重要指標(biāo)，離合器作為換擋執(zhí)行元件，其充油控制過(guò)程直接影響了換擋品質(zhì)[2]。特別是預(yù)充油壓力的控制，對(duì)離合器結(jié)合的穩(wěn)定性和減少換擋沖擊等有著重要影響。因濕式離合器潤(rùn)滑油的存在，在離合器未完全結(jié)合時(shí)，因潤(rùn)滑油的剪切力的存在，產(chǎn)生了粘性扭矩。關(guān)于粘性扭矩的研究大多集中在粘性扭矩對(duì)扭矩傳遞特性的影響[3][4][5]，粘性扭矩對(duì)預(yù)充油壓力控制的精確性卻少有研究。本文將考慮粘性扭矩的預(yù)充油壓力的離合器控制效果與沒有考慮粘性扭矩的預(yù)充油壓力的離合器控制效果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了粘性扭矩對(duì)預(yù)充油壓力控制的影響。

1 濕式離合器工作原理

濕式離合器的機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要包含1 離合器油缸、2 活塞、3 密封環(huán)、4 油道、5 回位彈簧6 花鍵轂、7 摩擦片、8 鋼片等部分[6]。離合器片分為摩擦片和鋼片，兩者分別與花鍵轂外花鍵槽和離合器油缸的內(nèi)花鍵齒圈交錯(cuò)連接，壓緊后傳遞扭矩。當(dāng)電磁閥加電后，閥門打開液壓油通過(guò)油道到達(dá)活塞液壓缸時(shí)，活塞在液體壓力作用下，克服彈簧力左移，將摩擦片和鋼片壓緊，離合器接合完成傳遞動(dòng)力。

當(dāng)電磁閥斷電后，在回位彈簧彈力作用下，油缸右移，液壓油從進(jìn)油孔排出，摩擦片和鋼片在轉(zhuǎn)速差的作用下彈開，各自旋轉(zhuǎn)，扭矩傳遞中斷。

2 濕式離合器結(jié)合過(guò)程分析

2.1 濕式離合器結(jié)合階段分析

濕式離合器的結(jié)合過(guò)程從控制器發(fā)出信號(hào)開始，控制離合器電磁閥的開度，控制進(jìn)入離合器油缸的油壓，隨著油壓的升高，離合器片逐漸壓緊，離合器完全結(jié)合。濕式離合器因潤(rùn)滑油的存在，在結(jié)合過(guò)程中不同于傳統(tǒng)的干式離合器，其潤(rùn)滑油也參與摩擦過(guò)程，根據(jù)參與摩擦的材料的不同，將結(jié)合過(guò)程分為以下三種。

2.1.1 純油膜階段

此階段離合器摩擦片和鋼片尚未接觸，因主動(dòng)端的旋轉(zhuǎn)，使?jié)櫥彤a(chǎn)生剪切力，此時(shí)傳遞的力矩由剪切力全部承擔(dān)，產(chǎn)生粘性轉(zhuǎn)矩。

2.1.2 混合摩擦階段

純油膜階段結(jié)束后，離合器摩擦片和鋼片開始接觸，摩擦片微凸體逐漸接觸，但尚未壓緊，此時(shí)摩擦片和鋼片之間仍有潤(rùn)滑油的存在，但潤(rùn)滑油產(chǎn)生的粘性轉(zhuǎn)矩逐漸減少，摩擦力矩逐漸增加。

2.1.3 粗糙摩擦階段

圖1：濕式離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2：濕式離合器充油過(guò)程

圖3：濕式離合器扭矩特性曲線

圖4：離合器預(yù)充油壓力值自學(xué)習(xí)流程圖

圖5：離合器扭矩控制流程圖

此時(shí)摩擦片和鋼片完全壓緊，微凸體完全壓緊，將潤(rùn)滑油排出，摩擦扭矩承擔(dān)全部扭矩傳遞。

2.2 濕式離合器充油過(guò)程分析

離合器充油過(guò)程可分為以下三個(gè)階段，如圖2所示。

預(yù)充油階段（0-t1）：離合器在完全分離時(shí)，摩擦片和鋼片之間存在一定間隙，為了快速消除間隙，需要快速充油使離合器合摩擦片和鋼片處于輕微滑磨狀態(tài)，此位置即為KP點(diǎn)位置，并維持壓力，為下一步充油做準(zhǔn)備。

緩沖升壓階段（t1-t2）：離合器充油速度變緩，使摩擦片和鋼片以一定的速度結(jié)合，避免出現(xiàn)換擋沖擊，此時(shí)摩擦片和鋼片的間隙越來(lái)越小，由混合摩擦階段轉(zhuǎn)變?yōu)榇植谀Σ岭A段。

快速增壓階段（t2-t3）：離合器以完全結(jié)合，可以傳遞現(xiàn)在所需扭矩，為了使離合器在扭矩突增時(shí)發(fā)生滑磨，需要使油壓繼續(xù)增加，保證離合器有足夠的摩擦轉(zhuǎn)矩貯備。

3 粘性扭矩對(duì)預(yù)充油壓力控制的影響

3.1 離合器結(jié)合過(guò)程中扭矩傳遞特性

離合器在結(jié)合過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩特性圖3所示，從中可以看出在0-t1時(shí)刻，離合器無(wú)物理接觸，但隨著離合器摩擦片和鋼片之間的逐漸靠近，粘性扭矩逐漸增加，總扭矩完全由粘性扭矩完成承擔(dān)；t1-t2時(shí)刻，隨著離合器油壓逐漸增加，粘性扭矩減小，粗糙扭矩變大，總扭矩變大；t2 時(shí)刻以后，離合器壓緊，扭矩不再變化，粘性扭矩小時(shí)，總扭矩完全由粗糙扭矩承擔(dān)。從圖中可以看出，在離合器預(yù)充油時(shí)，因離合器主從動(dòng)盤未接觸，離合器傳遞的扭矩主要為粘性扭矩，在t1 時(shí)刻離合器預(yù)充油結(jié)束，粘性扭矩達(dá)到最大值。

3.2 預(yù)充油壓力值的確定

為了更深入的研究離合器充油和扭矩對(duì)應(yīng)關(guān)系及應(yīng)用，我們以離合器預(yù)充油點(diǎn)自學(xué)習(xí)為例，進(jìn)行控制仿真分析。

預(yù)充油階段，離合器油缸快速充油將離合器推至KP 點(diǎn)位置，并維持在KP 點(diǎn)位置為緩沖壓階段做準(zhǔn)備，此時(shí)預(yù)充油的壓力要?jiǎng)偤檬闺x合器鋼片與摩擦片處于輕微滑磨狀態(tài)。理想的預(yù)充油壓力可以使離合器調(diào)壓過(guò)程更容易且離合器緩沖升壓階段更短。

預(yù)充油壓力的確定首先要找到離合器鋼片與摩擦片輕微滑磨的位置。傳統(tǒng)的方法是給離合器輸入端加一恒定轉(zhuǎn)速，此時(shí)離合器以緩慢的速度結(jié)合，當(dāng)離合器輸出端的轉(zhuǎn)速由0 變化為有轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)離合器的位置即為KP 點(diǎn)位置，離合器沖油壓力為預(yù)充油壓力。這種方法在干式離合器中較為適用，在濕式離合器中因液壓油的存在，在離合器結(jié)合過(guò)程中存在粘性扭矩，使離合器在未接觸時(shí)有扭矩的傳遞，所以存在離合器未接觸而使離合器輸出端存在一定的轉(zhuǎn)速。

4 考慮粘性扭矩的離合器預(yù)充油壓力值控制

離合器預(yù)充油壓力值控制是擋位切換控制的關(guān)鍵點(diǎn)，其位置學(xué)習(xí)的精準(zhǔn)度直接影響換擋平順性和離合器的磨損程度。離合器預(yù)充油自學(xué)習(xí)位置是離合器主動(dòng)片和傳動(dòng)端剛好接觸點(diǎn)，傳遞摩擦扭矩的點(diǎn)，此時(shí)處于滑磨扭矩和粘性扭矩共存的狀態(tài)，但是依然以粘性扭矩為主的階段，因此通過(guò)判斷離合器扭矩傳遞值對(duì)預(yù)充油壓力點(diǎn)進(jìn)行確定。

在進(jìn)行預(yù)充油壓力值學(xué)習(xí)時(shí)，首先要判斷外部環(huán)境是否滿足自學(xué)習(xí)要求，只有外部條件滿足時(shí)，才能保證自學(xué)習(xí)過(guò)程整車安全性，以及自學(xué)習(xí)精準(zhǔn)性。其需滿足的條件如下：

（1）車輛是否處于駐車制動(dòng)狀態(tài)，防止由于車輛各種不平路面情況，在自學(xué)習(xí)扭矩傳遞情況下，車輛突然移動(dòng)，給操作人員帶來(lái)安全危險(xiǎn)；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否滿足自學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)速，保證自學(xué)習(xí)粘性扭矩輸出一致；

（3）液壓油溫是否滿足基本自學(xué)習(xí)油溫，油溫直接影響粘性扭矩值，要保證此次學(xué)習(xí)值同前一次的油溫條件一致，且滿足車輛正常行駛工況下的油溫；

其次在以上條件進(jìn)入自學(xué)習(xí)后，控制上還要實(shí)時(shí)監(jiān)控判斷車速、

5 仿真分析

油溫、轉(zhuǎn)速差等條件，當(dāng)條件不滿足時(shí)，立刻退出自學(xué)習(xí)。

進(jìn)入自學(xué)習(xí)狀態(tài)后，控制上先給比例閥一個(gè)初始電流，此電流根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，既滿足離合器在此電流下沒有滑磨接觸，又保證電磁閥的能正常開啟。然后再每隔時(shí)間t 給電磁閥增加電流r，實(shí)時(shí)監(jiān)控離合器輸出扭矩值，當(dāng)離合器傳遞扭矩值大于等于其粘性扭矩的最大值時(shí)，記錄此時(shí)充油壓力，并同上一次學(xué)習(xí)值進(jìn)行比較，當(dāng)差值在預(yù)設(shè)公差范圍內(nèi)時(shí)，保存此充油壓力。如此反復(fù)自學(xué)習(xí)n 次，求取三次平均值，存儲(chǔ)控制器中，分析記錄數(shù)據(jù)。其控制流程圖如圖4所示。

根據(jù)上述分析，搭建濕式離合器物理模型和控制模型，設(shè)置離合器相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其粘性扭矩的最大值依據(jù)離合器實(shí)驗(yàn)確定，其仿真結(jié)果如圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出，離合器傳遞的扭矩隨電磁閥電流的增加而逐漸增加，前段曲線扭矩增加緩慢，其傳遞扭矩完全由粘性扭矩承擔(dān)，當(dāng)?shù)竭_(dá)a 點(diǎn)時(shí)，扭矩增加較快，到達(dá)b 點(diǎn)時(shí)離合器傳遞扭矩為粘性扭矩的最大值，此時(shí)摩擦扭矩也隨之介入，判定此點(diǎn)為離合器的預(yù)充油壓力點(diǎn)。

6 總結(jié)

本文通過(guò)分析濕式離合器的扭矩傳遞特性，找出了粘性扭矩對(duì)離合器預(yù)充油控制的影響，建立了一種考慮粘性扭矩的離合器預(yù)充油壓力自學(xué)習(xí)方法，并對(duì)其合理性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，從仿真結(jié)果可以看出，該方法能夠確定離合器的預(yù)充油壓力點(diǎn)，對(duì)離合器換擋控制有一定的指導(dǎo)意義。