建立离合器接合分离模型

建立离合器接合/分离模型

离合器是机械传动中常用的部件，位于发动机和变速箱的飞轮壳内，可将传动系统随时分离或接合，切断和传递发动机输出的动力。利用matlab Simulink 建立离合器接合/分离模型，可对离合器工作原理进行仿真。

由于系统在动态运行过程中，离合器接合/分离而使拓扑结构发生改变，所以离合器的模型搭建是比较困难的。两种拓扑结构或者说两种模型之间要小心处理，以保证新模型的初始状态和切换前模型的结束状态一致。

1 模型搭建原理介绍

离合器系统一般由两个盘组成，可以将转矩在发动机和变速器之间传递。分成两种状态：一是滑动态（slipping），两个盘具有不同的角速度；二是接合态（lock-up），两个盘可一起旋转。

实现两种状态的转换是建立模型时的难点。随着离合器系统锁紧而失去自由度，传递的转矩被切断；转矩的大小由摩擦力提供的最大值下降到某个值，该值可以使系统的两个部分以相同的转速旋转。

图1 参数表示离合器系统

以下是分析和建模过程中的变量介绍：

T 输入转矩（发动机转矩）

in

n F = 两个摩擦盘之间的轴向力

,e v I I =发动机惯性力矩；变速器（传动装置）惯性力矩 ,e v b b = 发动机阻尼率；传动装置（汽车一侧的离合器）阻尼率

,k s μμ=运动摩擦系数；静止摩擦系数 ,e v ωω=发动机角速度；输入轴角速度

12,r r =离合器片（从动盘）摩擦表面内，外半径

R =等效半径

cl T =通过离合器传递的转矩

f T =用来维持锁紧的离合器所需要的摩擦转矩

方程组1：

耦合系统状态方程推导得：

e e in e e cl I T b T ωω=--

（1-1）

v v cl v v I T b ωω=-

（1-2）

方程组2：

离合器的最大转矩可以表示成其内外半径，摩擦特性和轴向力的函数，如下所示：

2122

220

212()max ()3

r f

n f n A

r r F F T da r drd RF A

r r πμθμπ⨯==

=-⎰⎰

⎰⎰ 33

212

212r r R r r -=-（对于非金属材料的当量半径） 方程组3：

当离合器处于滑动态时，摩擦系数取动摩擦系数，最大动摩擦转矩方向和滑动方向相反。方程式可表示成：

max 2 3

f s n s

T RFμ

=

v f max k

Tcl sgn()T

ε

ωω

=-

方程组4：

当离合器处于接合状态时，发动机的角速度和输入轴的角速度相等。即

e v

ωωω

==

并将该式代入方程组1中，得到：

()()

e v in

I I T be bv

ωω

+=-+

方程组5：

解方程组1和4，当离合器处于锁紧状态时，通过离合器传递的转矩可表达成：

()

v in v e e v

c f

v e

I T I b I b

T T

I I

ω

--

==

+

方程组6：

若

f

T的值超过最大静摩擦力

max

f s

T，离合器会从滑动态转换到接合状态。锁紧状态最大静摩擦力为：

max

2

3

f s n s

T RFμ

=

下图表示了离合器整个运行状态：

图2 状态转移图

两个模型之间的切换要小心处理，以保证新模型的初始状态与切换前模型的

结束状态一致。

1.当处于滑移状态时，如果主从盘转速相等，且保持离合器接合所需要的摩擦扭矩小于最大静摩擦扭矩，则切换到接合态；

2.当处于接合态时，如果保持离合器接合所需要的摩擦扭矩大于最大静摩擦扭矩（即最大静摩擦扭矩也不足以传递如此大的扭矩），则切换到滑摩态；

3.切换动作除了决定于上述两条件，还决定于系统的当前状态（滑摩或接合），即决定于FSM（有限状态机）。

4.当滑摩时，离合器所传递的扭矩是最大动摩擦扭矩。此时使用动摩擦系数。（分离态属于滑摩态的特例，此时Fn=0，Tfmaxk=0）

5.当接合时，离合器所传递的扭矩是离合器保持接合的摩擦扭矩即Tf。

6.最大静摩擦扭矩Tfmaxs使用静摩擦系数计算，仅用在判断状态切换的条件中。

7.离合器保持接合的摩擦扭矩（即Tf ）对滑摩态和接合态而言，其计算公式完全相同。

接合/分离的有限状态机（FSM）：

2 建模

分离状态建模（slipping ）

根据方程式推导，分离状态时方程可写成：

T b

T

in e e cl e I

e ωω--= （2-1） T b

cl

v v v I

v

ωω-= (2-2) sgn()max T T

cl e v f k

ωω=- (2-3) 公式（2-1）-(2-3)可按下面图形进行模型搭建

图3 分离状态simulink 模型图

在对分离状态(即slipping)进行建模中，出现From/Goto 基本模块，模块用于信号的跳转，表示信号来源和去向。在上述goto 部分，应将tag visibility 定义成global ，即全局变量。否则运行结果有误。 该模型用Enable System 即使能子系统搭建，其模型的特点为当使能端口的控制信号为正时，子系统则可执行；否则，子系统不执行。