鄭 欣 蔡龍生 陳 俐
(上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)
干式雙離合器換檔時(shí)為避免動(dòng)力中斷,兩個(gè)離合器在切換過(guò)程中存在轉(zhuǎn)速差,從而導(dǎo)致離合器摩擦片產(chǎn)生大量的滑摩功[1]。由于干式雙離合器空間狹小,散熱條件差,大量的熱量聚集在干式雙離合器模塊中,造成了干式雙離合器溫度的上升。而離合器摩擦片的磨損隨壓盤(pán)溫度的升高而增大,摩擦片磨損急劇增加,這也影響了干式雙離合器變速器的控制精度。因此控制溫升幅度問(wèn)題是改善干式雙離合器承載能力和控制精度的關(guān)鍵之一。
對(duì)干式雙離合器溫度場(chǎng)的研究很多,但是大部分的建模只局限于摩擦片本身,沒(méi)有詳細(xì)的討論其他因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響。本文考慮在頻繁換擋工況下,選取了不同熱流密度曲線下、不同空氣層厚度、摩擦片邊緣突起、強(qiáng)制散熱這四個(gè)變量,來(lái)研究此四個(gè)變量對(duì)干式雙離合器溫度場(chǎng)的研究,從而得到一些改善干式雙離合器溫度場(chǎng)的具體措施。
干式雙離合器自動(dòng)變速器是由兩個(gè)干式離合器分別控制奇數(shù)檔和偶數(shù)檔的自動(dòng)變速器,通過(guò)兩個(gè)離合器的交替結(jié)合進(jìn)行檔位的切換。半徑較大的離合器為奇數(shù)檔動(dòng)力傳遞路徑,而半徑較小的離合器為偶數(shù)檔動(dòng)力傳遞路徑。
干式雙離合器有很多種結(jié)構(gòu)型式,其中較常見(jiàn)的結(jié)構(gòu),如圖1所示。它由從動(dòng)盤(pán)、壓盤(pán)、膜片彈簧、扭轉(zhuǎn)減振器及分離機(jī)構(gòu)等組成。
為了研究熱量在整個(gè)雙離合器模塊中的傳遞情況,獲得溫度場(chǎng)分布,將離合器摩擦片簡(jiǎn)化成為一個(gè)尺寸相同的環(huán)形圓盤(pán);由于膜片彈簧、扭轉(zhuǎn)減震器等部件在干式雙離合器模塊中并不主要起導(dǎo)熱作用,而且占用空間比較少,在這樣的條件下,簡(jiǎn)化這些部件。此時(shí)獲得干式雙離合器模塊簡(jiǎn)化模型。為清晰展示內(nèi)部結(jié)構(gòu),將簡(jiǎn)化后的干式雙離合器進(jìn)行了剖切。
圖1 干式離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of DCT
圖2 干式雙離合器模型簡(jiǎn)圖Fig.2 Simplified model of DCT
根據(jù)JB/T 9190-1999標(biāo)準(zhǔn)選擇干式雙離合器模塊摩擦片以及壓盤(pán)的尺寸,同時(shí)設(shè)計(jì)空氣層厚度。
根據(jù)文獻(xiàn)[2],在論文中干式雙離合器摩擦片材料屬性參數(shù)見(jiàn)表2:
將離合器盤(pán)片表面溝槽等的影響忽略不計(jì),可以將雙離合器模塊簡(jiǎn)化成為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式,這樣雙離合器模塊溫度場(chǎng)只與徑向位置r和摩擦盤(pán)片厚度方向位置z有關(guān),而與周向位置無(wú)關(guān)[3]。則將雙離合器盤(pán)片放在柱坐標(biāo)中分析。在r-θ平面內(nèi)可以認(rèn)為是各向同性的;在z方向由于存在離合器的結(jié)合以及分離過(guò)程,可以認(rèn)識(shí)是各向異性。由于離合器經(jīng)常分離以及結(jié)合,這表明整個(gè)熱傳導(dǎo)過(guò)程不斷變化,亦即這是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)程。
表1 干式雙離合器基本尺寸Table 1 Dimensions of dry dual clutch
表2 摩擦片材料屬性Table 2 Material properties of friction plate
并作如下假設(shè):
1)作用在摩擦表面上的正壓力均勻分布,保證摩擦面的磨損是均勻的,進(jìn)而摩擦產(chǎn)生的熱量在摩擦面上均勻分布;
2)摩擦副各部分材質(zhì)均勻,物性參數(shù)在接合過(guò)程中不變化;
3)摩擦副產(chǎn)生的熱量與摩擦副表面的導(dǎo)熱量平衡;
4)忽略輻射散熱以及摩擦表面的潤(rùn)滑油吸熱;
5)由于對(duì)稱性,摩擦盤(pán)在沿厚度方向的中點(diǎn)處導(dǎo)熱量為零;
6)摩擦副的熱傳導(dǎo)可簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱三維非穩(wěn)態(tài)模型。
對(duì)于任何傳熱模型而言,必須滿足熱力學(xué)第一定律,即能量守恒定律。在任一時(shí)間間隔內(nèi)能量守恒關(guān)系為[4,5]:
式中,Q—熱量;W—做功;Δ U—系統(tǒng)內(nèi)能;ΔKE—系統(tǒng)動(dòng)能;ΔPE—系統(tǒng)勢(shì)能。
對(duì)于大多數(shù)工程傳熱問(wèn)題:Δ K E=ΔPE=0
通??紤]沒(méi)有做功:W=0,則Q=Δ U;
由以上分析有三維非穩(wěn)態(tài)模型傳熱數(shù)學(xué)方程:
其中:T—熱力學(xué)溫度;t—時(shí)間;λ—導(dǎo)熱系數(shù);ρ—導(dǎo)熱物體密度;c—導(dǎo)熱物體比熱容;Φ?—內(nèi)熱源生成熱
理論換擋規(guī)律的設(shè)計(jì)是以定油門開(kāi)度下的發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性為依據(jù),并以油門開(kāi)度和車速作為換擋時(shí)機(jī)的控制參數(shù)。而汽車的實(shí)際加減速工況均是油門開(kāi)度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,且油門開(kāi)度的變化速度取決于駕駛員的駕駛意圖。如果駕駛員突然變化油門開(kāi)度,由于汽車的較大慣性,車速的變化相對(duì)于油門開(kāi)度的變化存在較大的滯后,從而使實(shí)際工作點(diǎn)立刻躍變而超過(guò)升擋線或降擋線,從而引起汽車意外換擋。當(dāng)油門開(kāi)度劇烈變化頻繁發(fā)生,則表現(xiàn)為頻繁換擋[6]。
在仿真過(guò)程中,模擬DCT由空檔起步至一檔,接著迅速進(jìn)行升檔至二檔,然后又降檔至一檔的過(guò)程。
參照文獻(xiàn)[7],雙離合器自動(dòng)變速系統(tǒng)在30%油門下,車速約30km/h附近一檔升二檔的換檔過(guò)程仿真曲線,分離離合器C1的初始?jí)毫?5.5M pa,結(jié)合離合器C2的初始?jí)毫? Mpa。
利用其雙離合器分離結(jié)合時(shí)序以及發(fā)動(dòng)機(jī)與雙離合器速度特性曲線,使用條件設(shè)計(jì)DCT由空檔起步至一檔,接著迅速進(jìn)行升檔至二檔,然后又降檔至一檔的過(guò)程。
依據(jù)在離合器在工作過(guò)程中摩擦表面產(chǎn)生的熱流密度[8]:
得到熱流密度的曲線(a)。
簡(jiǎn)化在文獻(xiàn)[7]中的雙離合器分離結(jié)合時(shí)序曲線,將曲線簡(jiǎn)化成線性變化,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化壓力情況下的熱流密度曲線(b)。
在空檔起步階段(0~0.8 s),離合器-1在壓力作用下與壓盤(pán)接觸,由于轉(zhuǎn)速差的存在,這個(gè)階段產(chǎn)生滑摩功;而此時(shí)的離合器-2依然斷開(kāi)。此時(shí)由于轉(zhuǎn)速較低,可以看到滑摩功率較小。從(0.8 s~1.8 s)階段,此時(shí)離合器-1與壓盤(pán)完全結(jié)合,處于一檔工況,同時(shí)也在升速。
在升檔階段(1.8 s~2.8 s),離合器-2開(kāi)始進(jìn)入滑摩0.2 s之后,離合器-1開(kāi)始出現(xiàn)滑摩。在離合器-2滑摩至2.6 s時(shí)候,此時(shí)與壓盤(pán)同步,0.2 s之后,離合器-1完全脫開(kāi),進(jìn)入二檔工況行駛。
在降檔階段(3 s~3.8 s),工作情況正好與升檔階段相反。
在整個(gè)過(guò)程中,監(jiān)測(cè)離合器片的溫度,以及雙離合器截面的溫度。
圖4 熱流密度曲線Fig.4 Heat flux curve
圖4中,實(shí)線代表在完整壓力變化情況(a)下得到的熱流密度曲線;而虛線代表在簡(jiǎn)化壓力情況(b)下得到的熱流密度曲線;不同顏色代表不同的離合器摩擦片。在兩種條件下進(jìn)行仿真,獲得不同離合器溫度以及殼體中空氣溫度曲線。
3.1.1 離合器摩擦片圓心處的溫度變化曲線
在圖5中,由于在空檔起步階段,轉(zhuǎn)速較低,此時(shí)產(chǎn)生的滑摩功較少,故而在相同條件下,此時(shí)溫度上升速度較慢。
圖5 摩擦片溫度Fig.5 Temperature of friction plate
在0.8 s~1.8 s階段,此時(shí)摩擦片-1與壓盤(pán)結(jié)合,無(wú)滑摩功產(chǎn)生;但是由于在摩擦片-1摩擦片內(nèi)部熱量開(kāi)始向其他盤(pán)片擴(kuò)散,可以看到摩擦片-2溫度緩慢上升。
在升檔階段,由于摩擦片-2摩擦片在1.8 s速度從0開(kāi)始上升,因此與壓盤(pán)的轉(zhuǎn)速差相較于起步階段大,因此反應(yīng)在離合器摩擦片溫度曲線上此時(shí)溫度迅速上升,且峰值較大。
在降檔階段,摩擦片-1從3 s開(kāi)始進(jìn)入滑摩狀態(tài),此時(shí)摩擦片-1摩擦片溫度開(kāi)始升高。之后摩擦片-2進(jìn)入滑摩階段,溫度亦開(kāi)始進(jìn)一步的升高。
同時(shí)對(duì)比不同熱流密度條件下的離合器摩擦片的溫度情況,可以看到離合器摩擦片溫度曲線在兩條熱流密度曲線下的變化趨勢(shì)基本相同,但是在峰值熱流密度較大條件下,離合器摩擦片溫度峰值亦較高。
3.1.2空氣溫度變化曲線
監(jiān)測(cè)的空氣位于離合器-2接觸面平面,遠(yuǎn)離半徑方向2 mm處。以下空氣溫度都是離半徑2 mm處。
從圖6可以看到,在開(kāi)始進(jìn)行升檔階段,由于產(chǎn)生的熱流密度較小,空氣層溫度變化緩慢;空氣溫度劇烈變化是在離合器-2摩擦片滑摩階段進(jìn)行的,這主要是由于這一階段從一檔升到二檔,產(chǎn)生大量的滑摩功,促使溫度劇烈上升;由于在簡(jiǎn)化壓力曲線情況下的熱流密度較大,可以看到在簡(jiǎn)化壓力變化情況下,空氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度峰值在熱流密度峰值時(shí)候達(dá)到最高,且較完整壓力情況下溫度高出6%;隨后隨著熱流密度下降,空氣層溫度開(kāi)始下降。
圖6 空氣溫度Fig.6 Temperature of air
在2.2 s左右空氣層監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到峰值后,由于空氣層與殼體之間的溫度差加大,此時(shí)傳遞出去的熱量大于空氣層吸收的熱量,這樣溫度開(kāi)始下降。
3.1.3 截面處溫度場(chǎng)云圖
圖7 溫度場(chǎng)分布Fig.7 Temperature contours of model at selected time
在不同厚度空氣層對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響時(shí)候,模型中的空氣層厚度分別為3 mm(a)以及10 mm(b)。
3.2.1離合器摩擦片圓心處的溫度變化曲線
從上圖中可以看到,在這個(gè)過(guò)程中,接觸面的溫度基本沒(méi)有變化,但是觀察截面溫度云圖會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)截面的溫度有明顯不同??諝鈱雍穸容^大的條件下,在摩擦面以外的地方溫度下降比較迅速。
由于監(jiān)測(cè)的離合器摩擦片位置位于整個(gè)摩擦片的圓心處,在這個(gè)地方的散熱條件惡劣,對(duì)于不同厚度的空氣層模型而言,在這個(gè)地方的散熱條件基本一樣.因此在不同空氣層厚度條件下,雙離合器摩擦片圓心處的溫度基本不變。
但是由于空氣層厚度較大的情況下,空氣與摩擦片以及壓盤(pán)發(fā)生對(duì)流,由于空氣的量增加,這樣在相同條件下能夠吸收更多的能量。當(dāng)然由于空氣層較小的熱容量,在繼續(xù)加大厚度的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱情況反而變得惡劣了。
圖8 溫度場(chǎng)分布Fig.8 Temperature contours of model at selected time
圖9 摩擦片溫度Fig.9 Temperature of friction plate
3.2.2空氣溫度變化曲線
從圖10可以看到,空氣層監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度劇烈變化是在離合器-2摩擦片滑摩階段進(jìn)行的。由于這一階段有較多的熱流密度施加在模型上;同時(shí),由于空氣層厚度為3 mm情況下由于空氣厚度較少,在這樣條件下,能夠及時(shí)將由雙離合器模塊傳導(dǎo)來(lái)的熱量傳導(dǎo)給殼體進(jìn)行散熱,使得其溫度在整個(gè)過(guò)程中處于一個(gè)較低的狀態(tài)。而對(duì)于空氣層厚度為10 mm模型,在這樣在相同條件下能夠吸收更多的能量,卻沒(méi)有能夠及時(shí)傳導(dǎo)出去,所以在厚度較大的條件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溫度高出17%。
圖10 空氣溫度Fig.10 Temperature of air
3.2.3截面處溫度場(chǎng)云圖
圖11 溫度場(chǎng)分布Fig.11 Temperature contours of model at selected time
觀察截面溫度云圖會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)截面的溫度有明顯不同。空氣層厚度較大的條件下,在摩擦面以外的地方溫度下降比較迅速。這也是空氣層厚度較大條件下溫度上升較快原因。
基于不同熱流密度條件下的熱流密度曲線(a),設(shè)計(jì)模型中的離合器摩擦片為側(cè)壁均布6個(gè)厚度為1 mm的小凸臺(tái)。以與不同熱流密度條件下仿真條件相同的設(shè)置進(jìn)行計(jì)算。
圖12 溫度場(chǎng)分布Fig.12 Temperature contours of model at selected time
3.3.1離合器摩擦片圓心處的溫度變化曲線
圖13 摩擦片溫度Fig.13 Temperature of friction plate
在上圖中,實(shí)線所示的溫度曲線為摩擦片為普通柱面時(shí)候的溫度曲線,虛線所示的溫度曲線為摩擦片側(cè)面均布6個(gè)小凸臺(tái)時(shí)候的溫度曲線。
從這些數(shù)據(jù)情況可以看到,在摩擦片側(cè)面均布小凸臺(tái)時(shí)候的溫度較普通柱面時(shí)候的溫度有較多的降低,尤其是在高速且有較大速度差的時(shí)候溫度下降更加迅速。這是由于摩擦片的轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)小凸臺(tái)擾動(dòng)周圍的空氣帶走了更多的熱量,而且在高速時(shí)候這樣的作用更加明顯。
3.3.2空氣溫度變化曲線
監(jiān)測(cè)的空氣位于clutch-2接觸面平面,遠(yuǎn)離半徑方向2 mm處。
圖14 空氣溫度Fig.14 Temperature of air
從上圖可以看到,空氣在摩擦片側(cè)面均布小凸臺(tái)時(shí)候的溫度較普通柱面時(shí)候的溫度有上升28%,尤其是在高速且有較大速度差的時(shí)候溫度升高更加迅速。這主要是由于摩擦片的轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)小凸臺(tái)擾動(dòng)加速了周圍的空氣與摩擦片的熱交換,更多的熱量通過(guò)對(duì)流聚集在空氣層中,這樣空氣層的溫度升高。同時(shí)也看到,在摩擦片脫開(kāi)和結(jié)合的時(shí)候,空氣層溫度下降亦十分明顯。而這時(shí)條件相對(duì)于柱面平滑時(shí)候唯有凸起在擾動(dòng)空氣層。
基于不同熱流密度條件下的熱流密度曲線(a),對(duì)模型設(shè)置主動(dòng)速度入口以及壓力出口,同時(shí)速度入口的空氣速度為2 m/s。
3.4.1離合器摩擦片圓心處的溫度變化曲線
在上圖中,實(shí)線所示的溫度曲線為自然對(duì)流條件下的溫度曲線,虛線所示的溫度曲線為強(qiáng)制散熱條件下的溫度曲線。從這些數(shù)據(jù)情況可以看到,在強(qiáng)制散熱條件下的溫度較自然對(duì)流條件下的溫度有10%的降低,尤其是在沒(méi)有滑摩功產(chǎn)生條件時(shí)候溫度下降更加迅速。
3.4.2空氣溫度變化曲線
監(jiān)測(cè)的空氣位于摩擦片-2接觸面平面,遠(yuǎn)離半徑方向2 mm處。
從上圖可以看到,空氣溫度在強(qiáng)制散熱條件下,溫度出現(xiàn)下降,但是摩擦片-2滑摩導(dǎo)致溫度升高的時(shí)候,這樣的效果并不明顯。
基于不同熱流密度條件下的熱流密度曲線(a),對(duì)模型中的壓盤(pán)以及離合器摩擦片設(shè)置遍歷時(shí)間的轉(zhuǎn)速,分析結(jié)果。
圖15 摩擦片溫度Fig.15 Temperature of friction plate
圖16 空氣溫度Fig.16 Temperature of air
3.5.1離合器摩擦片圓心處的溫度變化曲線
圖17 摩擦片溫度Fig.17 Temperature of friction plate
在上圖中,實(shí)線所示的溫度曲線為忽略轉(zhuǎn)速對(duì)溫度影響時(shí)候的溫度曲線,虛線所示的溫度曲線為對(duì)模型中的壓盤(pán)以及離合器摩擦片設(shè)置轉(zhuǎn)速條件下的溫度曲線。
從這些數(shù)據(jù)情況可以看到,在壓盤(pán)以及離合器摩擦片設(shè)置轉(zhuǎn)速條件下的溫度有較多的降低,尤其是在沒(méi)有滑摩功產(chǎn)生條件時(shí)候溫度下降更加迅速。可以看到,對(duì)于DCT部件來(lái)說(shuō),當(dāng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)擾動(dòng)空氣時(shí)候,能夠帶走相當(dāng)量的熱量,減少摩擦片的溫升。
3.5.2空氣溫度變化曲線
監(jiān)測(cè)的空氣位于摩擦片-2接觸面平面,遠(yuǎn)離半徑方向2 mm處。
圖18 空氣溫度Fig.18 Temperature of air
從這些數(shù)據(jù)情況可以看到,在壓盤(pán)以及離合器摩擦片設(shè)置轉(zhuǎn)速條件下空氣溫度上升??梢钥吹?對(duì)于DCT部件來(lái)說(shuō),當(dāng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)擾動(dòng)空氣時(shí)候,空氣和轉(zhuǎn)動(dòng)部件的對(duì)流作用加劇,空氣層得到更多的熱量,加速空氣溫度上升。
從仿真結(jié)果及分析可知,在頻繁換擋工況條件下,干式雙離合器自動(dòng)變速器在30%油門下,5s內(nèi)汽車由空檔起步至一檔,接著迅速升檔至二檔,然后又降至一檔的過(guò)程中,摩擦片溫度上升170K;在選擇的兩條熱流密度條件下,整個(gè)離合器部件溫度較平緩變化條件下高12%;在仿真模型中,摩擦片邊緣均布6個(gè)1 mm厚度的凸起時(shí),摩擦片中心溫度有10%降低;強(qiáng)制對(duì)流條件下,風(fēng)速為2 m/s時(shí),摩擦片中心溫度降低10%。
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