（机械制造及其自动化专业论文）影响锁止离合器传动性能的若干关键因素实验研究.pdf

摘要 摘要 液力变矩器由于其具有自动增矩变速、缓和扭振冲击等显著优点而被广泛 应用在轿车自动变速器中。为了提高传动效率，人们在泵轮和涡轮间增加了锁 止离合器，实现了液力、机械联合传动。在汽车技术中，减振降噪一直是汽车 工程师们努力的目标。而在整个传动系中对整车的动态特性影响最大的要属离 合器系统了。离合器系统通过接合一工作一分离三个阶段实现对动力的传递和切 断。因此，作为连接发动机与传动系的重要部件，离合器系统一直都是人们的 主要研究对象。由于离合器在接合过程中往往会发生相对滑动，这时离合器就 会发生摩擦振动。进而引起整车的纵向振动，而这些振动往往也伴随着嗓声。这 大大影响了驾驶的舒适性和汽车的寿命。此外，滑摩过程中产生大量的摩擦热 也影响了摩擦材料的摩擦性能，进而大大降低了离合器传递力矩的能力。因此， 研究离合器系统产生振动的机理及其摩擦特性，对于改善整个传动系的传动性 能、提高汽车驾驶的舒适度以及延长汽车的使用寿命，具有非常重要的指导意 义。 为了解决上述的问题，本文通过对锁止离合器的摩擦试验以及摩擦振动建 模仿真来研究影响锁止离合器传动性能的相关因素。 本文的主要研究内容如下： i 锁止离含器的摩擦试验： 1 1 摩擦片材料对比试验； 2 ) 温度、压力对比试验。实验数据处理采用响应曲面回归方法，建立摩 擦系数与相关参数的关系。 2 建立试验机系统振动模型，计算系统特征值和各阶固有频率，对所建模 型进行简化。得n - 自由度扭转振动模型。用简化模型模拟锁止离台器在不同 条件下可能发生的摩擦振动形式，并将该模拟结果同试验结果进行对比，对模 型加以修证。将通过摩擦试验得到的摩擦系数模型代入到振动模型当中得到系 统振动的通用模型，可以模拟各种温度压力条件下的系统振动。 3 对影响锁止离合器传动性能的两大因素：摩擦特性、振动特性进行总结 分析，并根据试验以及模拟的结果给出相应的改进建议。 摘要 关键词：自动变速器液力变矩器锁止离合器响应曲面回归摩擦振动 摩擦振动建模与仿真 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h et o r q u ec o n v e r t e ri s w i d e l yu s e di n t h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o no f a u t o m o b i l e sb e c a u s ei th a sg o o dq u a l i t i e ss u c ha sa u t o m a t i ct o r q u ei n c r e a s e ，s p e e d c h a n g ea n da b a t i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o ns 订i k e i no r d e rt or e a c ht h eh i g he f f i c i e n c y ， t h ep e o p l ei n s t a l lt h el o c k u pc l u t c hb e t w e e nt h ep u m p e ra n dt u r b i n e ，a n dt h i s r e a l i z e st h es i m u l t a n e o u st r a n s m i t t i n gb e t w e e nt h ef l u i dp o w e ra n dt h em a c h i n e i n a u t o m o b i l et e c h n i q u e s t h ea b s o r p t i o no fv i b r a t i o na n dn o i c er e d u c t i o na r et h e o b j e c t i v e sw h i c h t h ea u t o m o b i l et e c h n i t i a n sa l w a y sw o r kh a r dt or e a c h i nt h ee n t i r e a u t o m o b i l ed r i v es y s t e m ，t h ec l u t c hs y s t e m a l w a y si n f l u e n c e st h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sm o s t t h ec l u t c hs y s t e mw o r k st h r o u g hc o m p a c t ，a c t i v ea n ds p l i tt o r e a l i z ep a s sa n dc u to ft h ed r i v e s o ，a st h ei m p o r t a n tp a r tw h i c hc o n n e c t st h em o t o r a n dt h ep o w e rt r a i n ，t h ec l u t c hs y s t e mi st h em a i no b j e c tt h a tt h ep e o p l ew o r ko u ta t a l lt i m e s t h ec l u t c ha l w a y so c c u r st h er e l a t i v es l i pi nt h ep r o c e s so fc o m p a c t ，a sa r e s u l t ，i th a p p e n st h ef r i c t i o nv i b r a t i o na tt h i st i m ea n dt h e na r o u s et h ev e r t i c a l v i b r a t i o no ft h ea u t o m o b i l e t h ev i b r a t i o ni sa l s oa c c o m p a n i e dw i t ht h en o i s e t h i s c o n d i t i o na f f e c t ss t r o n g l yt h ec o m f o r t a b i l i t ya n dt h el i f eo fa u t o m o b i l e b e s i d e so f t h a t ，t h ef r i c t i o nh e a tw h i c ho c c u r si n t h ep r o c e s so fs l i pa l s oi n f l u e n c e st h e f r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i co ff r i c t i o n a lm a t e r i a l t h e r e b y ，t h ec a p a b i l i t yo ft r a n s f e r i n g m o m e n ti sd e c r e a s e dg r e a t l y s oi ti sc r u c i a lt h a tw es h o u l dr e s e a r c hd e e p l yt h e v i b r a t i o nr u d i m e n t a r ya n dt h ef r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ec l u t c hs y s t e mw h i c h m e n dt h ed r i v ec a p a b i l i t y ，i m p r o v et h ec o m f o r t a b i l i t ya n dp o s t p o n et h el i f eo f a u t o m o b i l e s i nt h i sp a p e r ，i tm o s t l yi n t r o d u c e st h er e l e v a n tp o i n t sw h i c hi n f l u e n c et h e t r a n s m i t t i n gp e r f o r m a n c eo ft h el o c k u p c l u t c ht h r o u g ht h ef r i c t i o nv i b r a t i o n m o d e l i n ga n ds i m u l a t i n g t h ec h i e f s t u d y i n gc o m m e n ta sf o l l o w s ： 1 t h ef r i c t i o ne x p e r i m e n ta b o u tt h el o c k u pc l u t c h ： 1 ) c o n t r a s t i v ee x p e r i m e n ta b o u tt h ef r i c t i o np i e c em a t e r i a l ； i i i 2 ) c o n t m s t i v ee x p e r i m e n ta b o u tt h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s t h ee x p e r i m e n t a l d a t ap r o c e s s i n ga d o p tt h e r e s p o n s ec u r v e df a c er e g r e s s i o na n a l y s i s b yu s i n g t h i sw a yt ob u i l dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h er e l e v a n t p a r a m e t e r s 2 b u i l d i n gv i b r a t i o nm o l do ft h et e s t e rs y s t e m c a l c u l a t i n gt h es y s t e m c h a r a c t e r i s t i cv a l u ea n dn a t u r a lf r e q u e n c yi np h r a s e sa n dt h e ns i m p l i f y i n gt h e m o l d f i n a l l yw eg e tt h et w od e g r e eo ff r e e d o mv i b r a t i o nm o l d u s i n gt h e s i m p l i f i e dm o l ds i m u l a t e st h ep o s s i b l ef r i c t i o n a lv i b r a t i o nm o d eu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t o n s t h e nt e s t i f y i n gt h em o l db yc o n t r a s t i n gt h es i m u l a t er e s u l tw i t ht h e e x p e r i n a e n t a l r e s u l t ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tt h a tw eg e tf r o mt h ef r i c t i o n e x p e r i m e n ts u b s t i t u t e st h ev i b r a t i o nm o l d ，a n dt h e ng a i nag e n e r a l p u r p o s em o l d w h i c hs i m u l a t e st h es y s t e mv i b r a t i o nu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u e 3 s u m m a r i z i n ga n da n a l y z i n gt h et w ok e yf a c t o r s ，f r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i ca n d v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw h i c hi n f l u e n c et 1 1 ed r i v ep e r f o r m a n c eo ft 1 1 el o c k u pc l u t c h a n dg i v i n gr e l e v a n ti m p r o v i n gs u g g e s t i o n sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t sf r o mt h e e x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n s k e yw o r d s ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，t o r q u ec o n v e r t e r ，l o e k u pc l u t c h ，r e s p o n s e c u r v e df a c er e g r e s s i o na n a l y s i s ，f r i c t i o n a lv i b r a t i o n ，f r i c t i o n a lv i b r a t i o nm o d e l i n g a n ds i m u l a t i o n 符号说明 符号说明 符号说明单位 a锁止活塞面积m m 2 c 、c阻尼s m r a d n s m r锁止活塞有效正压力 n 工系统固有频率 h z i mmx m 单位矩阵 j 、j 转动惯量k g m k 、k 月度 n ，n 1 、n m t a d m 、m质量 k g 摩擦系数 摩擦系数梯度 s m ，s t r a d n转速1 r a i n 刀相对转速l r a i n o nn x n 零矩阵 p单位压力 b a r 一摩擦片内径m m 摩擦片外径m m 凡 摩擦片平均摩擦半径m m t 0 e l自动变速器传动油温度 o c t r锁止离合器摩擦副间摩擦转矩 n m t 1测量轴端驱动转矩 n m 臼角度 r a d 占角速度 r a d s 口角加速度 r a d s z v 、v线速度 a d s 矿相对线速度 m s ，c o 固有圆频率 r a d s z位移m x线速度 m s x线加速度 m s ： f 系统阻尼比 i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：前t 铜埒 2 闪f 年9 月z 于日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月曰年月目 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：前j ；| ，嘲衷辱 2 洮5 年c 7 月l 于日 第1 章绪论 1 1 课题来源 第1 章绪论 课题来源于德国波鸿鲁尔大学机械设计与汽车传动教研室同德国大众汽车 公司合作项目。本研究为项目中的一个重要部分，即以德国大众汽车公司提供 的应用场景与a u d i i t 车型的液压锁止型液力变矩器( 型号a q2 5 06 f ) 为研 究对象，对其锁止离合器的摩擦性能和振动特性进行研究。目的是通过实验研 究分析其摩擦性能和振动特性规律，以此来指导锁止离合器摩擦材料的选择、 油压的控制、温度的调节、滑摩的控制以及摩擦振动的预防，提高液力变矩器 的传动性能，从而提升整车的动力性能。 1 2 问题的提出 汽车从诞生至今1 0 0 多年来，汽车工业从无到有，以惊人的速度向前发 展。随着现代科学技术的发展，汽车从外形到内部结构都发生了巨大变化，每 一时期科技领域出现的新技术、新工艺在汽车工业中都有所应用。在变速器发 展方面，为了满足人们对汽车的驾驶舒适性、汽车的动力性以及经济性方面不 断增长的需求，人们在改进变速器的结构和换档方法上作了很大的努力。目前， 汽车上应用较为广泛的是一种带有液力变矩器的自动变速器。为了消除液力变 矩器泵轮和涡轮之间的转速差，提高汽车在公路上中、高速行驶时的燃料经济 性，并降低因两轮窄隙处油液剪切而产生的温升，人们在液力变矩器内安装锁 止离合器，阻便在一定工况下将涡轮与泵轮锁定在一起，实现发动机和变速器 直接机械联接”j 。 在汽车技术中，噪声和振动一直是评价汽车系统的主要指标，同时这两个 指标也是顾客在购买汽车时的重要决定因素。一辆汽车就是一个由若干复杂的 子系统组成的高度复杂的系统。其最基本的子系统包括发动机以及由离合器系 统、变速器、传动轴、差速器、半轴及车轮等所组成的传动系。传动系的动态 行为直接传递到车身，从而影响整辆汽车的动态行为。在整个传动系中对整车 的动态特性影响最大的要属离合器系统了，它通过接合工作- 分离三个阶段实 第1 章绪论 现对动力的传递和切断。因此，作为连接发动机与传动系的重要部件，离合器 系统一直都是人们的主要研究对象。 离合器系统的两种基本工作状态： ( 1 ) 无滑差状态：离合器摩擦副之间不存在滑差，这样离合器系统就通过 其弹性元件和阻尼元件直接影响传动系的动态特性。 ( 2 ) 有滑差状态：这一种情况发生在离合器接合和分离的过程中，即离合 器系统在其驱动元件和从动元件之间，通常指带有压力盘的飞轮和耦合的摩擦 片之问，在发生相对滑动的状态下进行功率传输。在这种情况下就会产生振动， 这种由离合器系统引起的振动，被称为摩擦振动。摩擦振动是影响汽车驾驶舒 适度的决定性因素。这种由离合器系统激励产生的振动会使汽车发生纵向的振 动如图1 1 所示。这大大降低了汽车 驾驶时的舒适性及其寿命。而且这种 振动不仅存在于干式离合器中，它也 存在于湿式离合器 2 1 。另外，离合器 在快速的接合、脱开以及连续接合、 脱开过程中产生了大量的摩擦热。这 些热量通过循环的传动油以及变速器 壳体导出释放。由于，高温是离合器 图1 1 汽车中的摩擦振动表现形式( 来源：2 ) 的“第一杀手”，它会大大降低摩擦片的摩擦性能，如果散热设计不合理，系统 就会失效，甚至会造成灾难性的后果。 综上所述，深入分析离合器系统产生振动的机理、以及其摩擦性能，对改 善整个传动系的传动性能、提高汽车驾驶时的舒适度以及延长汽车的使用寿命， 具有非常重要的意义。 因此，本文针对大众汽车公司被广泛应用于自动变速器中的液力变矩器锁 止离合器进行研究。 ( 1 )借助鲁尔大学实验室现有的液力变矩器试验机和相关软件，通过 设计相关试验研究产生摩擦振动的机理及其相关因素，研究摩擦 系数与摩擦材料、温度、相对滑转速度、压力等相关因素的关系。 对各参数给出建议值。 f 2 )对现有的锁止离合器系统进行模拟仿真，建立锁止离合器振动模 型，模拟在不同条件下，锁止离合器摩擦副问的摩擦振动，并将 第1 章绪论 模拟结果与实际测量结果进行比较，验证模型。并利用经验证的 模型模拟不同压力、温度条件下的系统振动并对锁止离合器的工 作参数值给出建议。 ( 3 )分析各种振动产生机理并给出相应的解决措旆。 1 3 国内外研究现状【3 。1 3 】 液力变矩器出现于1 9 0 6 年，是船舶工业发展过程中的产物。由于其具有对 外界负载的自动适应性，更适合于地面行驶车辆的要求。上个世纪3 0 年代，瑞 典的里斯豪姆与英国利兰汽车公司的史密斯合作，创立了三级液力变矩器，并 成功应用于公共汽车上，随后又用于其它车辆。 然而，液力变矩器存在着效率不够高的问题。从上个世纪5 0 年代起，装备 液力自动变速器( a n 的汽车开始增多，由于自动变速器的效率低于手动变速器， 使得装备自动变速器的汽车存在燃油经济性较差的问题，从而限制了它的发展。 为了解决液力变矩器效率低的问题，汽车界的工程技术人员做了大量的工作。 上个世纪6 0 年代的研究重点是采用多元件工作轮来提高液力变矩器的效率。7 0 年代末8 0 年代初开始使用锁止离合器来提高液力变矩器在高速时的效率。9 0 年代后，随着电子技术的大量应用，液力变矩器的发展进入了一个新的时期， 世界各著名汽车公司的液力自动变速器几乎都采用了锁止离合器滑差控制技 术，通过对锁止离合器摩擦片上压紧油压的调节，实现锁止离合器微小滑差的 精确控制。当锁止离合器存在微小滑差而非完全锁止时，一部分动力经液力传 动，另一部分经锁止离合器机械传动。锁止离合器不完全锁止可以大幅度降低 传动系统的振动和噪声，使锁止范围得到充分的扩展。滑差控制时锁止离合器 的滑差量很小，所以摩擦损失也很少。锁止离合器滑差控制技术的应用，解决 了燃油经济性和行驶平顺性的矛盾，大大地提高了a t 的性能。 当前的车用液力变矩器锁止离合器大多采用内置式的湿式离合器，这种锁 止离合器通常是在液力变矩器封装焊接之后就成了不可拆卸的整体，所以对这 种锁止离合器的可靠性及寿命就有更严格的要求。摩擦材料的摩擦系数是影响 湿式离合器性能的一个因素。然而，在温度上升后，摩擦材料依然能维持与结 合面的吸附和良好贴合的能力就显得尤为重要。 目前国内外学者主要对滑摩功率、摩擦离合器对偶盘单位面积工作压力， 第1 章绪论 压盘表面温度对摩擦系数、磨损率的影响等问题进行了研究。研究结果表明， 温度及其在工作过程中的变化对摩擦系数及磨损率的影响尤为重要。另外，大 多数国内外学者对于式离合器有了较系统地研究，而对于湿式离合器特别是液 力变矩器中的锁止离合器摩擦振动性能的研究较少。一方面原因在于摩擦系数 不仅仅受到温度、压力及摩擦副间相对滑动速度的影响，同时还受到变矩器油 的影响。文献【l ”中h w w i e n h o l t 和d z d o r a 对有关锁止离合器摩擦系数影响因 素有较为全面的论述。另一方面，变矩器油的液体阻尼很难测定，这些都给研 究锁止离合器摩擦振动性能的研究造成了一定的困难。 在摩擦振动的研究方面，无论是在国内还是国外，学者和专家们都对此进 行了系统的研究。文献 2 j 对汽车中摩擦振动的起因、表现形式以及机理和对策 作了详细的论述。并归纳出来一些较为常用的振动模型。但这些振动模型只能 用于对系统的定性分析。要真正的模拟实际的摩擦振动则需要针对性的对系统 进行建模。在建模的方法上也有可以参照的一些方法。比如参考文献【1 2 】中作 者在研究汽车传动中离合器接合过程的振动时，提出四自由度振动系统建模的 方法，这个模型中包含了发动机飞轮、离合器、变速器以及传动系。文献 1 3 】 中给出整车的常用模型。 要如实的反应振动系统，可以说任何振动模型都不具有通用性，必须根据 所研究的系统的实际情况进行建模，并经合理的进行简化，才能得到最终的模 犁。 1 4 主要研究内容和技术路线 对于锁止离合器而言，影响其传动性能的因素主要是摩擦特性和振动特性 两个方面。本文将从研究摩擦与振动两个问题入手，由锁止离合器的摩擦性能 直接影响着其振动特性，因此，必须先从分析它的摩擦特性入手才能更好的了 解其振动特性。 第一个问题，从锁止离合器摩擦试验入手，通过设计并实施摩擦试验，收 集试验数据。通过对不同摩擦副的摩擦试验，得到摩擦系数特性曲线，研究摩 擦材料对摩擦系数的影响；然后借助s p s s 统计软件用统计回归分析的方法， 进行响应曲面分析，得出摩擦系数与温度、压力和相对速度的关系数学模型； 研究摩擦系数与温度、压力、相对速度三者之间的关系。 - 4 第1 章绪论 第二个问题，从建立锁止离合器振动模型入手，通过振动系统力学方程模 拟研究离合器摩擦副间的振动行为。最后将模拟结果同实际测量结果进行对比。 检验模型与实际的符合程度。并将回归分析得到的摩擦系数数学模型，代入到 振动模型中，得到使用摩擦材料1 的锁止离合器通用振动模型，模拟不同压力、 温度条件下，其振动情况。 具体的技术路线如下： ( 1 ) 锁止离合器摩擦试验 图1 2 摩擦试验研究流程 第1 章绪论 ( 2 ) 锁止离合器振动模拟 1 5 本章小结 对试验机各组件进行测量 用s o l i d e d g e 建模，计算各组件 的质量m 、刚度k 、转动惯蜀 建立试验机系统 振动模型j c k x = 肚 到陌夏藕 计算系统特征值和 各阶固有频率，进 行稳定性分析 判断模型是、- ! 否可以简化 得到最终模型 模拟不同条件下 锁止离合器的振 动情况，同试验 结果对比 岁 t 分析振动影响团素f 给出对策i 图1 3 振动模拟研究流程 本章主要介绍了本论文所研究的主要内容、国内外状况、研究的技术路线 第1 章绪论 ( 2 ) 锁止离合器振动模拟 图1 3 振动模拟研究流程 1 5 本章小结 本章主要介绍了本论文所研究的主要内容、国内外状况、研究的技术路线 本章主要介绍了本论文所研究的主要内容、国内外状况、研究的技术路线 第1 章绪论 以及文章的编排结构。 论文共分5 章，具体章节的安排如下： 第1 章绪论 介绍本课题的背景、国内外当前的研究现状，以及课题研究的主要内容和 技术路线。 第2 章液压锁止离合器变矩器及其摩擦振动 简介液压锁止离合器变矩器的功能、组成，分析汽车中的摩擦振动的基本 表现形式和发生机理。 第3 章锁止离合器摩擦试验 对锁止离合器进行摩擦试验：1 ) 摩擦片材料对比试验2 ) 温度、压力对比 试验。通过响应曲面回归方法，建立摩擦系数与相关参数的关系模型。分析摩 擦系数与这些参数的关系。 第4 章锁止离合器振动系统建模与仿真 建立试验机系统振动模型，计算系统特征值和各阶固有频率，并对模型进 行简化以方便对锁止离合器的振动行为进行研究。最终得到二自由度扭转振动 模型。通过模型模拟锁止离台器在不同条件下可能发生的摩擦振动形式，并将 该模拟结果同试验结果进行对比，对模型加以验证。最后，将回归得到的摩擦 系数数学模型代入到该振动模型中，得到到使用摩擦材料1 的锁止离合器通用 振动模型，模拟不同压力、温度条件下，其振动情况。 第5 章锁止离合器摩擦振动的影响因素分析 本章针对锁止离合器自激摩擦振动和强迫摩擦振动的机理进行分析，分别 给出相应的预防措施。 第6 章总结和展望 总结了全文的研究工作，并对今后需要进一步完善和深化的工作进行展望。 第2 章液压锁止离合爨变矩器及其摩擦振动 第2 章液压锁止离合器变矩器及其摩擦振动 2 1 液压锁止型液力变矩器简介 3 - 7 1 液力变矩器是车辆自动变速器中最重要的部件之，它具有自动增矩变速、 缓和扭振冲击等显著优点。但是普通的单级两相三元件液力变矩器传动效率低， 其功率损耗超过自动变速器整个部件功率消耗的7 0 。为了提高传动效率，出 现了在液力变矩器内安装锁止离合器，以便在一定工况下将涡轮与泵轮锁定在 一起，实现发动机和变速器直接机械联接的锁止型液力变矩器。 2 1 1 液力变矩器的功能 当前，轿车中广泛使用了带有液力变矩器的自动变速器。液力变矩器是以 液体为介质的液力传动机械。它利用液体韵相互作用引起机械能与液体动自甚之 间的相互转换，通过液体动量矩的变化来改变传递的转矩。它具有无级连续变 化的特点使汽车起步平稳、加速迅速、柔和，有优良的减振性能，从而能延长 动力传动系统的寿命，提高乘坐舒适性、汽车的平均速度和行驶安全性；失速 时有最大的变矩比，不仅有防止发动机熄火的功能，更主要的是能大大提高汽 车的通过性。它的不足之处是效率不高，高效率范围窄，因而其燃油经济性不 良。 2 ，i 2 液力变矩器的组成 传统的液力变矩器的主要组成元件为泵轮、涡轮与导轮。泵轮由发动机驱 动；涡轮与变速器输入轴相连，导轮则通过单向离合器安装在变速器壳体上。 工作液( 又称为自动变速器传动油简称a t f ) 在各工作轮组成的闭合循环道内流 动，通过动能的变化来传递扭矩。因液力变矩器由泵轮、涡轮和导轮组成，故 称为三元件变矩器，如图2 1 所示。左边驱动盘是相当于飞轮的驱动盘，由于 驱动盘较重，可当作飞轮使用，装在外围的齿圈与驱动盘形成一体。驱动盘用 螺栓与泵轮连接，变矩器左边凸起部分与发动机曲轴的凹部相连接。发动机运 一8 一 第2 章液压锁止离合器变矩器及其摩擦振动 转时，驱动盘随曲轴转动，变矩器内部的自动变速器油由于离心力的作用向外 侧甩出，形成驱动力。高速运动的油液顺着泵轮叶片作用于涡轮叶片上，从而 推动涡轮转动。 1 - 泵轮、2 - 导轮、3 涡轮、4 驱动端盖、5 - 曲轴、6 - 变矩器壳体( 与泵轮相连) 、7 - 变矩器壳体( 固定) 、8 一 涡轮轴( 变速器输入轴) ( 来源：文献州) 图2 1 液力变矩器结构图 2 1 _ 3 带液压锁止离合器的液力变矩器 理论研究和试验表明，不带锁止离合器的自动变速器的液力变矩器即使是 在耦合状态时，也仍有大约为3 6 的少量转速差存在于涡轮与泵轮之间，如 果采取措施消除该转速差，则汽车在公路上中、高速行驶时的燃料经济性可提 高5 ，而且由于两轮窄隙处油液剪切而产生的自动变速器油温升也可降低。 因此，在液力变矩器内安装了锁止离合器( 如图2 2 所示) ，以便在一定工况下 将涡轮与泵轮锁定在一起，实现发动机和变速器直接机械联接。 第2 章液压锁止离合器变矩器及其摩擦振动 1 发动机端、2 变矩器壳体( 与泵轮相连) 、3 - 带有扭转减振器的锁止离合器、4 - 导轮、5 - 涡轮、6 - 泵轮、7 一 变速器输入轴端 图2 2 液力锁i 型变矩器 发动机 飞轮 锁止离 输入轴 图2 3 液力锁止型变矩器示意图 如图2 3 所示，当汽车达到一定车速时，控制系统通过控制离合器两侧的 油压p 1 、p 2 使锁止离合器接合，将液力变矩器的输入部分和输出部分连成一 体，使发动机动力直接传人齿轮变速器，从而提高了传动效率，降低了油耗， 减少了液力损失。 第2 章液压锁止离合器变矩器及其摩擦振动 另外，为了避免转动方向的共振，缓和传动系受到的冲击载荷，大多数汽 车都在离合器的从动盘上附装有扭转减振器 ( 见图2 4 ) 。离合器接合时，发动机产生的转 矩经飞轮和压盘传给了动盘两侧的摩擦片，带 动从动盘本体和与从动盘本体铆接在一起的减 振器盘转动。动盘本体和减振器盘又通过六个 减振器弹簧把转矩传给了从动盘毂。因为有弹 性环节的作用，所以传动系受的转动冲击可以 在此得到缓和。传动系中的扭转振动会使从动 盘毂相对于动盘本体和减振器盘来回转动，夹 图2 4 扭转减振器 在它们之间的阻尼片靠摩擦消耗扭转振动的能 量，将扭转振动衰减下来。 综上所述，变矩器仅在起步加速和换档过程中起有效作用，在稳定行驶时 不起什么作用，反而使油耗增加。因此采用锁止离合器，将变矩器锁止成机械 传动，以提高效率。 2 2 汽车中的摩擦振动 根据德国工业标准的定义：摩擦振动是在离合器发生滑转时，由于转矩的 不断变化而激励产生的一种振动。这种振动不仅存在于干式离合器中，同时也 存在于湿式离合器，例如液力变矩器锁止离合器。在湿式离合器系统中除了离 合器油之外，还存在某些辅助介质，这都会对摩擦系数产生影响。接下来将介 绍几种常见的摩擦振动类型。 根据产生机理的不同，摩擦振动可以分为自激摩擦振动和强迫摩擦振动。 2 2 1 自激摩擦振动【9 在实际中有许多摩擦引起的自振现象。最常见的如弦乐器的琴弓在琴弦上 滑动b i 起琴弦的振动。刀具切削工件时刀具的振动等都是由干摩擦激发的自振 现象。图2 5 是一个表达自激振动的简单力学模型。 第2 章液压锁止离合器变矩器及其摩擦振动 k 图2 5 自激摩擦振动力学模型 图2 5 中的皮带代表各个摩擦副中的主动件，例如离合器的主摩擦片、弦 乐器的琴弓、切削加工的工件。放在皮带上并带有弹簧和阻尼器的滑块，代表 摩擦副中的从动件，也是所研究的振动主体，例如离合器的副摩擦片、琴弦、 刀具，由于滑块与皮带之间有压力，皮带以不变速度v o 运动时，二者之间有摩 擦力。自激摩擦振动是由于摩擦副间的相对滑动引起摩擦系数的改变而产生的。 如图所示，物体a 靠自身的重力压在皮带上。这样就在皮带和物体a 之间产生 了摩擦力。如果皮带运动，借助静摩擦力它将带着物体一起运动，这时滑块对 皮带是处于静止的，同时弹簧k 将被拉伸。在这个过程中静摩擦力做功向系统 输入能量，能量缓慢的储存于弹簧。当弹簧被拉伸到一定程度物体就会静止不 动，因为这时弹簧的弹力和静摩擦力相互抵消( 这时阻尼力为零) 。由于皮带仍 继续运动，这时在物体和运动的皮带之间就会发生相对运动。如果这时两者间 的滑动摩擦系数低于开始时的静摩擦系数，那么摩擦力会突然下降，弹簧就会 将物体往回拉，直到再次进入静摩擦状态。之后皮带又会从新开始将物体向前 带。重复上述的过程，也就是说物体a 生了振动。 据此，只有当滑动摩擦系数低于静摩擦系数，并且滑动摩擦系数随着相对 滑动速度的上升而下降时，才能有振动产生。因为，否则的话只能形成一种静 止的平衡状态。如果滑动摩擦系数随着滑动速度的上升而下降，那么这个摩擦 接触就起到了激励的作用，因为这个同弹簧力反作用的摩擦力在物体开始相对 皮带滑动时就下降了，而物体则被弹簧力的作用下加速。 在这种情况下，可以用摩擦系数梯度作为其特征量。即摩擦系数相对相对 d ” 滑动速度的变化。可以用下式表示：= 芋 d v 根据上述振动模型可以建立振动方程： 第2 章液压锁止离合器变矩器及其摩擦振动 m a 2 ( t ) + ( c + 目卢) 膏( f ) + k x ( t ) = 0 其中m a 为物体a 的质量，k 为系统弹性系数，c 为粘性阻尼系数，f n 为物体a 和皮带间的正压力，矿= v o j ( f ) ，f n 为常数。 1 巍 懈 蜷 世 相对滑动速度v 图2 6 摩擦系数与相对速度的关系图 图2 6 所示的关系曲线是一种理想的状态曲线，实际中摩擦系数不仅仅是 相对滑动速度的函数，此外它还和运行的情况以及环境条件相关。由图可知摩 擦系数和相对速度v 之间的关系可分为三种情况： u 0 摩擦系数随着摩擦副间的相对滑动速度的增加而增加。这时摩擦副的 摩擦接触对整个振动系统起到了额外的正阻尼作用。 u = 0 即摩擦系数为常数。这时摩擦副的摩擦接触对整个振动系统不产生任 何影响。 u 0 摩擦系数随着摩擦副间的相对滑动速度的增加而减小。这时摩擦副的 摩擦接触对整个振动系统得阻尼起到了削弱的作用。即负阻尼作用。当系统自 身阻尼c = - 3 o b a r ，材料1 ) 0 1 5 j0 1 3 格 懈 巅 鼙o 2 o 摩擦系数与相对滑动速度关系图( t n = 9 0 。c p = 3 0 b a r , 材料z l f f f f q lj ，y 9 j 相对滑动速度i r a , 图3 6 摩擦系数同相对滑动速度关系曲线( 1 - - 9 0 0 c ，p = 3 o b a r ，材料2 ) 从图3 5 和3 6 中可以看出，对于摩擦片材料1 而言，摩擦系数随着相对滑 动速度的增加而减小。而摩擦材料2 则与之相反，摩擦系数随着相对滑动速度 第3 章锁止离合器摩擦性能试验研究 的增加而增加。这是由于摩擦材料自身物理性质的不同而引起的。在p = 3 0 b a r ， t = 6 0 0 c 试验组合的结果中也呈现出了同样的趋势。 但对材料1 在p = i 5 b a r ，t = 6 0 0 c 和p = i 5 b a r ，t = 9 0 0 c 两组实验组合的结 果显示了完全相反的趋势，其摩擦系数随着相对滑动速度的增加而减小。 摩擦系数与相对滑动速度关系圈l t = 6 0 。c ，p = t 5 b a r , 材辩1 ) 泰虹沁 高逡乒 ；把a p 睁诗嗽静82 h 婚目自g 鳕芒整呈掣 ， f d515225 相对精功埴度【m 埘 图3 7 摩擦系数同相对滑动速度关系曲线( t = 6 0 0 c ，p = i 5 b a r ，材料1 ) 摩擦系数与相对滑动速度关系图( t = 6 0 。c p = 1 5 h a r ，材辩2 ) 谚 一r 、一 - 丁一一 一、 11胃 膨 j 融 肟 形 0 5115 相对滑动速度( t r i g s f 一试验1 一试验2 一试验3 一试验4 一试驰5 试验6 图3 8 摩擦系数同相对滑动速度关系曲线( t = 6 0 0 c 。p = i 5 b a r ，材料2 ) o 0 o d j鼍锋姓|t 叫 n j赫睡鞲瞥 第3 章锁止离合器摩擦性能试验研究 摩擦系数与相对滑动速度关系图( t 油= 9 0 。c ，p - - - i 5 b a r ，材料1j f i 自函 铲 羹碧鼋潦曝惮黼瓣莓劳萨 鱼蚋 l 少 j 酊 相对滑动速度【m s 】 图3 9 摩擦系数同相对滑动速度关系曲线( t _ 9 0 0 c ，p = i 5 b a r ，材料1 ) 摩擦系数与相对滑动速度关系图( t 油= 9 0 。c ，p = i 5 b a r l 算藕窖 ，j j j ，rl 115 相对滑动速度 m l s 】 i ：= 蔓塑= i 邋i = 堡墼! 二堕墅= 堕墼! 二遮壁! l 图3 i o 摩擦系数同相对滑动速度关系曲线( t - = 9 0 0 c ，p = i 5 b a r ，材料2 ) 通过对试验结果的比较分析发现： - 2 5 5 4 3 2 1 1 o o o 0 n c 二蝌峨熊避 5 4 3 2 1 1 州 洲 i凝幡辅蛩 第3 章锁止离合器摩擦性能试验研究 ( 1 ) 材料2 在各压力、温度试验组合条件下，其摩擦系数均随着相对滑动 速度的增加而减小。 ( 2 ) 而材料l 在不同的压力温度组合条件下，显示了两种相反的变化趋势， 当压紧油压为1 5 b a r 时，其摩擦系数随着相对滑动速的增加有减小的趋势，见 图3 7 、3 9 。当压紧油压为3 o b a r 时，其摩擦系数随着相对滑动速度的增加而 增加，见图3 5 。显然，对材料1 来讲，压紧油压的变化对其摩擦特性具有很大 的影响。 比较摩擦材料1 和2 ，显然摩擦材料1 在某些情况下具有较好的摩擦特性， 它能够在摩擦副相对滑动较大的情况下仍能保证动力的转递。但这一摩擦特性 会在压紧油压较小时，发生截然相反的变化。因此，针对摩擦材料1 进一步研 究压紧油压变化对其摩擦特性的影响是非常必要的。 另外，在几组试验结果的比较中还发现温度的变化也会影响到摩擦系数。 因此，针对摩擦材料1 为了进一步分析各参量对摩擦系数的影响程度，在试验 二中分别划分了四个温度等级和四个压力等级，并使用响应曲面回归分析的方 法对试验结果进行分析，建立摩擦系数对压力、温度和相对速度的数学模型。 3 3 3 试验结果响应曲面回归分析 3 3 3 1 回归分析的数学基础 1 3 , 1 4 , 1 5 1 多元线性回归的数学模型 研究在线性相关条件下，两个或者两个以上自变量对一个因变量的数量变 化关系，称为多元线性回归分析，表现这一数量关系的数学公式，称为多元线 性回归模型。多元线性回归模型是一元线性回归