濕式離合器接合壓力對接合特性的影響研究

劉小川，張志剛，石曉輝，李震宇

(汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

濕式離合器作為車輛傳動系統核心部件之一，在車輛起步和換擋過程中發揮著重要作用，被廣泛應用于高級轎車、重型車輛及履帶車輛等［1］。在濕式離合器工作過程中主要應用液壓系統控制油壓推動活塞壓緊摩擦副的對偶鋼片與摩擦片，通過對偶鋼片和摩擦片的接合或分離來實現車輛傳動系統動力的傳遞與中斷。研究濕式離合器工作過程中接合壓力對動態接合特性的影響規律，對制定精確的濕式離合器油壓控制策略具有重要意義，可決定車輛起步的平穩性和換擋品質，同時對車輛起步與換擋過程中濕式離合器接合過程產生的滑摩功也具有重要影響。因此，從濕式離合器摩擦傳動機理出發，分析濕式離合器接合壓力對動態傳遞轉矩的影響規律，對于實現濕式離合器優化控制及提高車輛起步平順性、減輕換擋頓挫感具有重要意義。

目前，對于濕式離合器的研究主要集中在濕式離合器接合過程建模、熱特性分析及控制優化等方面。Gao等［2］通過試驗研究了紙基摩擦片表面粗糙峰高度分布模型，并運用該模型對濕式離合器接合特性進行了建模仿真。張飛鐵等［3］通過建立濕式離合器機械傳動數學模型，研究了不同動態摩擦因數斜率對傳遞轉矩的影響。Miyagawa等［4］對濕式離合器接合特性進行了熱流固耦合分析，導出了濕式離合器接合特性模型，研究了摩擦副表面溝槽類型對接合特性的影響規律。楊亞聯等［5］建立了濕式多片離合器三維有限元模型，采用熱－機耦合仿真方法分析了不同參數及工況對鋼片溫度場和應力場的影響。Jang等［6］建立了濕式離合器熱流體動力學模型，并指出溫度效應對濕式離合器接合特性具有重要影響。Zhang等［7］建立了濕式離合器熱傳導模型，研究了濕式離合器單次接合過程中溫度場分布并進行了試驗驗證。程秀生等［8］采用模糊PID離合器壓力控制方法提出了兩擋同時參與起步過程的控制策略，并驗證了該控制策略的有效性。薛殿倫等［9］利用模糊自適應PID控制理論方法確定不同工況下濕式離合器摩擦片間最優壓力變化規律，較好地解決了起步平穩性等問題。然而，從濕式離合器摩擦傳動機理出發，開展接合壓力對濕式離合器接合過程中傳遞轉矩變化規律的研究相對較少。

本文建立了濕式離合器動態接合過程數學模型，利用數值耦合方法研究了3種接合壓力特性對濕式離合器接合特性的影響規律。

1 濕式離合器摩擦傳動機理分析

依據濕式離合器接合過程的承載力和傳遞轉矩產生機理的不同，將濕式離合器接合過程劃分為3個階段［10］:流體擠壓階段、邊界潤滑階段及機械接觸階段。在流體擠壓階段，接合壓力完全由冷卻潤滑油膜承載，傳遞轉矩由油膜黏性轉矩構成;在邊界潤滑階段，接合壓力由油膜和摩擦副微凸體共同承載，傳遞轉矩由油膜黏性轉矩和微凸體粗糙摩擦轉矩共同組成，并隨著濕式離合器接合過程的不斷深入，微凸體承載力與粗糙摩擦轉矩逐漸起主導作用;在機械接觸階段，接合壓力完全由微凸體承載，傳遞轉矩也完全由微凸體粗糙摩擦轉矩構成。下面對濕式離合器接合過程摩擦傳動機理進行建模。

1.1 油膜承載力模型

濕式離合器接合過程可簡化成如圖1所示的物理模型。濕式離合器接合前，摩擦副間充滿冷卻潤滑油，摩擦片和對偶鋼片被油膜隔開，摩擦片角速度為ω2，對偶鋼片角速度為ω1，接合壓力Psi將摩擦副逐漸壓緊。結合濕式離合器摩擦副軸對稱的特點，利用Patir-Cheng平均雷諾方程［11］導出在圓柱坐標系下濕式離合器潤滑油膜承載力的一維控制方程:

式(1)中 :φr為徑向流量因數，φr=1－exp(－0.56h/σ);h為潤滑油油膜厚度;Φ為摩擦襯片滲透性;d為摩擦襯片厚度;Ph為平均油膜壓力;η為潤滑油黏度;ˉhT為摩擦副平均間隙。

假定摩擦片和對偶鋼片表面粗糙峰服從均值為零的高斯分布，則可得摩擦副平均間隙ˉhT與油膜厚度h之間的關系:

令

其中:σ為摩擦副表面聯合粗糙度;erf()為高斯誤差函數。

摩擦副內外徑處油膜邊界條件為:Ph(r=a)=0，Ph(r=b)=0，則可得油膜承載力沿徑向分布:

式(3)中a和b分別為摩擦副內徑、外徑。

圖1 濕式離合器接合過程物理模型

1.2 微凸體承載力模型

假設濕式離合器摩擦副表面微凸體粗糙峰服從高斯密度函數分布，結合G－W彈性接觸模型，導出濕式離合器摩擦副微凸體真實接觸面積為

式(4)中:λ為微凸體粗糙峰密度;γ為微凸體粗糙峰曲率半徑。因此，濕式離合器摩擦副單位面積微凸體承載力為

其中

式中:E為微凸體當量彈性模量;E1為對偶鋼片彈性模量;E2為摩擦片彈性模量;μ1為對偶鋼片泊松比;μ2為摩擦片泊松比;δ為真實接觸面積比，δ=Ac/An表征摩擦副真實接觸面積與其名義接觸面積的關系。

1.3 接合壓力模型

濕式離合器工作過程的接合壓力是由其液壓控制系統油壓產生，接合壓力上升特性對濕式離合器接合過程傳遞轉矩具有重要影響。本文主要研究Ps1，Ps2，Ps3等3種接合壓力特性對濕式離合器傳遞轉矩特性影響規律。Ps1基于文獻［12］的試驗數據擬合而成，Ps2采用文獻［13］的指數接合壓力上升特性，Ps3采用階躍接合壓力上升特性。3種接合壓力特性曲線如圖2所示，其表達式分別為:

式中:Po為最大接合壓力;t為接合時間;ts為壓力遲滯時間。

圖2 接合壓力特性曲線

1.4 濕式離合器動態傳遞轉矩模型

依據濕式離合器接合過程可知，接合壓力先后由油膜承載力和微凸體承載力承載，從而由濕式離合器接合過程承載力準靜態平衡關系可得

式(10)中 Psi可為 Ps1，Ps2，Ps3。

由于濕式離合器接合過程承載力構成不同，故濕式離合器接合過程的傳遞轉矩產生機理也隨之改變，先后由潤滑油油膜的黏性轉矩Tv逐漸過渡至微凸體摩擦轉矩Tc。運用濕式離合器接合過程的轉矩平衡條件可得

其中:

式中 :φf，φfs為 Patir-Cheng 剪切流量因數;ωrel為摩擦副相對角速度;fc為摩擦因數。

在濕式離合器接合過程中摩擦因數受諸多因素影響，本研究主要考慮轉速對摩擦因數的影響，得到摩擦因數與摩擦副滑差轉速的關系［10］:

2 數值仿真分析

本研究利用Runge-Kutta數值積分法，分別把接合壓力 Ps1，Ps2，Ps3代入式(10)，并對式(10)和(11)進行耦合數值積分求解，得到每個步長j對應時刻的油膜厚度hj和摩擦副相對角速度。數值積分步長為0.001 s，迭代終止條件為摩擦副相對角速度ωrel≤0.001 rad/s。根據油膜厚度和相對角速度變化率，通過濕式離合器動態傳遞轉矩模型可得到3組接合過程中每時刻的黏性轉矩、粗糙摩擦轉矩及傳遞轉矩。比較3種接合壓力特性曲線對接合過程中黏性轉矩、粗糙摩擦轉矩及傳遞轉矩的影響。仿真時假設對偶鋼片角速度ω1恒定為0，摩擦片初始角速度為ω0。摩擦副在接合壓力Psi作用下把摩擦片逐漸向對偶鋼片壓緊，直至摩擦副相對角速度滿足迭代終止條件時，濕式離合器接合過程結束。仿真計算初始條件如表1所示。

圖3給出了濕式離合器接合過程中黏性轉矩的變化規律。從圖3可知:Ps1，Ps2，Ps3產生的黏性轉矩響應逐漸變慢，黏性轉矩峰值大小不變，3組接合壓力產生的黏性轉矩變化趨勢大體相同。這是由于濕式離合器接合過程初期為流體擠壓階段，接合壓力上升越快，則油膜擠壓排擠速度越快，使黏性轉矩快速增大，同時，黏性轉矩響應越快，則黏性轉矩峰值響應也越快。

表1 仿真計算初始條件

圖3 黏性轉矩

圖4給出了濕式離合器接合過程中粗糙摩擦轉矩的變化規律。從圖4可知:Ps1，Ps2，Ps3產生的粗糙摩擦轉矩響應逐漸變慢，粗糙摩擦轉矩峰值大小不變，3組接合壓力產生的粗糙摩擦轉矩變化趨勢相差較大。這是由于濕式離合器接合過程中接合壓力上升越快，進入壓緊階段越早，且壓緊階段產生微凸體接觸摩擦轉矩越大，則粗糙摩擦轉矩響應就會越快，粗糙摩擦轉矩峰值響應也越快。

圖5給出了濕式離合器接合過程中傳遞轉矩的變化規律。從圖5可知:3組接合壓力Ps1，Ps2，Ps3產生的傳遞轉矩變化趨勢差異性較大。結合圖3，4可知，傳遞轉矩及傳遞轉矩峰值的變化規律是黏性轉矩與粗糙摩擦轉矩共同作用的結果。

圖4 粗糙摩擦轉矩

圖5 傳遞轉矩

3 結束語

通過分析濕式離合器接合過程摩擦傳動機理，建立了濕式離合器傳遞轉矩模型，并分析了不同接合壓力模型對濕式離合器接合過程轉矩的影響。仿真結果表明:濕式離合器接合過程中接合壓力上升特性對其傳遞轉矩產生機理具有重要影響，接合壓力上升越慢，其接合過程中黏性轉矩、粗糙摩擦轉矩及總傳遞轉矩響應越慢。接合壓力上升特性對接合過程中黏性轉矩和粗糙摩擦轉矩的峰值影響較小，對黏性轉矩總體變化趨勢影響也較小，但對粗糙摩擦轉矩及傳遞轉矩總體變化趨勢影響較大。

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