基于CFD的離合器回油過程仿真研究

鄧達泰 熊飛 朱林培 段德昊

摘 要：文章采用CFD技術對某離合器進行回油過程液壓缸壓力及活塞位移進行分析，并對比了活塞摩擦力和油溫對回油過程的影響，分析結果表明：活塞摩擦力增大會導致液壓缸內壓力降低，但對活塞的關閉時間影響較小;低溫下由于油的粘度較大，對離合器活塞關閉時間會有較大影響。通過CFD分析可以為離合器回油參數設計提供指導。

關鍵詞：離合器;回油過程;CFD仿真

中圖分類號：U463.211? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-109-04

Abstract： Using CFD technology to analyze the hydraulic cylinder pressure and piston displacement of a clutch during unloading process， and compare the impact of piston friction and oil temperature on the unloading process. The analysis results show that the increase of piston friction will cause the pressure in the hydraulic cylinder to decrease. However， it has little effect on the closing time of the piston. Because of the high viscosity of the oil at low temperature， it will have a great influence on the closing time of the clutch piston. CFD analysis can provide guidance for the design of clutch unloading parameters.

Keywords： Clutch; Unloading process; CFD simulation

前言

離合器是汽車動力傳遞的關鍵部件，通過離合器的分離與結合，可以實現檔位的切換。而離合器的分離與結合，是通過液壓系統控制供油過程和卸油過程來實現的。合理的供油和卸油壓力控制，可以保證換擋的平順性和汽車的動力性能。

鑒于液壓系統的壓力控制對離合器的分離與結合影響非常重要，因而液壓系統的壓力控制對離合器動作的影響一直受到廣泛關注。任永強等[1]采用ADAMS軟件對DCT離合器的分離結合時間進行了仿真分析，結果表明正壓力的變化與換擋時間有直接的聯系。馬彪[2]建立了換擋離合器的充油過程數學模型，采用Matlab中Simulink進行了仿真，獲得了充油流量的動態變化規律，并通過臺架實驗驗證了建模方法和仿真的準確性。張靜等[3]在考慮液阻、液感、液容的前提下，建立了換擋離合器以及各液壓元件在充油過程中的動態模型，并利用Simulink對其進行動態仿真。

在目前離合器動態過程的研究中，油液的壓力對離合器的作用主要是通過經驗公式或一維仿真獲得，并沒有考慮供油管內油流狀態對壓力的影響。因而本文采用CFD方法對離合器分離回油過程進行仿真，以獲得活塞摩擦力和油溫對離合器回油過程的影響，并為離合器分離時間的評估提供參考。

1 物理模型

本文所研究的離合器是一個由三片摩擦片組成的濕式離合器，該離合器使用波形彈簧作為離合器的分離彈簧，離合器活塞行程為1.6mm，如圖1為離合器的截面圖。在該離合器的液壓缸底部有一個油孔，液壓油可以通過油孔進出液壓缸。離合器的供油和回油管道是相同的，油管連接離合器的液壓缸和液壓控制單元，如圖2所示。

2 三維仿真計算方法

2.1 活塞運動的處理方法

如圖3為離合器活塞在回油過程中的受力示意圖，離合器活塞在彈簧力Fs的作用下，把液壓缸內的液壓油壓進油管內，在活塞的壓縮過程中，油液由于受壓，會產生抵抗力Foil以阻止活塞的運動，另外由于活塞與活塞缸之間存在相對運動，會產生與運動方向相反的動摩擦力Fm。

活塞的運動速度與其受力密切相關，因而在仿真的時候，需要充分考慮活塞的受力，并通過求解活塞的運動方程來獲得活塞運動的加速度及速度。

由于活塞運動過程中會導致網格產生壓縮和變形，因而對活塞運動進行CFD仿真，需要使用動網格技術進行處理。本文研究的活塞液壓缸為軸對稱模型，因而可以對液壓缸位置劃分規則的六面體網格（如圖4），以提高動網格計算的速度和精度。

2.2 仿真條件及方法

仿真使用Dexron-VI潤滑油進行，離合器正常工作下，油溫為90°，該溫度對應的油密度和粘度分別為804kg/m3和0.0059Pa s。仿真分析取101325Pa作為參考壓力，計算結果均以相對壓力表示。

為了簡化計算，本文的仿真分析基于如下假設進行：

1）假設初始時刻離合器處于結合狀態，液壓缸內部初始壓力為12bar。在離合器卸油瞬間，離合器油道液壓控制單元閥門完全開啟，離合器油道出口暴露在環境壓力中，即出口相對壓力為0Pa。

2）由于液壓油在極短時間內會受到較大的壓力變化，因而需要考慮油液的壓縮性，取油體積模量為1.7e+9Pa[4]。

3）活塞受到靜摩擦力與動摩擦力相等。

3 仿真分析結果

3.1 設計參數下的活塞回油過程分析

對該離合器，活塞開關的行程為1.6mm，設計的彈簧剛度為800N/mm。單片波形彈簧在安裝時候預壓縮量為0.78mm，在離合器結合時候，單片波形彈簧總壓縮量為1.31mm，所以可以獲得離合器分離時候彈簧初始推力為1048N。設計工況下工作油溫和活塞摩擦阻力為分別取90°C和100N。