（光学工程专业论文）车辆传动系湿式多片主离合器的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 作业车辆传动系中传统的主离合器采用的大多是干式离合器，近年来，随 着现代化建设的大力推进，对于作业车辆的传动系要求也越来越高，传统的干 式主离合器性能远不能满足新型传动系的要求，因此性能更好的湿式多片主离 合器应运而生，逐步取代了干式离合器。本文以某作业车辆新型传动系为基础， 针对湿式多片主离合器进行相关研究。 首先，介绍某作业车辆传动系统的结构和特点，在熟悉了湿式多片主离合 器结构及工作原理的基础上，根据车辆的技术参数对湿式多片主离合器关键零 部件的设计要求进行研究，通过理论计算和实际分析确定了湿式多片离合器的 基本参数。 其次，介绍湿式多片主离合器的液压执行系统，并对关键部件电液比例阀 的结构与工作原理进行详细阐述，然后根据相关参数对比例阀进行计算选型； 建立湿式多片主离合器液压执行系统的数学模型，通过仿真得到了比例阀以及 液压执行系统的性能特性。 然后，对湿式多片主离合器接合过程进行分析，并根据车辆传动系统的动 力学模型，利用m 衄a 日幅i i n u l i i l l 【建立湿式多片主离合器起步接合过程仿真模 型，得出在不同接合油压下、不同挡位下湿式多片主离合器的接合时间、滑磨 功、滑磨功的变化情况，并对其进行对比分析。仿真结果表明，接合油压越大， 接合时间越短，过程中产生的滑磨功也越小，但接合油压过大会造成冲击度过 大；挡位越低，接合时间越短，滑磨功越小，利于车辆的起步。 最后，在底盘传动试验台上对湿式多片主离合器进行台架试验，得到湿式 多片主离合器的接合时间曲线，并将其与仿真接合时间曲线进行对比分析，结 果表明两者变化趋势一致，从而验证了仿真模型的正确性。 关键词：湿式多片主离合器设计液压执行系统m a t l a b 仿真 江苏大学硕士学位论文 a b s t r c a t m o s to ft f a d i t i o n a lm a i nd u t c ho fo p e r a 廿n gv e t l i d ep o w e n r a i n sa r ed r yd u t c h r e n n y ，w i t t it h ea d v a n c e m c n to ft h em o d e m i z a t i o n ，o p e r a t i n gv e l l i d ep o w e 咖i i l r e q u i r e m e n t sa r ea l s 0f a i s e d ，m et r a d i t i o n a ld r ym a i nd u t c hp e r f b 锄a n c ei sf a rf 硒m t l l en e wp o w e r t r a i n s r e q u i r e m e n t s ，锄ds 0 ，m eb e 讹rp e r f o 咖a i l c e0 fm ew e t m u l t i - d i s cm a i nd u t c h 印p l i c a t i o nc 0 m e si i l t 0b e i n g 觚dg 豫d u a l l yr e p l a c e st h ed 巧 m a i l ld u t c h t l l i sd i s s e n a t i o na i m e sa taw e tm u l d - d i s cm a i nd u t c h ，b a s e do na c e n a i ni l e w | 【i i l do f0 p e r a t i n gv e h i d ep o w e f t r a i n f i r s to fa l l ，i i lt e 咖so ft l l et e d m i c a lp a r 锄e t e rr e q u i r e m e n t so ft l l ew e t m u l t i d i s cm a i l ld u t c hk e yp a r t so ft h ev e h i d e ，n l es t r u c t u r c 觚dc h a r a c t e r i s t i c so fa n 0 p e r a t i i 培v e l l i d e 嘶v e l i n ei sd e s c 曲e d ，w l l i c hi s 伽n i l i 觚w i m 、耽tm u l t i d i s cm a i l l c l u t c hs t n l c t i l r e 锄di t sb 舔i cw o r k i i l gp r i n c i p l e s a n dt l l e n ，t l l e o r e t j j c a ic a l c u l a t i o n s 锄dp r a c ：t i c a l 孤a l y s i sa r cc o n d u c 把dt 0d e t e m i i l et h eb 弱i cp a 姗e t e r so ft l l ew e t m u l t i d i s cm a i l ld u t c h s e 倒l m y w e tm u l t i p l a t em a i l ld u t c hh y d r a u l i ca c t u a t o rs y s t e mi si n t r o d u c e d ， 卸dt h es t 九l c t u r e觚d w o r k i i l gp r i n d p l e o ft l l e k e y c o m p o n e n t s 0 ft h e e l e c t r o - h y d r a u l i cp r 叩o r t i o n a lv a l v e ，d e s c r i b e d i i l d e t a i l ，t l l e nt l l ec a l c u l a t i o n0 f s c l e c t i o nb a s e do nr e l e v 锄tp a r 锄e t e 飓f o rp f o p o r t i o n a lv a l v e ；w e tm l l l t i - d i s cm a i l l d u t c hh y d r a i l l i ca c t u a t o rs y s t e m sm a t l l e m a t i c a lm o d e l ，t l l r o u 曲s h n u l a t i o n ，t h e p e d b r i i l 加c ec h a r a c t e r i s t i c so fm ep r o p o r t i o n a lv a l v e 锄dh y d r 卸l i ca c t u a t o rs y s t e m t h e n ，t l l e 觚a l y s i si sc 0 n d u c 硼t 0s t l l d y t l l e 、e tm u l t i - d i s cm a i n d u t c h e n g a g e m e n tp r o c e s si i la c c o r d a n c cw i m m ed y n a m i cm o d e lo fm ev e l l i d e 砸v e l i n e 脚【a b s i m u l i i l l 【i su s e dt 0e s t a b l i s ha i l do b t a i nw e tm u l t i d i s cm a i nd u t c hm e c h 锄g e s0 fe n g a g e m e n tt i m e ，t h e 伍c t i o nw o 咄仃i c t i o np o w e ra td i 此r e n th y d r a u l i c p r c s s u r e 柚dd i f f e r e n tg e a r s t a t e st 0c o n d u c tt l l er e l e v a mc o n t r 勰t i v e a i l a l y s i s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm ep r e s s u r ei si i li m r e 瑙ep r o p o r t i o nt 0t h ee n g a g e m e n t t i m e 加dt l l e 衔嘶o nw o r kg e n e r a t e di i lt h ep r o c e s s h o w e ：v e r ，t o oh i 班o i lp r e s s u r e w i l l l e a dt 0t o oh u g es h o c k b e s i d e s ，m el o w e rt l l e g e 盯i s ，t h es h o n e r t l l e 车辆传动系湿式多片主离合器的研究 e n g a g e m e n tt i m ea n dt h cs m a l l e rt h e 衔c t i o n 、o r ki s ，w h i c h i sg o o df o rt l l es 洲n g 0 ft h ev e h i d e f i n a l l y ，b e n c ht e s tf o rt h ew e tm u l t i d i s cm a i l l c ：l u tc _ hi sc o n d u m e do nt h e c h 雒s i st m s m i s s i o nt e s tr i g ，t 0o b t a i l lt ：h ew e tm u l t i d i s cm a i l lc l u t c he i 培a g e m e m 劬ec u r v e a n dc o n s i s t e n c yb e 锕e e nt h ea b o v e 呐oa r ea l s 0f 0 吼d ，w h i c hc 锄j u s t i f y t 1 1 es i m u l a t i o n k e yw o r d s ：w | c tm u l t i d i s cm a i l ld u t c hd e s i 盟 h y d r a u l i ca c _ t u a t o rs y s t e m m 棚a bs i m u l a t i o n 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 作业车辆是现代生产生活中不可或缺的动力机械。近年来，随着技术的进 步以及市场的需求，作业车辆逐步向着大马力，智能化方向发展，因此，对作 业车辆的传动系统也提出了更高的要求，比如传动系能传递的转矩越来越大， 装有动力换挡变速箱，操纵更加轻便人性化等。 作业车辆传统的离合器大多是采用干式离合器，由于车辆经常工作在路况 复杂的工况，容易导致摩擦离合器接合分离频繁，不仅导致离合器过热，而且 使摩擦件烧伤、变形、磨损而加剧损坏。据统训1 l ，离合器摩擦片的损害是变 速器损坏的主要故障之一。 湿式多片离合器是用油液冷却摩擦表面的离合器，这种离合器在接合过程 中因滑磨而产生的热量随时被冷却油液带走，摩擦表面的温度可有效控制，并 能显著减少摩擦表面的磨损，因此，湿式多片离合器工作性能稳定，长期使用 后压紧力和摩擦系数均变化不大。目前，多用在作业负荷大的农业拖拉机上、 操纵频繁的工程机械上和动力换档变速箱中。用于动力换档变速箱中的湿式多 片离合器多采用液压压紧。 1 2 湿式多片离合器简介 所谓湿式多片离合器【2 川，是指离合器摩擦片在滑磨过程中摩擦接触表面表 现为液体或半液体( 界面) 的摩擦，它和干式摩擦相比已经发生了质的改变， 即在滑磨时，摩擦表面不发生直接接触，两摩擦表面之间被一薄薄的油膜( 厚 度约为0 1 m m ) 隔开，正是这一薄薄的油膜保证了一对摩擦副在很大的压力下 有小的磨损和稳定的摩擦系数。离合器片间油膜厚度与摩擦系数有关，油膜的 破裂会使磨损急剧增加。因此，湿式多片离合器的良好性能取决于在一定的外 部条件能使摩擦副形成界面摩擦。正因如此，湿式多片离合器的结构要比干式 离合器复杂许多。图1 1 为湿式多片离合器结构示意图。 车辆传动系湿式多片主离合器的研究 图1 1 湿式多片离合器结构示意图 1 1w e t 鼬i 也c l u 妯栅s c h 锄疵 应该指出，采用湿式多片离合器之所以可能，是因为在技术上制造一种对 离合器片间油膜形成很稳定的摩擦材料的工艺已很成熟。对矿物油有很高稳定 性的材料是烧结材料，它的多孔结构促进和维持住了离合器片间油膜，保证了 摩擦副的见面摩擦。还必须指出，湿式多片离合器优点的发挥，是一定要在某 温度范围内才能实现的。超过了这一温度范围将起负面效应，因此湿式离合器 的热状况是确保它能工作可靠、耐用的最为重要的因素之一。而离合器多片离 合器的热状况的稳定性根本上决定于摩擦副的供油系统能否确保对摩擦副表面 的冷却与润滑。 湿式多片离合器由于其独特的结构与工作环境，具有以下特点【刎： 1 ) 表面积大，故所传递的扭矩也大。在不增加径向尺寸的前提下，可用增 加摩擦片数来提高传递的转矩，还可以改变施加压力的大小，即按照要求容量 调节工作转矩，便于实现系列化与通用化。多个摩擦副同时工作，摩擦转矩大， 能可靠的传递发动机的最大扭矩。 2 ) 在液力自动变速器中布置方便。 3 ) 结合时较平稳、柔和，使车辆行驶时抖动和冲击减小。 4 ) 磨损均匀且无需专门调整间隙。 5 ) 摩擦衬片及对偶钢片较薄，其损坏形式多为瞬时温升过高或温度分布不 均导致的烧结或翘曲。 6 ) 摩擦片表面单位面积压力分布均匀。 7 ) 对传动轴没有径向负荷，摩擦元件受力情况与旋转方向无关。 2 江苏大学硕士学位论文 8 ) 分离时，摩擦片的相对滑磨损失大是其缺点。 车辆液力传动应用的摩擦离合器摩擦副( 又称摩擦对偶) 按材质可分为两 大类1 4 】，第一类是金属型的，它与钢片对偶的摩擦衬面材料具有金属性质，如 钢对钢，钢对青铜( 或黄铜) 、钢对粉末冶金等。第二类是非金属型的，它的摩 擦衬面材料具有非金属性质，如纸、石墨、树脂、塑料合成物等，其对偶可用 钢和铸铁。 在金属型摩擦材料中，铜基粉术冶金材料在自动变速器中获得广泛应用， 它的主要优点有：摩擦系数较高、摩擦系数随温度变化小、允许表面温度高、 机械强度高、导热性好等。图1 2 为不同材料的摩擦片。 铜基材料 纸基材料 图1 2 不同材料摩擦片 f 适1 2 两c t i o nd i s cw i md i 】b 6 e 啪tm a t c f i a l s 非金属型摩擦材料具有高摩擦系数、廉价、保证离合器结合平稳和无噪声 等优点，但这种材料的缺点是导热性差。近年来纸质摩擦材料在车辆自动变速 器中得到广泛推广，用来代替铜基粉末冶金衬面，降低了成本与重量，改善了 舒适性。在重型汽车上，美国阿里森公司的液力传动装置应用石墨树脂摩 擦衬面代替了大部分粉末冶金摩擦衬面。应用低廉、性能良好的非金属型摩擦 材料是当前的发展趋势。 纸基摩擦材料的特点是摩擦系数较大，而且它的静摩擦系数和动摩擦系数 之比不大，动摩擦系数几乎与摩滑速度无关。此外，纸基摩擦衬面具有弹性、 疏松性( 空隙率4 0 5 0 ) 和良好的润滑保持性能。但纸基材料磨损量大，耐 热性较差，易烧结，所以使用时必须保证良好的冷却润滑和较短的滑磨时间。 3 车辆传动系湿式多片主离合器的研究 1 3 湿式多片离合器在国内外的研究状况 湿式多片离合器的研究概况近十年来，自动变速器的研究一直是热点问题。 因此，离合器的研究也多是服务于自动变速器的研发工作，以对其实现精确控 制，提高起步平稳性和换挡品质为主要目的。国内离合器的研列1 ，4 ，针对干 式离合器的较多，如吉林大学汽车学院对于干式离合器的最佳结合规律做了理 论上的研究，清华大学和北京理工大学等院校也在这方面进行了研究并取得成 果。比较起来，国内对于湿式多片离合器的研究相对少一些。湿式多片离合器 结合过程控制的研究，涉及建立湿式离合器结合过程的数学模型，以此根据控 制参数计算不同工况下离合器的压盘压力，也即是离合器控制油压的过程。一 般先确定湿式多片离合器结合过程的数学模型，根据该过程的动力学方程，通 过控制变量计算各工况的控制压力，计算过程中最常用的方法有最优控制方法、 模糊方法等。由于控制变量较多，工况较多，所以通常要建立湿式多片离合器 的仿真模型，通过仿真结果来修改控制算法，必要时还要对数学模型进行修改， 待数学模型和控制算法较为成熟之后，在进行试验验证，最终在计算机和试验 的基础上确定控制策略。 浙江大学罗永革川以发动机油门开度、变速器速比、发动机转速、油门踏 板变化率和坡度与载荷等变量作为控制参数，通过建立的数学模型算出湿式多 片离合器在倒车、空挡、起步加速、缓慢加速、急加速、普通减速、急减速等 不同工况下的控制油压，作为离合器的控制策略。 日本的佐藤用模糊方法，通过两层模糊推理确定起步时的湿式多片离合器 控制压力，第一层是根据驾驶员踩下的加速踏板的位移及其变化率来确定初始 起步压力，第二层是根据加速踏板的位移和发动机的转速确定压力变化率。离 合器结合过程的时间较多，一般在1 秒左右，在结合过程中转矩变化很大，离 合器的实际压力与控制计算得到的目标控制压力要尽力保持一致，以保证工作 品质，这就需要设计湿式多片离合器的控制器，来实现控制目标。湿式多片离 合器的控制器最常用到的控制方法是p d 控制，该控制包括比例、积分和微分 3 个环节。比例环节用来减少偏差，积分环节消除静差，提高系统的误差度， 微分环节用来加速系统的动作速度，减小调节时剐o 】。 吉利大学张柏英设计了湿式多片离合器p d 控制器，并将其用于c v l 的湿 4 江苏大学硕士学位论文 式多片离合器控制。吉林大学喻坤对该控制器进行了改进，设计了离合器模糊 自适应控制系统，实现了p d 控制参数自整定，较好的克服了常规p d 控制过 于依赖p d 参数的缺点，进一步提高了控制精度。湿式多片离合器结合过程涉 及不同工况对湿式离合器输出转矩的影响，严格来说也属于离合器结合过程控 制计算的一部分内容。有许多人尝试用做试验的方法来表征湿式多片离合器结 合过程。他们在试验中采用了不同的摩擦材料，润滑剂和添加剂分析了这些因 素对离合器结合过程的影响，建立了数学模型，并使用有限差分法和有限单元 法的计算方案来解数学方程( 如w u ，1 9 7 0 ；n g ，1 9 7 5 ；f i s h ，1 9 9 1 ；j u l l i e n ，1 9 9 1 ) 。 这些模型中，最完整的包括了表面粗糙度、摩擦材料渗透性和摩擦材料的沟槽 等因素的影响【7 l 。 1 9 9 7 年，美国普渡大学的e j b e r g e r 等人对r e y n o l d s 方程和力学平衡方程 进行了修改，在保留原影响因素的基础上简化了方程，建立了关于离合器片间 油膜厚度的简单的一阶微分方程，发展了辨识可以描述离合器结合过程输入参 数的算法，使用g o l ds e c t i o n 的程序利用计算简单模型的速度，定义了接合等 值面【9 d 0 1 。他们所建的模型除了提供计算方面的优点，还深入地探讨了在离合 器接合过程中各种输入参数的影响程度。但由于参数缺乏和方程非解耦，所以 国内很少采用这种研究方法。 河北工业大学赵义民用对湿式多片离合器进行数值模拟，用微分方程导出 了离合器片间油膜厚度、传递的转矩、相对转速、发热率等随时间变化的关系 式，并用数值方法求解，还用制动法对离合器接合过程进行分析模拟。但是实 际的摩擦材料的渗透系数不为零，都为多孔材料，这一点会对接合特性产生较 大影响。 北京理工大学项昌乐【7 】将多片离合器简化为弹性质量系统，并在此基础上 机械传动车辆动力一传动系统非稳定工况动态特性通用模型，编制了通用计算 程序。但是，由于湿式多片离合器接合过程中粘性转矩的影响这种弹性质量系 统也不能反映湿式多片离合器动态接合过程。研究湿式多片离合器动态接合机 理，建立湿式多片离合器动态非线性模型将为湿式多片离合器的控制计算提供 理论依据，也将影响采用湿式多片离合器的自动变速器控制策略。 目前湿式多片离合器的发展趋势如下【2 4 】： 5 车辆传动系湿式多片主离合器的研究 1 ) 更高、更稳定的扭矩容量，能可靠地传递力矩并具有一定的储备系数； 2 ) 接合时更平顺、柔和，使车辆行驶时抖动和冲击小； 3 ) 分离时更彻底、迅速，分离后空转阻力矩更小； 4 ) 离合器从动部分的转动惯量设计尽量小，以减轻车辆起步和换挡时变速 箱齿轮轮齿问的冲击，减小换挡时间和离合器的热负荷。 5 ) 具有更可靠的刚度和强度，满足高转速下动不平衡和离心油压的要求； 6 ) 能使车辆传动系避免共振，具有吸收振动、冲击的能力，离合器的工作 噪声更低； 7 ) 操纵、控制、安装及调整方便，对制造安装误差要求不能太高，有较强 的抗污染能力； 8 ) 离合器的工作性能更平稳，在工作过程中，摩擦片上的压紧力要不变化 或变化很小，摩擦系数在工作过程中应尽量使其稳定； 9 ) 离合器在一定空间尺寸下，热容量更大，冷却散热性能更强，使用寿命 更长； 1 0 ) 系列化，标准化，低成本。 1 4 本文主要研究内容 基于江苏大学与某企业合作开发的车辆变速器液压系统的研究工作，以某 作业车辆动力换挡变速箱传动系为载体，对动力换挡变速箱传动系功能特点以 及湿式多片主离合器结构和工作原理进行了介绍，并在此基础上，针对湿式多 片主离合器性能主要进行了以下方面的工作： 1 ) 对湿式多片主离合器结构特性进行了分析，并通过理论计算和实际分析 对湿式多片主离合器关键零部件的参数进行了确定。 2 ) 对湿式多片主离合器液压执行机构进行研究，建立了电液比例阀和液压 执行机构的数学模型，对其静态和动态响应特性进行了分析。 3 ) 建立整机传动模型，对湿式多片主离合器起步结合过程进行了仿真研究。 4 ) 通过湿式多片主离合器的试验，对比分析了仿真与试验结果，验证了仿 真模型的正确性。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章湿式多片主离合器的结构特性分析 作业车辆传动系目前广泛采用动力换挡的传动形式，并在动力换挡部分与 手动换挡部分之间加装湿式多片主离合器实现多档位来满足各种工况的要求。 非车辆湿式多片主离合器设计主要是从整机参数出发，根据湿式多片主离合器 的结构与工作原理来进行的。 2 1 主要技术参数及传动系特点 2 1 1 主要技术参数 某作业车辆的主要技术参数如表2 1 ，本章离合器的设计以及下文所用到的 参数均是该车辆的技术参数。 袁2 1 主要技术参数 仉l b l e2 1t 1 1 em a i l lt c c l m i c a lp a r a m e t e 幅 2 1 2 某作业车辆传动系统结构特点 某作业车辆传动系统作用主要是把发动机的动力传递到车辆的驱动轮上， 并改变车辆的行驶速度和方向，以满足各种工况的要求。此外还可以保证车辆 平稳起步和停车。图2 1 为车辆的传动系简图。 7 车辆传动系湿式多片主离合器的研究 图2 1 车辆传动系统简图 f i g 2 1 删et f a 地m i s s i o ns y s t e ms d h c i 鹏 该传动系统主要由动力换挡变速箱、湿式主离合器、手动变速箱、后驱动 桥等组成嗍。 动力换挡变速箱是将变速箱的换挡齿轮用离合器与轴连接起来，通过换挡 离合器的分离、接合实现换挡的，在换挡的过程中，动力换挡变速箱动力的传 递不会中断，其换挡原理可以用图2 2 来表示，图中换挡过程传动比由变为了 厶，其实质为双离合器换挡接合分离过程【1 l 】。 图2 2 动力换挡基本过程 f i g 2 2b 猫i cp t o c e 醛o fp 0 帅rs h i f t ， x 。 。 _ 。 | | 形 一 _ ”_-i-t”r；，；_；。；“ _ i l i o ?，7；， 呲q 鬈题 智一 霸 黼一 磁 江苏大学硕士学位论文 动力换挡变速箱中有6 个湿式多片换挡离合器，分别用字母a 、b 、c 、d 、 g 、f 来表示，由这6 个湿式换挡离合器构成的动力换挡变速箱能够实现以下四 个( 前进后退) 挡位，每个挡位都有两个离合器同时工作，各挡位离合器状态 如图2 3 所示。 n 前进档l前进档v前进档h前进档f 围。 i 上l 匹 db 辟档l 。蒂一 1 l 一 阿r 氅。 引；j d l b ! 。雨。 j k 薄 _ j 因。 ( i l | 五 譬 l - r 蕾_ l n 承 i1 占f i j 审 i 嫡 k 一 【a i | t 蠕 西 l i 。 f c习r i l 一 r 宣 _ l 。 j 展掣! e 耷 厂 且j - 档s 图2 3 动力换挡离合器各挡位状态 f i g 2 3p o w e rs h i f ta 眦hg c 甜s 协t e 动力换挡变速箱4 个挡位通过湿式多片主离合器与6 挡手动变速箱组合 即实现了2 4 个挡位，能够满足各种工况。各挡位传动比如表2 2 所示。 9 车辆传动系湿式多片主离合器的研究 袁2 2 变速箱传动比 t 曲l e2 2g e a r b o xt 啪s m i s s i o nr a t i o 2 2 湿式多片主离合器结构与工作原理 湿式多片主离合器由主动部分、从动部分和操纵部分组成。离合器的主动 部分主要包括离合器输入盘、主动摩擦片等；从动部分主要包括从动片、从动 片托架、离合器轴等；操纵部分主要由液压缸( 活塞) 、回位弹簧等组成。湿式 多片主离合器结构简图如图2 4 所示。主动轴与离合器输入盘、离合器输入盘 与主动摩擦片、从动片与离合器轴之间均采用花键联接嗍。 i 234 5678 1 0 1 一离合器输入盘2 _ 滚针轴承3 主动摩擦片卜从动片5 一从动片托架 卜回位弹簧7 - _ 液压活塞卜离合器轴 图2 4 湿式多片主离合器结构简图 f 逸2 4w h m l l l t i 司l s cm i nd u t c h 蚰咖r e 江苏大学硕士学位论文 湿式多片主离合器工作原理如图2 5 所示。当松开离合器踏板，油压推动 活塞移动，使摩擦片逐渐压紧从动片，在末端垫片和活塞的压紧作用下，主从 动片之间达到一定的摩擦转矩，主动摩擦片带动从片、离合器轴一起转动，将 动力传递出去；当踩下离合器踏板，油压卸去，离合器在回位弹簧的作用下使 主动摩擦片和从动片分离，断开动力传递。 1 一离合器踏板2 一传感器3 - 电子控制单元4 _ 液压泵 卜电液比例阀卜湿式多片主离合器 图2 5 湿式多片主离合器工作原理图 f i g 2 5w c tm l l i t i 也cm a i nd u 妯s c h 锄撕c 2 3 湿式多片离合器关键零部件参数的设计 2 3 1 湿式多片主离合器的计算转矩和摩擦转矩 l 、离合器的计算转矩 在设计时，首先应该确定主离合器应该传递的最大扭矩，这是设计换档离合 的必要条件。对于装有动力换挡变速箱的车辆是把发动机经动力换挡部分传递 的离合器上的最大扭矩作为额定转矩。 肘。一= 7 1 3 8 x 1 3 4 3 7 5 9 6 0 朋 同时还要考虑，有时按照最大扭矩计算出的车辆驱动轮的转矩，可能因为 车辆传动系湿式多片主离合器的研究 附着条件的因素而不能实现动力的平稳传递。此时的额定转矩应是以车辆刚 启动时驱动轮的转矩折算出来的，可通过下式【1 2 - 1 4 l 计算： = 箐 眩1 ) 式中：只驱动轮最大承载能力，6 8 1 1 0 n ； 矽驱动轮地面附着系数，此处取0 6 5 ； ，驱动轮半径； 变速箱某传动比； 之总减速比。 通过分析发现在手动变速箱挡时从驱动轮折算到主离合器上的转矩最 大，将相关数值代入式2 1 ，可得： ：堡婪黑要攀8 6 0 小，由于m 。一，所以计算时可取乙为离 ” 0 9 0 7 4 8 6 8 。1 一 ” “ 合器的计算转矩。 2 、离合器的摩擦转矩 湿式多片主离合器的最大摩擦转矩是保证传递输入的最大转矩，并有一定 的转矩储各，可通过下式【1 3 】计算： m 。= 矾 ( 2 2 ) 式2 2 中：转矩储备系数，对于大马力作业车辆，可在2 2 5 范围内 取值，此处取= 2 1 。 m 。离合器的摩擦转矩，朋； 将= 8 6 0 m 代入式2 2 可得： m 。= 2 1 8 6 0 5 1 8 0 6 m 。 离合器的最大摩擦转矩m 时各摩擦面摩擦转矩之和，各参数之间有如下关 系式【1 4 1 6 l ： m 。= ，f 耳 ( 2 3 ) 江苏大学硕士学位论文 式2 3 中：f 摩擦面上所受的压紧力，n ； 厂摩擦片的摩擦因数； 风摩擦片的当量摩擦半径，m ； 摩擦副的数量，= m + “一1 ； 研摩擦片的数量，m = 2 ； 甜从动片的数量，“= 2 + l 。 2 3 2 摩擦片尺寸的确定 设计离合器摩擦片首先必须要满足离合器摩擦转矩的要求1 1 7 侧。根据上述 公式可知，离合器的摩擦转矩与摩擦副的数量成正比，且随摩擦片的当量摩擦 半径增大而增大，则可以通过增加摩擦片的数量和增大摩擦副的径向尺寸的方 法来增大离合器的摩擦转矩。但摩擦片数量过多一方面将会导致活塞行程过大， 分离不彻底、不均匀，空转时造成较大的带排扭矩，另一方面将会增大摩擦片 接合时压力分布的不均匀性；而增大摩擦副径向尺寸会导致摩擦片圆周速度过 大，以至于摩擦副间局部热流密度过大而出现过热，发生摩擦偶件烧蚀或裂纹 现象。此外，在确定摩擦片径向尺寸时，还要考虑摩擦片内外径的比值c 的取 值要适当，如果取值过大，意味着内外径相差较小，在外径d 一定的条件下有 效面积减小，为了保证传递一定的转矩，势必加大外径，使外廓尺寸及最大圆 周速度增大。故c 值不宜过大。如果取值过小，意味着内外径相差很大，滑磨 速度相差悬殊，磨损不均匀，从而引起内外径在接合过程中温升相差过大而导 致摩擦片开裂或翘曲变形，最后导致接触不良，缩短使用寿命。一般c 值可在 0 5 7 o 7 7 【冽范围内选取。此处取c = 0 6 。内外径取值可由下式f 1 9 。2 1 】确定： q = ( 1 5 2 ) d ( 2 4 ) 珐：拿 ( 2 5 ) 。 c 式中：d 1 、d ：摩擦片内外径，衄； d 传动轴直径，此处d 为5 8 咖； 根据经验一般n 取尽可能大，由式2 4 可取d 1 = 1 9 5 8 1 1 0 优m ，则 车辆传动系湿式多片主离合器的研究 d ：坐：1 8 锄m 。 0 6 2 3 3 摩擦副数量的确定 根据式2 3 可得摩擦副数量的计算公式为： ：生( 2 6 ) 忙r p 这里选用从动片和摩擦片分别为钢和纸基粉末冶金材料，摩擦因数在 0 1 3 o 1 4 【卿1 】范围内选取，此处取0 1 3 。纸基摩擦片最大单位许用比压 既】= 2 m p 口，一般选择大小在最大许用比压值一半左右嗍，取p 。= 1 帆， 则f 值可由下式计算： f = 岛牮乩以型学娟8 刚 摩擦片的当量摩擦半径r p 可由下式求得： 彤毛籍毛警器娟 将f 、r 。代入式2 6 ，经计算可得： ： ! 璺q 鱼 1 1 0 3 将圆整为1 2 ，则摩擦片数量为m = 2 = 6 ，从动片数量m = 2 + 1 = 7 。 2 3 4 活塞及油缸尺寸的确定 由于活塞和油缸是旋转的，如果整体转速高，直径大，则油缸中的压力油 将产生很大的离心液压力，阻止活塞回程，造成离合器分离迟缓。为使离合器 快速分离，必须装有很大的回位弹簧，这样不但会给整体结构的设计带来困难， 而且会降低离合器接合时所需的压紧力，因此活塞及油缸的直径不应过大。二 者内外径尺寸相同，在设计时活塞外径的上偏差小于油缸外径的下偏差，其内 径相同。活塞( 油缸) 内径与相结合的传动轴直径相同，外径可通过下式【2 0 1 计 算： 1 4 江苏大学硕士学位论文 d 0 = 2 式2 7 中：d 0 活塞外径，m m ； ( 2 7 ) 砍液压油工作压力，此处取p g = 1 慨： b 密封装置产生的摩擦阻力，对“o ”形密封圈取l = 0 0 3 f ，n ； 卸吲 油所需压力，此处取卸= 0 0 ； 或= 2 1 4 2 4 m m 本设计取活塞外径d o = 1 4 5 m m ，内径比= d = 5 8 衄。 2 3 5 回位弹簧的确定 为保持离合器常态下处于分离状态，需要回位弹簧有足够的弹力使活塞复 位，保证摩擦片和从动片在短时间内完全彻底地分离。分离的不彻底不利于换 档，并增加了离合器的磨损和发热。所以要求回位弹簧有足够的弹力，同时根 据离合器的内部结构布置，本设计采用圆柱螺旋压缩弹簧，在活塞复位时，回 位弹簧弹力等于各阻力的合力，则满足下式【1 7 ，1 喇： b = b + 巴+ 心 ( 2 8 ) 最_ 7 8 5 1 0 督【( 争2 一( 争2 】【( 争2 + ( 争2 2 碍】 ( 2 9 ) 世= 研( 争2 一( 争2 】卸 ( 2 1 0 ) 式中：b 回位弹簧弹力，n ； 最离心油压作用在活塞上的阻力，n ； 衄压力损失对活塞的阻力，n ； 刀离合器工作最大转速，m i n ； 民输入轴左端半径，m m ； 根据式2 8 2 1 0 可计算得忍= 4 4 0 0 n ，为此本设计选用材料为6 0 s i 2 m n ， 弹簧中径d = 9 5 m m ，自由高度日。= 5 0 m m ，弹簧丝直径d = 1 2 m m 的标准圆柱螺 车辆传动系湿式多片主离合器的研究 旋弹簧。其总圈数为4 ，有效圈数为2 ，两端面均磨平3 4 ，在保证弹簧的总预 紧高度不低于3 5 m m 时，所设计弹簧可以满足使用要求。 2 3 6 活塞行程及工作油压的确定 1 、活塞行程的确定 离合器在分离状态时摩擦片和从动片之间的间隙之和就是活塞的初始行 程；同时，随着摩擦表面的磨损活塞行程还要增加，因此活塞行程还应加上所 有摩擦副预期的磨损值。摩擦副的初始间隙的取值【1 9 l o 2 加5 m m 。因此，可通 过下式嗍计算出活塞行程s ： s = 艿+ ( 2 1 1 ) 式2 1 1 中：万摩擦片和主从动片之间的间隙，此处取万= 0 3 m m ； a 摩擦副预期的磨损量，取= 2 m m ； 贝u s = 1 2 0 3 + 2 = 5 6 删，此处取s = 6 删。 2 、工作油压的确定 工作压力为摩擦片的许用压力、密封装置产生的阻力与排油压力之和，受 压面积按活塞的有效面积计算，工作压力可通过下式【1 9 。加】计算： p = 篆+ 卸 他 p 。桶坤 心j 驯 式2 1 2 中：p 工作油压，a 。 代入数据可计算工作油压为： p _ 兰兰塑掣掣+ 0 0 6 乩4 5 胁 n = 二+ i ，n _ 4 二 ，w 朋 。 万n 4 0 2 5 8 2 1 考虑到实际的密封泄漏造成的压力损失，此处取p = 1 5 m p a 。 2 4 湿式多片主离合器性能验算与校核 根据上节所设计出的离合器参数验算离合器的性能： 车辆起步时离合器接合一次所产生的总滑磨功( j ) ，可根据下式来估算 【1 7 ，1 9 】： 1 6 江苏大学硕士学位论文 q = 蔫 泣 式中，刀c 为起步时离合器主动端转速；为整车质量；，- 为驱动轮半径；f o 为 主减速比，为变速器起步挡位传动比。 通常以离合器摩擦片单位摩擦面积的滑磨功( 单位滑磨功) g 来评价离合 器的耐磨性1 1 9 】： 鼋2 志 0 驯耐) ( 2 1 4 ) 代入相关参数到式2 1 3 和2 1 4 中，可求得得口0 1 v 删2 ) ，满足离合 器的耐磨性要求。 2 5 本章小结 本章首先介绍了某作业车辆传动系统的结构和特点，在熟悉了湿式多片主 离合器结构及工作原理的基础上，根据车辆的技术参数对湿式多片主离合器关 键零部件的设计要求进行了研究，然后通过理论计算和实际分析对离合器摩擦 片的几何参数，摩擦副的数量，活塞及油缸的几何参数和回位弹簧的相关参数 进行了设计研究，并根据已设计的参数确定了离合器的工作油压和活塞行程， 最后对设计的离合器相关性能进行了验算与校核。本章对湿式多片主离合器的 设计，是下文后续进行研究的基础。 1 7 车辆传动系湿式多片主离合器的研究 第三章湿式多片主离合器执行机构性能研究 湿式多片主离合器的接合与分离是通过其执行机构来完成，湿式多片主离 合器执行机构采用的是电液比例液压控制系统【勉4 q ，其性能的好坏直接影响离 合器的工作过程，因此有必要对湿式多片主离合器的液压执行机构进行性能研 究。 3 1 湿式多片主离合器执行机构的结构与特点 研究车辆动力换挡变速箱的液压系统原理图( 只取出主离合器液压执行机 构部分) ，如图3 1 所示，湿式多片主离合器采用的是电液比例执行机构，其主 要由油箱、滤清器、液压泵、电液比例阀、油缸( 活塞) 等组成。 图3 1 主离合器执行机构液压系统图 飚3 1h y d r a 此s y 蜘d i a g r 姗o fm c 岫c 1 1 i t c hi m p l 啪c n t i n ga g e i c s 湿式多片主离合器操纵部分是通过对离合器油缸充入和释放液压油来实现 离合器的接合与分离。离合器油缸中的压力是通过电液比例阀来进行控制的。 当离合器踏板行程发生变化，产生一个电信号，电信号通过比例放大等一系列 1 8 签黪 醚 份 拳 廑 出 珏 “ 赫蝴 卜 一船一哺 江苏大学硕士学位论文 环节传递给比例电磁铁，使电液比例阀阀芯同样产生一个相应的位移，改变阀 出口的压力，达到比例控制压力的目的【捌。 3 1 1 电液比例阀的结构与工作原理 在湿式多片主离合器液压执行系统中，电液比例阀是最核心部件，其工作 原理如图3 2 所示，比例电磁铁提供指令力信号，减压阀口处于常开状态，阀 芯右端面作为出口压力的测压面，阀芯是指令力和出口液压力的力比较元件， 比较的结果直接驱动阀芯【2 2 侧。 图3 2 直动式三通比例减压阀原理图 f i g 3 2d 酞蛾- a c t i n gt h r - w a yp r o p o r t i o n a lp r c 豁u r cr 池i n gv a l v e h 锄a t i c 阀芯的受力平衡方程为【2 9 】：b = p ：a + 墨o + 而) 上式中，b 一比例电磁铁输出指令力，； k 一复位弹簧刚度；肌； p ：一减压阀出口压力，； x 一阀芯位移，坍； a 一出口压力反馈作用面积，m 2 ； 一阀芯预压缩量，朋。 当给比例电磁铁通电后，阀芯向右移动，这时阀口打开到最大开口位置， 随着负载的增加，减压阀出口压力随着增加，出口压力通过反馈通道作用在阀 芯右端，与输入的电磁力比较，当比例减压阀电磁力所对应的输出压力高于其 负载决定的压力时，减压阀口的开度不变化，减压阀不起减压作用。当比例减 1 9 车辆传动系湿式多片主离合器的研究 压阀的电磁力所对应的输出压力等于其出口负载决定的压力时，减压阀开始起 减压作用，阀口开度减小，减压缝隙的变化对应一定的压差，出口压力基本上 不随进口压力的变化而变化。这样保证了出口压力p ：保持不变，并且与输入电 流成正比例。如果出口压力对阀芯的作用力大于电磁力，阀芯左移，a 口与t 口相通，使a 口压力下降，直到阀芯处于新的平衡位置。 电液比例阀的结构【2 9 捌：如图3 3 所示，电液比例阀主要由减压阀和比例 电磁铁组成。 pat 图3 3 比例减压阀 f 遮3 3p 哪r t a lp r e 跚r e 础u c 吨v a l v e 1 一连接套2 一复住弹簧3 一弹簧挡套4 一阀套 卜阀芯6 _ 一反馈杆7 _ 挡套 图3 4 阀芯阀套组件图 f i g 3 4s p 0 0 lv a l v es l e e v c 勰诳i b l y 由图3 3 、3 4 可知，减压阀主要由阀芯、阀套、复位弹簧等部分组成，当 电磁铁未通电时，减压阀阀口关闭；当电磁铁通电后，阀芯右移，油液从p 口 流向a 口，同时a 口的压力通过径向孔作用在b 腔，当a 口压力作用在阀芯5 反馈面积上的力小于比例电磁铁的输出力时，减压阀不起减压作用，a 口压力 江苏大学硕士学位论文 随负载增加而升高；当出口压力作用在反馈面积上的力上升到与电磁铁的输出 力相等时，减压阀开始起作用，阀口开度减小，此时一定的开口量对应一定的 压差，a 口的压力基本保持恒定，并与输入的电磁力成比例。当工作油口的油 压超过规定的设定值时，阀芯向左移动，油液从工作口转而从t 口流出，从而 保持了a 口的压力稳定。 图3 4 为减压阀的阀芯阀套组件图，主要由连接套、复位弹簧、弹簧挡套、 阀套、阀芯、反馈杆和挡套组成，连接套的右端为螺纹，通过螺纹孔与阀芯连 接在一起，左端有一孔，比例电磁铁推杆置于该孔中。弹簧的一端顶在连接套 上，另一端连接在弹簧档套上，当电磁铁通电后推动阀芯右移，弹簧挡套是不 动的，此时压缩弹簧，当电磁铁不通电后，阀芯可以复位。在阀芯右端两个台 肩之间钻有个通孔，此孔为减压阀出口压力的反馈油口。此阀的特点是减压阀 出口的压力反馈面积为阀芯右端的孔的面积，而不是一般所见到的阀芯右端的 端面积，在阀芯右端用一反馈杆将该出口压力油密封住，根据受力平衡方程可 知道，在比例电磁铁的