湿式离合器动态接合特性的仿真与试验

( 1. 浙江大学 流体传动及控制国家重点实验室, 浙江 杭州 310027; 2. 中国北方车 辆研究所, 北京 100072)
摘要: 根据湿式离合器接合过程特点, 应用平均雷诺方程和粗糙表面弹性接触模型对湿式离合器接 合过程建立了有效数学模型。利用 Runge Kut ta 方法对模型求解, 分别研究了摩擦衬片渗透性、润
滑油的平均油膜压力; 为摩擦衬片的渗透性; !为 润滑油的动力粘度; h 为油膜厚度; ∀ 为两粗糙表面
的联合粗糙度均 方根; #为两表 面的 联合粗 糙度,
#= #1 + #2 , #1 、#2 分别为摩擦片与对偶钢片表面粗 糙度; f ( #) 为联合粗糙度的概率密度函数。
r=
1-
0. 9ex p(-
本文中针对湿式离合器接合过程特点, 分别对 挤压阶段、压紧阶段及全粗糙接触阶段建立了流体 动力学模型和粗糙接触模型, 并结合承载力模型和 摩擦转矩模型, 利用数值方法求出粘性转矩、粗糙接 触转矩及摩擦转矩等接合过程的参数。进一步讨论 了接合过程中各种因素对湿式离合器接合特性的影 响规律, 并通过台架试验验证了模型的正确性。
顶高度的均方差。
一般 工 程表 面 ∀* 和 ht 均略 小 于 ∀ 和 h, 即
ht / ∀* ∃h/ ∀ 。结合湿 式离合器摩擦副表面粗糙度
的概率密度分布假设, 可以得到量纲一微凸体接触
有效压力 p^ c 模型
^
p^ c ( H )
=
K #E^ #
%
4. 408
6
% 10-
5 ( 4.
0-
^
H
) 6. 804
Abstract: Based o n eng ag em ent pro cess charact er ist ics of w et clut ch, average Reynolds equat ion and elast ic contact m odel of t w o roug h sur faces w ere applied t o est ablishment o f an ef f icient mat hemat ical m odel f or w et clut ch engag em ent pr ocess. Rung e Kut t a met hod w as used t o calculat e the mo del. Rules of inf luences of fr ict io n lining permeabilit y, lubricant viscosit y, engag em ent pressure and characteristics of st at ic and sliding f rict ion coef f icient on t orque respo nse, peak value of v isco us t or que, lock up t orque peak v alue and eng agement t ime w ere st udied. T he correct ness and ef f ectiv eness of the mo del w ere ver if ied by ex periment. T he simulat ed and ex perimental result s indicat e t hat incr ease of t he perm eabilit y of f rict ion lining o r engag em ent pressure can accelerat e the t orque respo nse and short en engagement t ime; increase of lubricant viscosity can ret ard t he t orque response and shor ten engagement t ime; r educe of the diff erence of stat ic and sliding f rict ion coef ficient of frict io n pairs can decrease t orque peak v alue at lock up. Key words: aut omot ive eng ineer ing; w et clut ch; Rung e Kut t a met ho d; engagement char act eris t ic; f rict ion t orque; engag em ent t ime
)
( 5)
式中: f erf 为误差函数。
根据链式法则, 可得
dh^ t dt
=
dh^ t
^
dh
^
dh dt
=
1 2
[
1+
f erf (
^
^
h 2
∀^ )
]
dh dt
( 6)
^
令
g
(
^
h
)
=
1 2
[
1+
f
erf (
h 2
∀^ )
]
,
将式(
6)
代入
式
( 4) 得
p^ h =
∃4 4K
(
^r
2
+ຫໍສະໝຸດ Baidu
1ln
^a2 ^a
1 湿式离合器接合过程模型
湿式离合器接合过程可简化为如图 1 所示的物 理模型。摩擦片与对偶钢片被厚度为 h( t ) 的油膜 隔开, 油膜的径向坐 标为 r , 摩擦片是主动盘, 摩擦 片以恒角速度 1 转动; 对偶钢片作为从动盘, 其转 速是 2 。接合压力 F app 作用在从动盘上, 将其压向 主动盘; 摩擦衬片厚度为 d。
根据湿式离合器接合过程中承载力的 构成不 同, 下面将湿式离合器接合过程划分为 3 个阶段, 如 图 2 所示。
在挤压阶段, 湿式离合器摩擦副两表面被润滑 油膜隔开, 接合压力完全由油膜压力承载; 在压紧阶 段, 摩擦副表面上局部微凸体开始接触, 接合压力由 油膜压力和微凸体接触力共同承载; 在全粗糙接触 阶段, 接合压力完全由微凸体接触力承载。下面分 别从机理上对 3 个阶段建立相应的数学模型。 1. 1 油膜压力模型
( 1. State Key L abo rato ry o f Fluid P ow er T ransmission and Contro l, Zhejiang U niv ersity , H angzho u 310027, Zhejiang, China; 2. China N or th V ehicle Resea rch I nstit ute, Beijing 100072, China)
收稿日期: 2009 08 07 基金项目: 浙江大学校长基金项目( 0820070615) 作者简介: 张志刚( 1979 ) , 男, 河北邢台人, 工学博士研究生, E mai l: zhz hg1225@ yahoo. com . cn。
11 6
中 国 公路 学 报
2010 年
0引言
湿式离合器是保证重载车辆液力 机械 变速器 正常工作的核心部件之一[ 1] , 它实现了车辆的起步、 换挡和传递转矩三大功能。从优化起步过程和改善 换挡品质的角度出发, 掌握湿式离合器接合过程的 转矩变化特点和研究接合过程中各种因素对摩擦转 矩的影响规律是十分必要的。
Ac=
%2 (
&R ∀*
) 2 AF2 (
ht ∀*
)
( 8)
p
c
(
ht ∀*
)=
K # E #F
5/ 2 (
ht ∀*
)
( 9)
Fn(
ht ∀*
)=
+ ht ∀*
(z -
ht ∀*
)n
* ( z ) dz
1 E#
=
1 2
(
1
E
v
1
2 1
+
1E
v
2
2 2
)
n=
2,
5 2
( 10) ( 11)
K#=
8 1
第 23 卷 第 3 期 2010 年 5 月
中 国 公 路学 报
China J ournal of H ig hw ay and T ransport
Vol. 23 No. 3 M ay 2010
文章编号: 1001 7372( 2010) 03 0115 06
湿式离合器动态接合特性的仿真与试验
张志刚1, 周晓军1, 沈 路1, 李永军2
( 4)
式中: 上标! ^ ∀表示量纲一化后的物理量; P0 为给定
第3期
张志刚, 等: 湿式离合器动态接合特性的仿真与试验
117
接合压力; h0 为初始油膜厚度。
由式( 4) 可知, 油膜压力取决于两粗糙表面间平
均间隙变化率 dht / dt。由两粗糙表面间平均间隙 ht
的定义式( 3) 可知, ht 是油膜厚度 h 的函数。结合
在 Pat ir 等[ 9] 提出 的平均雷 诺方程基 础上, 结
合摩擦片和对偶钢片的几何形状特点, 假设油膜压
力分布具有轴对称性, 并且忽略摩擦衬片材料的压
缩应变, 可得在圆柱坐标系下的修正平均雷诺方程
d dr
[
r
r ( h3 +
12
d)
dp h dr
]
=
12 !r
dh t dt
( 1)
式中: r 为径向上 Pat ir Cheng 压力流量因数; ht 为 接合过程中 t 时刻两粗糙表面间平均间隙; p h 为润
滑油粘度、接合压力、动静摩擦因数特性等因素对接合过程中转矩响应、粘性转矩峰值、锁止处转矩
峰值和接合时间的影响规律, 并通过试验验证了模型的正确性和有效性。仿真与试验结果表明: 增 大摩擦衬片渗透性或接合压力, 可以加快转矩响应, 缩短接合时间; 增大润滑油粘度, 可以减慢转矩
响应, 缩短接合时间; 减小摩擦副的动静摩擦因数差值, 可以减小锁止处转矩峰值。 关键词: 汽车工程; 湿式离合器; Runge Kut ta 方法; 接合特性; 摩擦转矩; 接合时间
0.
56
h ∀
)
( 2)
+
ht = ( h + #) f ( #) d#
( 3)
-h
将式( 1) 量纲一化后再进行积分, 可得量纲一的
油膜压力模型
p^ h =
∃4 4K
(^r2
+
1ln
^a 2 ^a
ln
^r
-
1)
dh^ t dt
,
∃4 =
12!b2
/
(
P
0
h
2 0
)
,
K=
r ( h^ 3 + 12^ d^ )
目前, 针对湿式摩擦离合器接合过程的研究, 中 国学者主要集中于对湿式离合器接合过程整体动力 学模型的分析[ 2 5] ; 而国外学者对湿式离合器接合过 程的研究重点在摩擦片本身特性和工作环境等因素 对接合过程的影响规律, 如 N atsumeda 等[ 6 8] 对湿 式离合器接合过程进行了建模仿真。但由于他们模 型的复杂性、计算耗时等缺点, 使得他们所建立的模 型应用于湿式离合器设计优化时受到很大的限制。 因此, 针对湿式离合器接合过程建立简单有效的数 学模型, 可以为湿式离合器优化设计提供理论依据。
ln
^r
-
^
1)
g
(
^
h
)
dh dt
( 7)
1. 2 粗糙接触模型
在湿式离合器接合过程中, 随着油膜厚度变小,
摩擦副表面上微凸体开始直接接触, 微凸体的接触
力开始承担一部分接合压力, 并与润滑区的油膜压
力共同承载接合压力。为求解微凸体承载力需要引
入随机粗糙表面接触模型, 本文中采用 Gr eenw o od 等[ 10] 推导出的两粗糙面接触时真实接触面积 A c 与 有效压力 p c 之间关系来研究湿式离合器接合过程 中微凸体接触
2 5
%(
&R
∀*
)2
∀* R
( 12)
式中: R 为微凸峰的曲率半径; A 为名义接触面积;
E1 为摩擦片弹性模量; E2 为对偶钢片的弹性模量;
E#为当量弹性模量; v1 、v2 分别 为摩擦片和对 偶钢
片材料的泊松比; &为粗糙面上的峰点密度; * ( z )
为峰顶高度分布的概率密度函数; ∀* 为联合粗糙峰
摩擦片与对偶钢片表面粗糙峰特点, 假定两表面粗
糙峰高度服从均值为 0 的高斯概率密度分布。根据
ht 的定义, 并引入量纲一的参数可得两表面粗糙峰
为高斯分布的量纲一平均间隙 h^ t 与量纲一油膜厚
度 h^ 之间关系
^
^
^
ht =
h 2
[
1+
f
erf (
h 2
∀^ )
]
+
^
∀ ex p( 2%
-
h^ 2 2∀^ 2
中图分类号: U 463. 211
文献标志码: A
Simulation and Experiment on Dynamic Engagement Characteristics of Wet Clutch
ZH A N G Zhi gang1 , ZH O U Xiao jun1 , SH EN L u1 , L I Y ong jun2