基于某變速器的干式雙離合器自調(diào)節(jié)原理分析

劉培 陳慧巖 李垚 魯佳

（1.北京理工大學(xué)車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

基于某變速器的干式雙離合器自調(diào)節(jié)原理分析

劉培 陳慧巖 李垚 魯佳

（1.北京理工大學(xué)車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

基于某干式雙離合器，采用激光點(diǎn)云掃描技術(shù)掃描其膜片彈簧表面，并結(jié)合CATIA軟件生成膜片彈簧實(shí)體模型。用ANSYS/Workbench軟件分別對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，得到自由狀態(tài)膜片彈簧小端載荷位移曲線，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)證明了曲線趨勢(shì)的合理性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)干式雙離合器的自調(diào)節(jié)原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 前言

干式雙離合變速器因其無(wú)動(dòng)力中斷、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)在乘用車上被廣泛應(yīng)用[1]，但在離合器接合分離過(guò)程中，摩擦片因長(zhǎng)期交替滑摩會(huì)導(dǎo)致磨損。試驗(yàn)表明，干式離合器在達(dá)到240 000 km時(shí)約造成3.5 mm的磨損量[2]。摩擦片磨損后，壓盤與摩擦片之間間隙會(huì)變大，導(dǎo)致工作時(shí)與壓盤接觸的膜片彈簧部分位移增大。一方面，因杠桿比作用而引起接合軸承空行程位移變大，進(jìn)而使電液模塊中離合器推桿位移變大，使得離合器推桿位移傳感器信號(hào)隨之改變，導(dǎo)致其控制策略需不斷適應(yīng)其參數(shù)變化；另一方面，因接合行程變長(zhǎng)導(dǎo)致壓盤與摩擦片接合時(shí)膜片彈簧小端作用力改變，摩擦片接合力變化，進(jìn)而離合器轉(zhuǎn)矩容量改變，增加行車不穩(wěn)定因素。

通過(guò)采用自調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可在離合器工作過(guò)程中軸向移動(dòng)膜片彈簧，推動(dòng)壓盤減小與摩擦片多余間隙，使得膜片彈簧小端位移與接合力均保持穩(wěn)定。目前國(guó)內(nèi)對(duì)常閉式膜片彈簧自調(diào)節(jié)機(jī)理研究較多，而由于其干式雙離合器本身結(jié)構(gòu)、工作原理完全不同，自調(diào)節(jié)原理國(guó)內(nèi)較少涉及。本文基于某干式雙離合器，分別進(jìn)行實(shí)物拆解、仿真和試驗(yàn)等，對(duì)其自調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2 膜片彈簧工作特性

雙離合器結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，離合器殼體與中間驅(qū)動(dòng)盤通過(guò)鉚釘固連，并各自通過(guò)傳動(dòng)片連接相應(yīng)壓盤。膜片彈簧安裝在離合器殼體兩側(cè)，根據(jù)其各自支點(diǎn)位置的不同，可分為推式和拉式兩種。膜片彈簧受感應(yīng)彈簧和限制塊的作用處于預(yù)壓緊狀態(tài)，兩個(gè)膜片彈簧基本壓平。裝配狀態(tài)下，與一般常閉式離合器不同，壓盤與摩擦片因傳動(dòng)片彈力會(huì)保持一定間隙，為常開(kāi)狀態(tài)，稱為常開(kāi)式雙離合器，該設(shè)計(jì)可防止控制單元意外斷電時(shí)離合器同時(shí)接合，保證行車安全。

當(dāng)推式膜片彈簧小端受到接合軸承推力時(shí)，以其調(diào)整圈為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，大端推動(dòng)連接環(huán)，拉動(dòng)離合器1壓盤向其摩擦片方向移動(dòng)消除間隙。因限制塊作用，在小端加載到某一閾值時(shí)，方可轉(zhuǎn)動(dòng)膜片彈簧。這樣，有效減小了其空行程軸向位移，使離合器結(jié)構(gòu)更加緊湊。拉式膜片彈簧無(wú)連接環(huán)中間過(guò)渡，在小端受力到達(dá)閾值后，膜片彈簧以大端調(diào)整圈為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，消除間隙進(jìn)入接合狀態(tài)。由于該結(jié)構(gòu)的自調(diào)節(jié)原理與膜片彈簧本身變形特性密切相關(guān)，因此有必要對(duì)膜片彈簧小端載荷位移曲線進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

2.1 有限元分析載荷變形曲線

由于雙離合器中使用的膜片彈簧存在變截面、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，一般測(cè)量分析方法（如A-L算法）誤差較大[3]，但自調(diào)節(jié)原理與膜片彈簧本身特性密切相關(guān)。本文使用三維點(diǎn)云掃描技術(shù)，得到膜片彈簧表面3 000余掃描點(diǎn)，導(dǎo)入CATIA軟件，生成膜片彈簧的截面輪廓，通過(guò)拉伸得到實(shí)體模型,如圖2和圖3所示。

通過(guò)測(cè)量實(shí)物中膜片彈簧小端與支點(diǎn)直徑，并參照文獻(xiàn)[4]中分析方法，使用ANSYS/Workbench軟件對(duì)兩個(gè)膜片彈簧進(jìn)行小端位移加載分析。對(duì)其進(jìn)行實(shí)體單元網(wǎng)格劃分，在各自支點(diǎn)圓周施加軸向固定位移約束，在小端圓周施加20 mm負(fù)向位移約束，開(kāi)啟靜力大變形效應(yīng)，可得到自由狀態(tài)小端載荷位移曲線如圖4和圖5所示。

由圖4與圖5分析可以看出，兩個(gè)膜片彈簧變化趨勢(shì)明顯不同。推式膜片彈簧在小端位移約7 mm到達(dá)峰值后，小端載荷隨著位移增大而緩慢減小，即表現(xiàn)出較長(zhǎng)的負(fù)剛度工作區(qū)域。結(jié)合實(shí)物拆解發(fā)現(xiàn)，它的碟簧部分厚度明顯小于接合指部分，且內(nèi)錐高較大，故高厚比較大，分析曲線和這一變截面形狀設(shè)計(jì)一致。而拉式膜片彈簧小端載荷隨位移變大而不斷增大，始終表現(xiàn)為正剛度工作特性。結(jié)合實(shí)物拆解，它的厚度無(wú)變截面設(shè)計(jì)，且內(nèi)錐高較小，這與該曲線趨勢(shì)一致。故與推式膜片彈簧不同，在克服預(yù)壓緊力后，小端仍需不斷加力來(lái)消除空行程。與一般膜片彈簧類似，干式雙離合器中膜片彈簧在磨損后，小端空行程位移增大，這導(dǎo)致離合器接合時(shí)小端載荷的變化。由圖4可知，摩擦片磨損后，推式膜片彈簧小端載荷將在一定位移區(qū)間內(nèi)沿曲線減小，約16 mm后沿曲線增大。由后期試驗(yàn)可知，推式膜片彈簧空行程位移為3 mm，在此區(qū)間內(nèi)小端載荷將持續(xù)減小。由圖5可知，拉式膜片彈簧小端載荷則沿曲線持續(xù)增大。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)臺(tái)架基于某雙離合器變速器，如圖6所示，將電液模塊內(nèi)部傳感器、電磁閥及電機(jī)控制導(dǎo)線引出，便于控制[5]。通過(guò)控制比例電磁閥，采集離合器位移傳感器信號(hào)，得到實(shí)際工作時(shí)膜片彈簧小端的載荷位移關(guān)系。

電液控制單元油路如圖7所示，液壓油經(jīng)過(guò)內(nèi)部電機(jī)加壓至6 MPa[6]，通過(guò)兩個(gè)比例減壓閥（P1和P2）分別進(jìn)入奇數(shù)擋和偶數(shù)擋油路，再經(jīng)下面的比例流量閥進(jìn)行換擋和離合器接合分離操作。

由試驗(yàn)已知比例減壓閥的電流線性工作區(qū)間為0.4～1.2 A。保持對(duì)應(yīng)比例流量閥C1電流0.75 A全開(kāi)，通過(guò)不斷增加減壓閥P1電流，給膜片彈簧小端加力，得到離合器位移傳感器占空比信號(hào)，結(jié)合已標(biāo)定過(guò)的離合器位移傳感器占空比與位移關(guān)系得到小端位移數(shù)據(jù)。兩個(gè)膜片彈簧工作的載荷位移曲線如圖8和圖9所示。

對(duì)于推式膜片彈簧，將流量閥C1電流保持在0.75 A，增加減壓閥電流。當(dāng)減壓閥P1小于0.58 A時(shí)，離合器位移傳感器輸出不變，表示尚未完全克服限制塊接觸力。當(dāng)減壓閥大于0.58 A時(shí)，離合器位移傳感輸出從0迅速升至11.8 mm。比較圖4中小端載荷位移曲線，說(shuō)明裝配時(shí)限制塊預(yù)緊力大小約等于圖4中曲線峰值的小端載荷，故在完全克服限制塊接觸力后曲線進(jìn)入負(fù)剛度區(qū)間，直到消除摩擦片間隙進(jìn)入接合狀態(tài)。之后進(jìn)入接合階段，碟簧不再變形，因結(jié)合指自身變形，小端位移與電流呈線性關(guān)系。空行程中膜片彈簧小端所需受力減小，這與圖4有限元分析曲線特性一致。

對(duì)于拉式膜片彈簧，將流量閥C2電流保持在0.75 A，當(dāng)減壓閥P2小于0.55 A時(shí)，因尚未完全克服限制塊接觸力，離合器位移傳感器輸出不變。當(dāng)減壓閥大于0.55 A時(shí)，隨著減壓閥電流繼續(xù)變大，位移開(kāi)始出現(xiàn)較大變化，說(shuō)明正在克服空行程膜片彈簧阻力；到0.69 A時(shí)，位移為11.9 mm。之后曲線趨勢(shì)明顯變緩，表示已完全消除間隙進(jìn)入接合階段，試驗(yàn)過(guò)程與圖5有限元分析曲線趨勢(shì)吻合。

3 自調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)原理分析

3.1 自調(diào)節(jié)條件分析

如圖10所示，常閉式離合器自調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般由感應(yīng)彈簧、離合器調(diào)整圈、螺旋彈簧組成[7]。調(diào)整圈上有斜面齒與離合器殼體上斜面齒配合，并保持一定壓緊力,通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)反行程自鎖。如圖11所示，調(diào)整圈受到膜片彈簧作用力Ft、螺旋彈簧作用力Fs、摩擦力Ff、以及楔形面支持力FN作用，調(diào)整圈與離合器殼體之間動(dòng)摩擦系數(shù)為f，設(shè)此時(shí)調(diào)整圈開(kāi)始沿斜面向上移動(dòng)，其受力滿足以下關(guān)系式：

整理方程組（1）可得出自調(diào)節(jié)出現(xiàn)的條件為Ft摩擦片未磨損時(shí)，壓盤與摩擦片結(jié)合過(guò)程中Ft雖減小，但仍大于該閾值，自調(diào)節(jié)不會(huì)出現(xiàn)。從動(dòng)盤摩擦片磨損后，膜片彈簧空行程位移增大，導(dǎo)致Ft小于該閾值，在螺旋彈簧作用下，調(diào)整圈將沿著離合器斜面周向移動(dòng)；Ft恢復(fù)到閾值，調(diào)整圈繼續(xù)保持穩(wěn)定。

3.2 膜片彈簧自調(diào)節(jié)原理分析

由于干式雙離合器中離合器為常開(kāi)式，其自調(diào)節(jié)過(guò)程分析與一般常閉式不同，但自調(diào)節(jié)條件類似。在CAITA中對(duì)膜片彈簧取側(cè)面剖視圖，參考圖1并結(jié)合已拆解實(shí)物中自調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的受力關(guān)系可知，空行程時(shí)膜片彈簧主要受到小端作用力F1、限制塊作用力Fx、感應(yīng)彈簧作用力Fg、調(diào)整圈作用力Ft等4個(gè)力作用。感應(yīng)彈簧實(shí)質(zhì)是一種蝶形彈簧，存在較大的零剛度區(qū)域，故作用力在較大區(qū)域內(nèi)能保持基本不變。分析已拆解離合器發(fā)現(xiàn)，推式膜片彈簧的調(diào)整圈作用力方向與拉式膜片彈簧相反，這與其自調(diào)節(jié)過(guò)程密切相關(guān)，故得到膜片彈簧空行程受力示意圖如圖12和圖13所示。

3.2.1 推式膜片彈簧自調(diào)節(jié)受力分析

空行程時(shí)，推式膜片彈簧連接環(huán)與膜片彈簧之間的接觸力較小，可忽略不計(jì)，根據(jù)圖12可得到膜片彈簧受力關(guān)系式：

當(dāng)小端不斷加載時(shí)，限制塊與膜片彈簧之間的作用力Fx逐漸減小至0。此時(shí)，推式膜片彈簧作用力處于載荷位移曲線峰值附近，隨后進(jìn)入負(fù)剛度工作區(qū)域，小端將以調(diào)整圈為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，大端推動(dòng)連接環(huán)，使壓盤和摩擦片消除空行程而進(jìn)入接合狀態(tài)。由圖4可知，消除空行程過(guò)程中F1減小，結(jié)合式（2）可知，因Fg基本不變，故Ft減小。若此時(shí)摩擦片未磨損，膜片彈簧在Ft減小到閾值前進(jìn)入接合狀態(tài)。摩擦片磨損后，由于小端空行程位移增大，由圖4可知，F(xiàn)1繼續(xù)減小，故Ft隨之減小到閾值以下，此時(shí)，在螺旋彈簧作用下，調(diào)整圈向膜片彈簧移動(dòng)，F(xiàn)t隨之增大到閾值并克服螺旋彈簧作用力而穩(wěn)定。膜片彈簧受調(diào)整圈推動(dòng)而軸向移動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)連接環(huán)推動(dòng)壓盤縮小與摩擦片間隙,完成自調(diào)節(jié)工作。

3.2.2 拉式膜片彈簧自調(diào)節(jié)受力分析

空行程時(shí)，結(jié)合圖13得到拉式膜片彈簧空行程階段受力為：

因感應(yīng)彈簧作用力在零剛度區(qū)間保持恒定，等式左邊將基本不變。隨著小端力F1增大，F(xiàn)x不斷減小至0。隨后，隨著F1繼續(xù)增加，F(xiàn)t將減小，膜片彈簧以調(diào)整圈為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)壓盤消除與摩擦片間隙。正常情況下，膜片彈簧在Ft減小至閾值前進(jìn)入接合狀態(tài)。但當(dāng)摩擦片磨損時(shí)，由圖5可知，膜片彈簧F1增大使得Ft小于閾值。螺旋彈簧作用調(diào)整圈向膜片彈簧移動(dòng)，膜片彈簧受調(diào)整圈位移影響而軸向移動(dòng)，縮小壓盤與摩擦片間隙，以此補(bǔ)償摩擦片的磨損，完成自調(diào)節(jié)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于某干式雙離合器，對(duì)其膜片彈簧表面進(jìn)行激光點(diǎn)云掃描，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA軟件處理生成實(shí)體模型。結(jié)合有限元分析軟件與臺(tái)架試驗(yàn)得到膜片彈簧自由狀態(tài)下小端載荷位移曲線，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行干式雙離合器的自調(diào)節(jié)受力過(guò)程分析。分析結(jié)果能較好地闡釋干式雙離合器的自調(diào)節(jié)工作原理，為將來(lái)制定雙離合器的接合分離策略打下基礎(chǔ)。

1劉振軍，秦大同，葉明，胡建軍.車輛雙離合器自動(dòng)變速傳動(dòng)技術(shù)研究進(jìn)展分析.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36（11）:167～170.

2舍弗勒貿(mào)易有限公司.LuK干式雙離合器模塊新技術(shù).現(xiàn)代零部件，2012，9.

3袁旦，李芳，鄭方賜.基于非線性有限元法的膜片彈簧特性曲線計(jì)算.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（3）:350～354.

4吳天，魯統(tǒng)利，吳明翔.雙離合器自動(dòng)變速器膜片杠桿彈簧載荷-變形特性的有限元分析.汽車技術(shù)，2008（5）:11～13.

5李游.干式雙離合器自動(dòng)變速器控制技術(shù)研究:[學(xué)位論文].北京：北京理工大學(xué)，2012.

6馮永忠.大眾車系OAM直接換檔變速器維修圖冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010:31～37.

7韋遠(yuǎn)飛.自調(diào)節(jié)離合器膜片彈簧的研究：[學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2013年11月1日。

Analysis of the Self-adjusting Principle Based on Dry Dual Clutch

Liu Pei,Chen Huiyan,Li Yao,Lu Jia
（State Key Laboratory of Vehicle Transmission,Beijing Institute of Technology）

Use laser point cloud scanning technology to scan surface of diaphragm spring and CATIA software to generate solid models of diaphragm springs based on a dry dual clutch.ANSYS/Workbench is used to make FEA of the solid model,to generate the displacement curves of load at free-state of diaphragm spring small end.Rationality of the curve trend is verified by bench test.On this basis,the self-adjusting principle of dry type dual clutch is analyzed in details.

Transmission,Dry dual clutch,Diaphragm spring,Self-adjusting principle

變速器干式雙離合器膜片彈簧自調(diào)節(jié)原理

U463.22+1.4

：A

1000-3703（2014）03-0017-04