離合器摩擦片動靜摩擦系數對大馬力推土機換擋性能的影響

王華棟,何登輝,劉 澳,張文澤

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)

作為工程機械領域中最早發展起來的土方機械,大馬力推土機在國內外市場上具有顯著的競爭優勢。其工作流程主要包括切土、運土、卸土和倒退等環節,主要用于挖掘、運輸和排放巖土,在露天礦山應用廣泛[1]。推土機的出現極大地提高了工程效率,改善了工程質量以及工作者的勞動條件,同時也降低了工程成本[2]。從其誕生到現在,主要傳動形式包括:機械傳動、電傳動、帶液力變矩器的液力機械傳動和液壓傳動[3]。目前,部分國內推土機的變速箱在換檔過程中存在換檔沖擊的問題,其根源在于對離合器的結合和分離特性研究不足。在理論計算方面,尚未建立正確的數學模型和計算方法;在應用角度上,缺乏有效的計算分析軟件和手段。因此,無法進行正向設計、曲線編制以及快速故障處理。為了解決這一問題,我們需要研究在載荷、轉速、流量等多變量狀態下的離合器的結合和分離特性,建立相應的數學模型。通過這些模型,我們可以找到優化換擋平順性的理論支撐和相應方法,從而提升推土機的性能和操作體驗。

當前階段,國內外學者和研究機構對變速箱及其換擋品質的影響因素進行了大量研究。在國外,CATERPILLAR公司生產的電子變速箱通過采用電子控制策略,顯著提升了換擋的平穩性[4]。日本小松公司生產的輪式裝載機,其定軸式變速箱采用動力換擋方式,具有四個前進擋和四個后退檔,通過電氣控制先導油壓來控制主油壓,從而實現精確控制換擋元件的結合與分離。值得一提的是,該公司還將機械式調壓閥換成了電子調壓閥,從而減小了換檔沖擊,大大提高了駕駛員的舒適性[5]。英國ZeroShift公司則通過使用兩個超越離合器,使得換擋時間趨近于零,避免了換擋過程中出現動力中斷,從而提升了換擋品質[6]。德國ZF公司生產的變速器已應用于各類車輛,其AT變速箱研究成效顯著。其中,Ecomat變速器通過增加一套電子控制單元改善了換擋品質,優化了燃油經濟性[7]。Kim等采用模糊控制、智能控制、神經網絡等方法進行研究,提出可以通過改變離合器摩擦性能來補償變速器,并設計了開環控制器對離合器油壓進行控制,從而改善換擋性能[8]。

相比于國外,國內對變速箱及其換擋性能的研究進度較為緩慢。王爾烈從緩沖控制角度對換擋方式進行研究,以AT變速器為研究對象,采用油壓估計方法和滑摩控制理論構建模型,并通過仿真和實驗驗證了自己的方法[9]。雷雨龍等提出了理想換擋概念并建立模型,為評價換擋性能提供了新方法[10]。楊樹軍建立了變速器換擋過程數學模型,通過動態仿真的方法得出了液壓馬達轉速的波動是影響換擋平順性的重要影響因素[11]。

本文在先前研究的基礎上,建立一個變速箱動力學模型,該模型充分考慮發動機、液力變矩器、負載工況以及電液控制系統對變速箱離合器動態特性的影響。該模型可用于研究離合器摩擦片對推土機換擋性能的影響,以期為工程機械多片式濕式離合器的壓力曲線正向設計優化提供指導。

1 沖擊形成及換檔性能評價指標

在車輛的換擋過程中,前一擋位的離合器需要與后一擋位的離合器同時進行分離與接合[12]。然而,在實際運轉過程中,可能會出現一些問題。比如,換擋時元件重疊過多會導致雙鎖止現象,這會造成元件的嚴重磨損[13];而動力間斷則會導致飛車現象,這會增大換擋的沖擊度[14]。在換擋時,由于車輛的慣性以及與發動機剛性相連的部件保持不變,車輛會受到巨大的反作用轉矩,從而形成換擋沖擊。這種沖擊會降低推土機的壽命,影響工作效率,同時也會影響駕駛員的乘坐舒適度[15]。因此,改善換擋性能成為了非常重要的研究。

考慮到換擋品質,我們對換擋過程主要有以下兩個要求:首先,換擋過程需要迅速完成,這樣可以減少摩擦元件的磨損和發熱,同時避免產生動力中斷現象。其次,換擋過程需要平穩過渡,不應有過高的瞬時加速度和減速度,以減小動力傳動系統的沖擊,延長零件使用壽命。目前,常用的換擋品質評價指標有兩種:換擋沖擊度和換擋滑摩功。這兩種評價指標可以幫助我們評估換擋過程中對車輛性能和元件壽命的影響。

1.1 沖擊度

在作業過程中,由于車輛行駛方向產生的換擋沖擊最為顯著,因此我們可以用縱向加速度變化率,即換擋沖擊度,作為評價換擋品質的指標。換擋沖擊度可以通過對車輛行駛加速度對時間的一階導數進行計算得出,也可以通過車輛縱向行駛速度對時間的二階導數來表示。

(1)

式中:v和a分別為車輛縱向速度和加速度,可由下式計算:

(2)

式中,ig為變速箱輸出端之后的總傳動比,rw為鏈輪半徑,上式中輸出軸角加速度α為:

(3)

式中:To為變速箱輸出轉矩,TL為負載轉矩,Io為與變速箱輸出軸相連的轉動慣量。則有:

(4)

由于鏈輪半徑、與變速器輸出軸相連部件的轉動慣量以及變速器到車輪的傳動比都是固定不變的,從公式可以看出,換擋沖擊度的大小只與輸出軸扭矩的變化率相關,而且兩者之間成正比關系。因此,要減小換擋沖擊度,就必須抑制換擋過程中輸出軸扭矩的劇烈波動。

沖擊度J的許用值在各國會有所差異:我國要求:17.6 m/s3;前蘇聯標準為:31.36 m/s3;德國標準為:10 m/s3。

1.2 滑摩功

換擋過程涉及到離合器(或制動器)的結合與分離,在這個過程中,離合器的主、從動片之間必然會產生一定的熱量。當熱量達到一定程度時,會導致離合器主從片的溫升,從而影響換擋性能,降低零件使用壽命。因此,需要限制換擋過程中產生的熱量。離合器在結合過程中產生的熱量可以用滑摩功來衡量,其表達式為:

(5)

其中,Wc是滑摩功,t1是離合器開始滑磨時刻,t2是離合器滑磨同步時,ω1為離合器主動片角速度,ω2為離合器從動片角速度。

滑摩功在一定程度上可視為摩擦元件壽命的評價指標,滑摩功的值越小,則換擋執行元件壽命就越長,但其值與沖擊度存在一定矛盾關系,使前者減小必然會導致后者不同程度的增大,因此,必須通過控制方法調控,使二者均在合理范圍。

2 大馬力推土機傳動系統AMESim建模與仿真

本節主要仿真大馬力變速箱換擋沖擊,仿真模型包含柴油發動機、液力變矩器、離合器、液壓控制、變速箱、車輛阻力模型。整機模型如圖1所示。

圖1 推土機傳動系統整機模型

模型整體思路為通過控制油壓曲線來控制離合器的響應,而離合器的響應直接影響轉矩的傳遞和變換,從而影響車輛的沖擊特性。本項目著眼于油壓曲線的合理控制,以減小沖擊度。AMESim邏輯控制功能較差,因此采用MATLAB進行換擋的邏輯控制,并進行AMESim/MATLAB聯合仿真,以求解整機模型。圖2是模型的MATLAB的控制部分模型。

圖2 MATLAB換擋油壓控制程序

3 大馬力推土機的換擋沖擊分析

由式(4)可知,大馬力推土機傳動系統沖擊度受變速箱輸出扭矩和負載端轉動慣量的影響,通常負載端的轉動慣量為常數,而變速箱輸出扭矩大多與離合器摩擦片接合特性直接相關。離合器的摩擦特性如摩擦系數都影響著沖擊度。

本節內容將著力于研究離合器摩擦片的摩擦系數對沖擊度、滑摩功的影響。

動摩擦系數μd與離合器鼓轉速和單位摩擦片面積承受的壓力有關,且隨轉速和壓力的增大而增大;靜摩擦系數μs是物質的固有性質,常用材料的摩擦系數如表1。

表1 摩擦材料摩擦系數取值范圍

在仿真過程中,根據表1,設置動、靜摩擦系數變化范圍為0.03～0.12和0.1～0.25。

為了研究動摩擦系數μd和靜摩擦系數μs的影響,在不同動、靜摩擦系數取值下對傳動系統的沖擊特性進行研究,所采用的油壓曲線如圖3所示。

圖3 換擋油壓曲線

圖4為不同動摩擦系數下1-2-3-2-1-2擋位沖擊度的變化情況(靜摩擦系數為0.12)。由圖4可知,1擋起步和降檔2-1時的沖擊度較大,且不同的動摩擦系數對沖擊度的影響顯著。

圖4 不同動摩擦系數下擋位1-2-3-2-1-2換擋沖擊曲線

圖5給出了2-1擋沖擊度與動摩擦系數之間的關系,由圖可知,摩擦系數對沖擊度的影響顯著,沖擊度峰值隨摩擦系數增大而增大,摩擦系數從0.03到0.12變化時,沖擊度峰值出現位置向左偏移,也即結合時間變短,初始結合階段的沖擊度從30 m/s3增大至140 m/s3,結合完成時的沖擊度從10 m/s3增大至35 m/s3。

圖5 動摩擦系數對2擋降1擋沖擊度影響

圖6為擋位1-2-3-2-1-2變換工況下離合器的單位滑摩功,由圖可知,3擋離合器的單位滑摩功最小,1擋和2擋離合器的單位滑摩功較大。

圖6 擋位1-2-3-2-1-2離合器單位滑摩功(μd=0.06,μs=0.12)

圖7為降擋2-1時,1擋離合器的單位面積滑摩功,換擋初始開始階段滑摩功隨動摩擦系數的增大而增大,且受動摩擦系數的影響顯著。由于滑摩功受滑摩時間、轉速差以及扭矩差異的影響,結合完成后的滑摩功并不隨摩擦系數單調變化。

圖7 動摩擦系數對降檔2-1單位滑摩功的影響

圖8為靜摩擦系數對沖擊度的影響。

圖8 不同靜摩擦系數下擋位1-2-3-2-1-2換擋沖擊曲線

由圖8可知,靜摩擦系數和動摩擦系數類似,1擋起步和降檔2-1時的沖擊度較大。

圖9是靜摩擦系數在0.1～0.25范圍內變化時,靜摩擦系數對降擋2-1的最大沖擊度不顯著。

圖9 2擋降1擋沖擊曲線

類似地,靜摩擦系數對2-1擋離合器的單位滑摩功的影響不大,如圖10所示。

圖10 靜摩擦系數對降檔2-1單位滑摩功的影響

4 小結

本文研究了基于AMESim/MATLAB聯合仿真下離合器摩擦片動靜摩擦系數對某大馬力推土機換擋性能的研究:

1)提出了三種有關大馬力推土機換擋沖擊的三個評價指標,用于評價推土機的換擋質量;

2)建立了大馬力推土機的AMESim物理模型和MATLAB換擋油壓控制程序;

3)通過測定某實驗測試材料的動靜摩擦系數確定仿真中動摩擦系數μd和靜摩擦系數μs的具體范圍,分別研究2擋降1擋下,動、靜摩擦系數對沖擊度、滑摩功的影響。結果表明:

①隨著動摩擦系數的增加,沖擊度峰值出現位置向左偏移,結合時間變短,開始結合階段的沖擊度從30 m/s3增大至140 m/s3,結合完成時的沖擊度從10 m/s3增大至35 m/s3;②換擋初始開始階段滑摩功隨動摩擦系數增大而增大,且受動摩擦系數的影響顯著,由于滑摩功受滑摩時間、轉速差以及扭矩差異的影響,結合完成后的滑摩功并不隨摩擦系數單調變化;③靜摩擦系數對換擋沖擊度的影響不顯著;④靜摩擦系數對單位滑摩功的影響不大。