鄭良杰,馬彪,陳漫,于亮,張存振
(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081)
濕式多片離合器作為車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,起到傳遞功率和切換擋位的重要作用,直接影響傳動(dòng)裝置的綜合性能。濕式多片離合器接合過(guò)程摩擦轉(zhuǎn)矩和分離狀態(tài)帶排轉(zhuǎn)矩是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。
考慮離合器的接合過(guò)程,馬彪等[1]、Yu等[2-3]建立基于平均流量模型的摩擦元件多場(chǎng)耦合數(shù)值模型,研究了控制油壓等工作參數(shù)對(duì)摩擦轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律。吳健鵬等[4]優(yōu)化了離合器接合過(guò)程溫度場(chǎng)數(shù)值模型,研究了控制油壓對(duì)滑摩過(guò)程溫度場(chǎng)的影響。馬彪等[5]采用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型研究了潤(rùn)滑流量和轉(zhuǎn)速對(duì)離合器溫升的影響規(guī)律。楊立昆等[6]研究了控制油壓對(duì)接合過(guò)程摩擦振顫的影響規(guī)律。趙二輝等[7]、Yu等[8]通過(guò)摩擦副微觀混合潤(rùn)滑模型分別研究了轉(zhuǎn)速和溝槽面積對(duì)離合器摩擦磨損特性的影響。在傳動(dòng)裝置工作過(guò)程中,離合器長(zhǎng)時(shí)間處于分離狀態(tài),降低帶排轉(zhuǎn)矩對(duì)傳動(dòng)效率的提升意義重大。Iqbal等[9]、Hu等[10]分別建立了中低速和高速狀態(tài)帶排轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值計(jì)算模型。張琳等[11]和Zhang等[12]通過(guò)分離狀態(tài)摩擦副碰摩模型研究了高轉(zhuǎn)速下摩擦元件的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和帶排轉(zhuǎn)矩特性。成宵等[13]基于含徑向槽的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)流場(chǎng)仿真模型研究了入口流量和轉(zhuǎn)速對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響。師路騏等[14]研究了低速下摩擦元件偏置和高速下摩擦副間隙收縮對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響。Wang等[15]通過(guò)建立數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型,研究了摩擦副間隙分布對(duì)低速帶排轉(zhuǎn)矩的影響,結(jié)果表明間隙分布越不均勻,帶排轉(zhuǎn)矩越大。為了增大副間流體動(dòng)壓承載力并改善摩擦副間隙的均勻程度,Neupert等[16-17]通過(guò)試驗(yàn)和CFD仿真的方法研究了分離狀態(tài)副間油膜壓力的分布規(guī)律。另外,分離過(guò)程中甚至?xí)霈F(xiàn)某些摩擦副無(wú)法分離的情況,導(dǎo)致摩擦副的長(zhǎng)時(shí)滑摩,造成離合器燒蝕。所以,分離過(guò)程轉(zhuǎn)矩和間隙的變化以及分離過(guò)程持續(xù)時(shí)間對(duì)車輛換擋的精確控制非常關(guān)鍵。
本文針對(duì)以上問(wèn)題,考慮摩擦元件的運(yùn)動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)特征,建立濕式多片離合器分離過(guò)程動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型,研究了分離過(guò)程初始控制油壓和油壓下降速率對(duì)六摩擦副濕式離合器分離動(dòng)態(tài)特性的影響,得到分離過(guò)程摩擦副間隙和摩擦轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律,提出了不均勻系數(shù)以表征濕式多片離合器分離間隙均勻度。本文填補(bǔ)了離合器工作參數(shù)對(duì)濕式多片離合器分離過(guò)程影響的研究空白。
濕式多片離合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,在其工作過(guò)程中,可以軸向移動(dòng)的摩擦元件有活塞、摩擦片和鋼片,其軸向受力如圖2所示。圖2中,F(xiàn)v為流體動(dòng)壓承載力,F(xiàn)c為微凸體粗糙接觸力,F(xiàn)k為回位彈簧作用力,F(xiàn)p為控制油壓作用力,F(xiàn)d為阻尼力,F(xiàn)impact為活塞與離合器轂的碰撞接觸力,F(xiàn)s和Ff分別為鋼片和摩擦片的花鍵摩擦力,Z為離合器的摩擦副數(shù),摩擦元件按照從活塞至最后一片摩擦片的順序編號(hào)為0、1、2、3、…、Z-1和Z,x為各摩擦元件位移,相鄰摩擦元件之間的間隙可以表示為
(1)
式中:Hsd和Hfd分別為鋼片和摩擦片的厚度。
各摩擦元件的受力平衡方程為
(2)
在平均層流假設(shè)[1]的基礎(chǔ)上考慮摩擦材料的滲透性和粗糙接觸效應(yīng),并假設(shè)油膜壓力軸對(duì)稱,邊界油膜壓力為0 MPa,將平均油膜壓力在流體潤(rùn)滑面積Av上積分,得到摩擦副的流體動(dòng)壓承載力[3]為
(3)
式中:η為潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度;h為名義油膜厚度;σ為聯(lián)合表面粗糙度均方根;Ri和Ro分別為摩擦副內(nèi)外半徑;Ared為非溝槽區(qū)域面積比;系數(shù)A和B分別為
A=φrh3+12Ψdm
(4)
(5)
φr為徑向壓力流量因子,Ψ和dm分別為摩擦材料的滲透率和厚度,ρ為潤(rùn)滑油密度,ωf1和ωf2分別為鋼片和摩擦片的角速度;C為接觸比。
考慮活塞與第1片鋼片同為鋼材料,并以相同的角速度旋轉(zhuǎn),對(duì)(3)式進(jìn)行簡(jiǎn)化,得到活塞與第1片鋼片之間的流體動(dòng)壓承載力為
(6)
將粗糙接觸面積Ac與名義接觸面積An的比值定義為接觸比C[3],
C=κπ2(Nβσ)2·
(7)
式中:κ為塑性變形系數(shù);N和β分別為微凸峰的密度和曲率半徑;H=h/σ為膜厚比。
微凸體接觸壓力[1]可以表示為
(8)
式中:K′為接觸系數(shù);E′為當(dāng)量彈性模量。
在粗糙接觸面積上對(duì)微凸體接觸壓力進(jìn)行積分,得到微凸體粗糙接觸力為
(9)
摩擦副的摩擦轉(zhuǎn)矩Mf由黏性轉(zhuǎn)矩Mv和粗糙接觸轉(zhuǎn)矩Mc構(gòu)成?;谄骄髁磕P?,黏性轉(zhuǎn)矩[3]表示為
(10)
式中:φf(shuō)和φf(shuō)s為剪切應(yīng)力系數(shù);Δω為主被動(dòng)端角速度差。
對(duì)微凸體接觸壓力產(chǎn)生的摩擦力微元進(jìn)行積分,得到粗糙接觸轉(zhuǎn)矩[3]為
(11)
式中:μ為摩擦系數(shù),通過(guò)大量銷盤試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得[18],表示為
0.08(e-0.005T-1)(e-0.2v-1)+
(12)
v為兩摩擦表面線速度差,T為潤(rùn)滑油溫度,p為摩擦副加載壓力。
離合器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程表示為
(13)
式中:If1為被動(dòng)端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Mfi為第i個(gè)摩擦副的摩擦轉(zhuǎn)矩;MR為被動(dòng)端阻力矩。
由于摩擦轉(zhuǎn)矩經(jīng)由花鍵傳遞,當(dāng)摩擦片或鋼片發(fā)生軸向移動(dòng)時(shí),花鍵處會(huì)產(chǎn)生阻礙其軸向移動(dòng)的摩擦力[19]。摩擦片受到的花鍵摩擦力表示為
(14)
鋼片受到的花鍵摩擦力表示為
(15)
式中:μs為對(duì)偶鋼片外齒花鍵摩擦系數(shù);Rs為外花鍵齒節(jié)圓半徑;αs為外花鍵齒壓力角。
此外,鋼片受到的花鍵阻尼力表示為
(16)
式中:cs為阻尼系數(shù),與外齒花鍵結(jié)構(gòu)有關(guān)。
在濕式多片離合器的分離過(guò)程中,活塞在回位彈簧推動(dòng)下回到極限位置后,其動(dòng)能不可能瞬間歸零,而是在活塞與離合器轂的不斷碰撞過(guò)程中耗盡。碰撞過(guò)程中活塞的位移和速度變化會(huì)影響摩擦副的分離,因此,采用LN接觸模型[20]將碰撞接觸力表示為
(17)
隨著活塞端控制油壓的加載與卸載,離合器從分離狀態(tài)開(kāi)始依次經(jīng)歷接合過(guò)程、接合狀態(tài)和分離過(guò)程,最后回到分離狀態(tài)。離合器工作循環(huán)的仿真流程如圖3所示,首先使用初始狀態(tài)或上一時(shí)間步的計(jì)算結(jié)果計(jì)算摩擦元件受力;然后通過(guò)求解受力平衡方程獲得各摩擦元件加速度、速度和位移;再使用各摩擦元件位移和速度計(jì)算各間隙和各間隙變化率;最后重復(fù)該計(jì)算過(guò)程至預(yù)設(shè)仿真時(shí)長(zhǎng)tend。
選取6摩擦副濕式多片離合器進(jìn)行仿真,一個(gè)工作循環(huán)的仿真時(shí)長(zhǎng)為5 s。為體現(xiàn)活塞與第1片鋼片之間間隙δ0的變化,將其初始值設(shè)為0.05 mm,將第1摩擦副間隙δ1的初始值設(shè)為0.45 mm,而其他摩擦副間隙的初始值均為理想分離間隙0.5 mm。其他仿真輸入?yún)?shù)如表1所示。
表1 仿真輸入?yún)?shù)
考慮離合器分離過(guò)程的初始控制油壓和油壓下降速率,設(shè)置控制油壓在第1.5 s從1.8 MPa開(kāi)始下降,分別在第1.6 s、1.7 s、1.8 s、1.9 s和2 s下降至0.05 MPa,最后均在第5 s下降至0 MPa,并將其依次編號(hào)為PD1、PD2、PD3、PD4和PD5;設(shè)置初始控制油壓分別為1.2 MPa、1.5 MPa、1.8 MPa、2.1 MPa和2.4 MPa,均在第1.6 s下降至0.05 MPa,并將其依次編號(hào)為p1、p2、p3、p4和p5。以PD1(p3)組仿真為例:在離合器的整個(gè)工作過(guò)程中,控制油壓papp和鋼片轉(zhuǎn)速nf1的變化如圖4(a)所示,摩擦片轉(zhuǎn)速nf2始終為1 000 r/min,鋼片的初始轉(zhuǎn)速和最終轉(zhuǎn)速均為0 r/min,各間隙的變化如圖4(b)所示。
根據(jù)油壓、轉(zhuǎn)速和間隙的變化,以PD1(p3)組仿真為例對(duì)濕式離合器的工作過(guò)程進(jìn)行劃分:控制油壓作用力在第0.3 s之后大于回位彈簧力,各間隙開(kāi)始減小,接合過(guò)程(A)開(kāi)始;鋼片和摩擦片的轉(zhuǎn)速差在第0.638 s降為0 r/min,主被動(dòng)端完成同步,離合器進(jìn)入接合狀態(tài)(B);控制油壓在第1.5 s開(kāi)始下降,分離過(guò)程(C)開(kāi)始;各摩擦副間隙在第1.698 s之后穩(wěn)定,分離過(guò)程結(jié)束,離合器進(jìn)入分離狀態(tài)(D)。
如圖4(b)所示,在分離過(guò)程中,各摩擦副間隙首先緩慢增大,再迅速增大,然后劇烈波動(dòng),最后趨于穩(wěn)定。第1摩擦副間隙δ1波動(dòng)最劇烈且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),當(dāng)δ1穩(wěn)定后,分離過(guò)程結(jié)束。不同油壓下降速率下的分離過(guò)程結(jié)束時(shí)刻t3如表2所示。隨著油壓下降速率的減小,分離時(shí)刻從第1.698 s延后至第2.019 s,各組分離過(guò)程持續(xù)時(shí)間分別為0.198 s、0.277 s、0.357 s、0.438 s和0.519 s。因此,油壓下降速率的減小顯著延長(zhǎng)了濕式多片離合器的分離過(guò)程持續(xù)時(shí)間。
不同初始控制油壓下的分離過(guò)程結(jié)束時(shí)刻t3如表3所示。隨著初始控制油壓從1.2 MPa增加至2.4 MPa,分離時(shí)刻從第1.689 s延后至第1.704 s,各組分離過(guò)程持續(xù)時(shí)間分別為0.189 s、0.194 s、0.198 s、0.201 s和0.204 s。因此,初始控制油壓的增加延長(zhǎng)了濕式多片離合器的分離過(guò)程持續(xù)時(shí)間,但是其影響相對(duì)較小。
不同油壓下降速率和初始控制油壓下的摩擦副分離間隙分別如表2和表3所示,各組摩擦副間隙均從第1副至第6副依次減小。由表2、表3可以發(fā)現(xiàn),通過(guò)直接比較各摩擦副間隙的大小并不能直觀地判斷間隙分布的均勻程度。因此提出不均勻系數(shù)Π表征摩擦副分離的均勻程度,不均勻系數(shù)表示為
表3 不同初始控制油壓下仿真結(jié)果
(18)
式中:δ*為理想均勻分離間隙。不均勻系數(shù)與摩擦副間隙大小呈反比,與分離間隙均勻度呈反比,并且1>Π>0.5。
如圖5所示,不均勻系數(shù)隨著摩擦副間隙的增大首先緩慢減小,然后迅速減小,并隨間隙的波動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng),當(dāng)摩擦副間隙穩(wěn)定后,不均勻系數(shù)也隨之穩(wěn)定。不同油壓下降速率下,分離過(guò)程結(jié)束后的不均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。隨著油壓下降速率的減小,不均勻系數(shù)從0.561 0增加至0.597 8,第1摩擦副間隙δ1從1.439 1 mm增加至1.755 5 mm,第6摩擦副間隙δ6從0.224 3 mm減小至0.178 7 mm。因此,油壓下降速率的減小顯著惡化了濕式多片離合器的分離間隙均勻度。
表2 不同油壓下降速率下仿真結(jié)果
不同初始控制油壓下,分離過(guò)程結(jié)束后的不均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可見(jiàn):隨著控制油壓從1.2 MPa增加至2.1 MPa,不均勻系數(shù)從0.562 2減小至0.560 5;當(dāng)控制油壓增加至2.4 MPa時(shí),不均勻系數(shù)增加至0.564 3。因此,初始控制油壓的增加有助于改善分離間隙均勻度,但初始控制油壓過(guò)高時(shí),反而惡化了分離間隙均勻度。相比于油壓下降速率,初始控制油壓對(duì)分離間隙均勻度的影響并不明顯。
在濕式多片離合器的分離過(guò)程中,各摩擦副依次經(jīng)歷邊界潤(rùn)滑階段(C1)、混合潤(rùn)滑階段(C2)和流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段(C3)。依據(jù)粗糙接觸轉(zhuǎn)矩和黏性轉(zhuǎn)矩的變化對(duì)分離過(guò)程潤(rùn)滑階段進(jìn)行劃分。如圖6所示,PD1(p3)組黏性轉(zhuǎn)矩在第1.57 s開(kāi)始增加,分離過(guò)程進(jìn)入混合潤(rùn)滑階段;如圖7所示,PD1(p3)組粗糙接觸轉(zhuǎn)矩在第1.645 s開(kāi)始小于10-6N·m,分離過(guò)程進(jìn)入流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段。其余各組進(jìn)入混合潤(rùn)滑階段的時(shí)刻t1和進(jìn)入流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段的時(shí)刻t2如表2和表3所示。
隨著油壓下降速率的減小,各組進(jìn)入混合潤(rùn)滑階段的時(shí)刻從第1.57 s延后至第1.781 s,邊界潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間依次為0.07 s、0.125 s、0.179 s、0.23 s和0.281 s;各組進(jìn)入流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段的時(shí)刻從第1.645 s延后至第1.962 s,混合潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間依次為0.075 s、0.099 s、0.126 s、0.154 s和0.181 s;各組流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間依次為0.053 s、0.053 s、0.052 s、0.054 s和0.057 s。因此,油壓下降速率的減小顯著延后了分離過(guò)程中潤(rùn)滑特性的轉(zhuǎn)變,并顯著延長(zhǎng)了邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間,但對(duì)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間幾乎沒(méi)有影響。
隨著初始控制油壓從1.2 MPa增加至2.4 MPa,各組進(jìn)入混合潤(rùn)滑階段的時(shí)刻從第1.55 s延后至第1.581 s,邊界潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間依次為0.05 s、0.061 s、0.07 s、0.077 s和0.081 s;各組進(jìn)入流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段的時(shí)刻從第1.636 s延后至第1.651 s,混合潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間依次為0.086 s,0.08 s,0.075 s,0.072 s和0.07 s;各組流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間依次為0.053 s、0.053 s、0.053 s、0.052 s和0.053 s。因此,初始控制油壓的增加延后了分離過(guò)程中潤(rùn)滑特性的轉(zhuǎn)變,延長(zhǎng)了邊界潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間,并縮短了混合潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間,但對(duì)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間幾乎沒(méi)有影響。
如圖7所示,在邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑階段,粗糙接觸轉(zhuǎn)矩首先迅速減小,然后緩慢減小至0 N·m。如圖6所示,在混合潤(rùn)滑和流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段,黏性轉(zhuǎn)矩首先迅速增大,達(dá)到最大值后又快速減小,并隨著間隙的波動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng),當(dāng)間隙穩(wěn)定之后,隨著轉(zhuǎn)速差的增大而緩慢增大。
如圖7(a)所示,隨著油壓下降速率的減小,粗糙接觸轉(zhuǎn)矩的衰減速率依次減小。如圖6(a)所示,隨著油壓下降速率的減小,黏性轉(zhuǎn)矩的最大值依次增加,分別為14.5 N·m、20.8 N·m、26.7 N·m、31.9 N·m和36.8 N·m;分離過(guò)程結(jié)束時(shí)刻的黏性轉(zhuǎn)矩也依次增加,分別為1.75 N·m、2.02 N·m、2.39 N·m、2.84 N·m和3.34 N·m。因此,油壓下降速率的減小減緩了粗糙接觸轉(zhuǎn)矩的下降,并顯著增大了分離過(guò)程中的黏性轉(zhuǎn)矩。
如圖7(b)所示,隨著初始控制油壓從1.2 MPa增加至2.4 MPa,分離過(guò)程粗糙接觸轉(zhuǎn)矩的初始值依次增大,粗糙接觸轉(zhuǎn)矩的衰減速率也依次增大。如圖6(b)所示,隨著控制油壓從1.2 MPa增加至2.4 MPa,黏性轉(zhuǎn)矩的最大值依次減小,分別為17.1 N·m、15.6 N·m、14.5 N·m、13.9 N·m和13.5 N·m。隨著控制油壓從1.2 MPa增加至2.1 MPa,分離過(guò)程結(jié)束時(shí)刻的黏性轉(zhuǎn)矩依次減小,分別為1.86 N·m、1.8 N·m、1.75 N·m和1.72 N·m,但當(dāng)控制油壓增加至2.4 MPa時(shí),分離過(guò)程結(jié)束時(shí)刻的黏性轉(zhuǎn)矩增加至1.75 N·m。因此,初始控制油壓的增加顯著增大了粗糙接觸轉(zhuǎn)矩的初始值和衰減速率,并減小了分離過(guò)程中的黏性轉(zhuǎn)矩,但對(duì)分離過(guò)程結(jié)束時(shí)刻的黏性轉(zhuǎn)矩影響較小。
可見(jiàn)控制油壓下降越慢,微凸體形變恢復(fù)越慢,使分離過(guò)程持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng),進(jìn)而放大了花鍵摩擦力的阻礙作用,使分離間隙更加不均勻,并導(dǎo)致黏性轉(zhuǎn)矩的增加;初始控制油壓越大,轉(zhuǎn)速差出現(xiàn)的越晚,流體動(dòng)壓承載力越小,使分離過(guò)程持續(xù)時(shí)間略微延長(zhǎng),并減小了分離過(guò)程中的黏性轉(zhuǎn)矩。
本文建立了濕式多片離合器分離過(guò)程的動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真模型,研究了控制油壓對(duì)六摩擦副濕式離合器分離過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的影響。得到主要結(jié)論如下:
1)受控于微凸體形變的恢復(fù),油壓下降速率的減小和初始控制油壓的增加均延長(zhǎng)了濕式多片離合器的分離過(guò)程持續(xù)時(shí)間,但是油壓下降速率的減小對(duì)分離過(guò)程持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)作用更為顯著。
2)隨著油壓下降速率的減小,花鍵摩擦的阻礙作用被放大,使不均勻系數(shù)從0.561 0增加至0.597 8,濕式多片離合器的分離間隙均勻度顯著惡化,而初始控制油壓對(duì)分離間隙均勻度的影響并不明顯。
3)油壓下降速率的減小顯著延長(zhǎng)了邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間,而初始控制油壓的增加延長(zhǎng)了邊界潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間,縮短了混合潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間;但油壓下降速率和初始控制油壓對(duì)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段的持續(xù)時(shí)間幾乎沒(méi)有影響。
4)油壓下降速率的減小減緩了粗糙接觸轉(zhuǎn)矩的下降,受分離間隙均勻度惡化的影響,分離過(guò)程中的黏性轉(zhuǎn)矩顯著增大;而初始控制油壓的增加顯著增大了粗糙接觸轉(zhuǎn)矩的初始值和衰減速率,并減小了分離過(guò)程中的黏性轉(zhuǎn)矩。