變速傳動(dòng)裝置摩擦離合器接合過程動(dòng)態(tài)仿真分析

孫鵬博

摘要：本文為了分析變速傳動(dòng)裝置摩擦離合器在接合過程中的扭矩波動(dòng)及接合時(shí)間，采用SIMPACK軟件建立了變速裝置的仿真模型，并對(duì)變速傳動(dòng)裝置摩擦離合器接合過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。仿真分析了輸入功率、輸入轉(zhuǎn)速、輸出負(fù)載、輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及摩擦扭矩應(yīng)用時(shí)間等因素對(duì)于接合過程的扭矩波動(dòng)、接合時(shí)間的影響趨勢(shì)，該分析不僅可以指導(dǎo)變速傳動(dòng)裝置接合策略，還可以為后續(xù)變速傳動(dòng)裝置接合試驗(yàn)研究提供理論分析數(shù)據(jù)和試驗(yàn)方案指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：變速傳動(dòng)裝置;摩擦離合器;接合;仿真

在常規(guī)的直升機(jī)中，直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速通常將為固定值。然而，隨著21世紀(jì)以來高速直升機(jī)、長(zhǎng)航時(shí)直升機(jī)的技術(shù)發(fā)展，直升機(jī)飛行速度要求越來越高，續(xù)航時(shí)間要求越來越長(zhǎng)，因此直升機(jī)旋翼效能分析研究也越來越深入。研究表明，直升機(jī)懸停狀態(tài)與續(xù)航前飛兩種狀態(tài)下旋翼的氣動(dòng)環(huán)境差別也越來越大，固定旋翼轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)方式難以兼顧兩種狀態(tài)下的氣動(dòng)性能，造成的性能損失也越來越大[1]。直升機(jī)處于懸停和巡航飛行兩種模式下，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的性能明顯受到固定傳動(dòng)比的限制，而且變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)具有降低飛行噪音，提高續(xù)航能力、保障飛行的安全性和可靠性等優(yōu)點(diǎn)[2]。目前通過改變傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比來實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速旋翼是效率比較高的方式，是旋翼變速一個(gè)重要發(fā)展方向，該種方案已在美國(guó)的A160T“蜂鳥”直升機(jī)中成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)續(xù)航時(shí)間24小時(shí)以上。變速傳動(dòng)的一個(gè)重要部件就是摩擦離合器，變速裝置的摩擦離合器接合時(shí)的扭矩沖擊和接合時(shí)間對(duì)于變速裝置的影響非常大，因此本文基于SIMPACK軟件建立了雙行星濕式多片摩擦離合器組合的變速傳動(dòng)裝置仿真模型，對(duì)變速傳動(dòng)裝置摩擦離合器的接合過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。

1變速傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

變速傳動(dòng)裝置主要包括太陽(yáng)輪、行星輪1、行星輪2、齒圈、行星架、摩擦離合器和超越離合器等零部件。太陽(yáng)輪輸入，摩擦離合器外圈輸出，摩擦離合器連接行星架和齒圈，超越離合器連接行星架與機(jī)匣，如圖1所示。當(dāng)斷開摩擦離合器時(shí)，超越離合器為楔合狀態(tài)，行星架靜止，整個(gè)輪系做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)為低速狀態(tài);接合摩擦離合器，超越離合器處于超越狀態(tài)，齒圈與行星架無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，行星輪1和行星輪2只做公轉(zhuǎn)，無自轉(zhuǎn)，此時(shí)傳動(dòng)比為1，為高速狀態(tài)。該方案通過控制摩擦離合器的接合與脫開便可實(shí)現(xiàn)輸出端兩檔轉(zhuǎn)速輸出。

1.2雙行星輪系

雙行星輪系結(jié)構(gòu)見圖2，行星結(jié)構(gòu)由1個(gè)帶外齒的輸入齒輪（太陽(yáng)輪）、1個(gè)帶內(nèi)齒的齒圈、以及六組共12個(gè)行星齒輪組成，太陽(yáng)輪與齒圈嚙

合的分別為行星輪1和行星輪2，行星輪2不改變傳動(dòng)比僅改變齒圈的旋轉(zhuǎn)方向。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高、低速輸出轉(zhuǎn)速方向相同的功能，并且機(jī)構(gòu)緊湊。

1.3摩擦離合器

本文研究的離合器結(jié)構(gòu)是濕式多片摩擦離合器，同干式摩擦離合器相

比，其工作更可靠、壽命更長(zhǎng)[3]。圖3為摩擦離合器模型，主要組成部分為摩擦片、對(duì)偶鋼片、分離彈簧以及壓力活塞組成。摩擦片與對(duì)偶鋼片交錯(cuò)排列，中間用分離彈簧隔開。通過對(duì)壓力活塞施加控制壓力，其壓緊力將摩擦片和對(duì)偶鋼片壓緊從而產(chǎn)生摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩;當(dāng)卸去壓力時(shí)，分離彈簧的彈力可以將摩擦片與對(duì)偶鋼片分離，兩者互不接觸，此時(shí)不傳遞扭矩。

2變速傳動(dòng)裝置仿真及分析

2.1變速傳動(dòng)裝置仿真模型

本文基于多體動(dòng)力學(xué)軟件——SIMPACK進(jìn)行摩擦離合器接合過程的動(dòng)態(tài)仿真研究，仿真模型見圖4，二維拓?fù)鋱D見圖5。二維拓?fù)淇梢燥@示各元素件的運(yùn)動(dòng)副以及力元約束關(guān)系。其中，建模時(shí)用使用一種特殊的力元（One-WayClutchCmp）來模擬超越離合器的功能，該力元可以設(shè)置離合器的約束類型為旋轉(zhuǎn)副，并選擇需約束元素的運(yùn)動(dòng)副——行星架，設(shè)置好阻尼系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)超越離合器的功能。建模過程中使用力元來模擬摩擦離合器的功能，該力元能夠以函數(shù)的形式賦予扭矩和力，可以依據(jù)設(shè)定的曲線施加力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接合過程的模擬。

2.2變速傳動(dòng)裝置仿真分析

本文對(duì)變速傳動(dòng)裝置的輸入功率、輸入轉(zhuǎn)速、輸出負(fù)載力矩、輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及摩擦力矩應(yīng)用時(shí)間對(duì)接合過程的影響進(jìn)行了仿真分析。其中，輸入功率、輸入轉(zhuǎn)速為變速傳動(dòng)裝置輸入端的功率和轉(zhuǎn)速，輸出負(fù)載力矩、輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為變速傳動(dòng)裝置的輸出端負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，摩擦力矩應(yīng)用時(shí)間為摩擦力矩增加至最大值時(shí)所用時(shí)間。對(duì)接合過程的影響主要體現(xiàn)在接合過程中對(duì)輸入端的扭矩沖擊，以及完成接合過程所用時(shí)間，后者可以用接合后齒圈轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后所需時(shí)間來體現(xiàn)。

2.2.1不同輸入功率對(duì)接合過程的影響

圖6、圖7為不同輸入功率情況下接合過程中輸入端的扭矩以及齒圈轉(zhuǎn)速變化情況。輸入功率為120kW、150kW、110kW時(shí)接合所用時(shí)間分別為4.54s、4.11s、4.75s。由圖可知，隨著輸入功率的增大，接合過程中扭矩峰值相應(yīng)增加，但是扭矩值的波動(dòng)幅度衰減更快，接合時(shí)間逐漸減小。可見，適當(dāng)降低輸入功率可以減小接合過程對(duì)于輸入端的扭矩沖擊，而適當(dāng)增大輸入功率有利于快速完成接合過程，但是也會(huì)對(duì)輸出端造成更大的扭矩沖擊。

2.2.2不同輸入轉(zhuǎn)速對(duì)接合過程的影響

圖8、圖9為不同輸出負(fù)載情況下接合過程中輸入端的扭矩以及齒圈轉(zhuǎn)速變化情況。輸入轉(zhuǎn)速為6000r/min、5500r/min、5000r/min時(shí)接合所用時(shí)間分別為4.54s、4.06s、3.89s。對(duì)比可知，由于輸入功率一定，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大，接合過程中扭矩峰值逐漸減小，接合時(shí)間逐漸增加。因此，如果能夠降低輸入轉(zhuǎn)速，能夠減小接合所用時(shí)間。

2.2.3不同輸出負(fù)載對(duì)接合過程的影響

由于接合前后輸出端轉(zhuǎn)速已知，因此在仿真中可以將輸出端負(fù)載轉(zhuǎn)化為輸出端的負(fù)載力矩。圖10、圖11為不同輸出負(fù)載情況下接合過程中輸入端的扭矩以及齒圈轉(zhuǎn)速變化情況。輸出負(fù)載為64Nm、128Nm、32Nm時(shí)接合所用時(shí)間分別為4.54s、6.38s、4.27s。隨著輸出端負(fù)載力矩的增大，接合過程中扭矩峰值隨之增加，接合時(shí)間也明顯增加。對(duì)比可知，如果能夠減小輸出負(fù)載，可以同時(shí)減小扭矩波動(dòng)以及接合時(shí)間。

2.2.4不同輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)接合過程的影響

圖12、圖13為不同輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量情況下接合過程中輸入端的扭矩以及齒圈轉(zhuǎn)速變化情況。輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為3kg*m2、2kg*m2、1kg*m2時(shí)接合所用時(shí)間分別為4.54s、3.42s、2.18s。由圖可知，隨著輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的減小，接合過程中輸入端扭矩峰值有所減小，但是扭矩的波動(dòng)幅度衰減變快，接合時(shí)間顯著變短。可見，降低輸出端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有利于快速完成接合過程。

2.2.5不同摩擦扭矩應(yīng)用時(shí)間對(duì)接合過程的影響

圖14、圖15為不同摩擦扭矩應(yīng)用時(shí)間下接合過程中輸入端的扭矩以及輸出轉(zhuǎn)速變化情況。摩擦扭矩應(yīng)用時(shí)間為0.1s、0.05s、0.5s時(shí)接合所用時(shí)間分別為4.54s、4.50s、4.96s。可以看出，隨著摩擦扭矩應(yīng)用時(shí)間的增大，接合中扭矩峰值逐漸減小，但接合時(shí)間變長(zhǎng)。因此，接合時(shí)如果選擇盡量短的摩擦扭矩應(yīng)用時(shí)間，可以減小接合完成所需時(shí)間，選擇較長(zhǎng)的摩擦扭矩應(yīng)用時(shí)間，可以減小接合中的扭矩沖擊。

3結(jié)論

本文通過仿真分析，研究了影響變速裝置接合過程中扭矩沖擊以及接合時(shí)間的因素，仿真結(jié)果表明：采用小功率、高轉(zhuǎn)速、減小輸出負(fù)載和輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及延長(zhǎng)摩擦扭矩應(yīng)用時(shí)間的方法，能夠減小變速傳動(dòng)裝置接合過程的扭矩沖擊;而采用大功率、低轉(zhuǎn)速、減小輸出負(fù)載和輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及縮短摩擦扭矩應(yīng)用時(shí)間的方法能夠減小變速傳動(dòng)裝置的接合時(shí)間。綜合考慮下，選擇減小輸出負(fù)載以及輸出端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法可以同時(shí)減小接合過程中的扭矩沖擊以及接合時(shí)間。以上結(jié)論可以指導(dǎo)變速傳動(dòng)裝置接合策略，還可以為后續(xù)變速傳動(dòng)裝置接合試驗(yàn)研究提供理論分析數(shù)據(jù)和試驗(yàn)方案指導(dǎo)。

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