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c v t 起步离合器的特性研究 摘要 本文以无级变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) 用多片湿式离合器作 为研究对象，对其结构和工作原理进行分析，介绍常用的多片湿式离合器三种起 步控制策略，对多片湿式离合器接合过程进行分析，并介绍油门开度、油门开度 变化率、发动机的转速、变速器的速比及车辆载荷等因素对多片湿式离合器起步 过程的影响，分析离合器接合过程中常用的性能评价指标，经过对冲击度和滑摩 功的分析，可以将接合过程中多片湿式离合器传递的转矩作为控制策略的目标。 介绍了2 0 - s i m 软件和功率键合图理论，根据给定的多片湿式离合器的物理模 型，利用功率键合图理论建立多片湿式离合器接合过程的键合图模型，并利用 2 0 s i m 软件平台进行仿真。阐述功率键合图变换为框图模型和推导数学模型的理 论方法，为将2 0 s i r e 和m a t l a b 的建模过程进行比较，基于键合图模型变换出多 片湿式离合器的框图模型，并且推导出数学模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立 多片湿式离合器控制模型，并将二者建模过程进行比较。 对多片湿式离合器接合过程中传递的转矩进行研究分析，给出接合过程中影 响转矩大小的因素，根据建立的控制模型对影响因素进行仿真分析。选定摩擦系 数的模型，分析摩擦系数的初始值和摩擦系数变化率对离合器接合过程中动态特 性的影响；建立高速开关阀占空比和油压力之间的关系式，通过控制占空比就可 以控制油压，也就可以控制离合器接合过程中作用于离合器主、从动摩擦片的作 用力，针对占空比变化的快慢对离合器接合过程的动态特性进行分析；分析传递 转矩和车辆负载转矩的变化对离合器接合过程中动态特性的影响。 关键词：无级变速器；多片湿式离合器；功率键合图；建模 i i 工程硕士学位论文 a b s t r a c t f o c u s i n go nt h em u l t i p l a t ew e tc l u t c ho fc o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ， t h i se s s a ys t u d i e st h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l e s ，s t a t e st h r e ec o m m o n l yu s e d c o n t r o lm e t h o d so fs t a r t i n g - c l u t c h ，a n a l y z e st h ee n g a g i n g p r o c e s so fc v t a f t e rt h e a n a l y s i s ，s o m ei n f l u e n c i n gf a c t o ra r cg i v e n ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o rist h r o t t l eo p e n i n g ， t h r o t t l eo p e n i n gr a t eo fc h a n g e ，e n g i n es p e e d ，t r a n s m i s s i o nr a t i o ，v e h i c l el o a de t c t h e f a c t o r sh a v eag r e a ti n f l u e n c eo nt h ee n g a g i n g p r o c e s so fm u l t i p l a t ew e tc l u t c h t h i s e s s a yw i l l a l s os t u d yt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nc r i t e r i ao fm u l t i p l a t ew e tc l u t c h ， a f t e rt h er e a s o n i n go fe n g a g e m e n tj u d d e ra n df r i c t i o nw o r k ，i ti sa p p r o p r i a t et om a k e t h et o r q u em u l t i p l a t ew e tc l u t c ht r a n s f e r r e dd u r i n gt h ee n g a g e m e n ta sat a r g e to f c o n t r o ls t r a t e g y ab r i e fi n t r o d u c t i o no f2 0 一s i ms o f t w a r ea n db a n dg r a p ht h e o r yw i l lb ep r e s e n t e d b a s i n go nm u l t i p l a t ew e tc l u t c h sg i v e np h y s i c a lm o d e la n d2 0 - s i ms o f t w a r e ，ab a n d g r a p hm o d e lo ft h ee n g a g i n gp r o c e s sw i l lc o m ei n t ob e i n g o nt h eb a s i so f2 0 一s i m s o f t w a r e ，t h eb a n dg r a p hm o d e lw i l lb es i m u l a t e d 1w i l lp r e s e n tt h em e t h o dt h a t c h a n g i n gb a n dg r a p hm o d e li n t ob l o c kd i a g r a mm o d e la n dr e a s o nt h em a t h e m a t i c m o d e lo fm u l t i p l a t ew e tc l u t c h se n g a g i n g - p r o c e s s i no r d e rt oc o n t r a s tt h ep r o c e s so f e s t a b l i s h i n gm o d e l ，t h eb l o c kd i a g r a mm o d e lo fm u l t i p l a t ew e tc l u t c hw i l lb ec h a n g e d f r o mb a n dg r a p hm o d e la n dt h ee n g a g i n gp r o c e s s sm a t h e m a t i cm o d e lw i l lb e o b t a i n e d b a s i n go nt h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，m u l t i p l a t ew e tc l u t c h sc o n t r o l m o d e lw i l lb ee s t a b l i s h e de v e n t u a l l y t h e n1w i l lc o m p a r et h ep r o c e s so fe s t a b l i s h i n g m o d e lb e t w e e n2 0 s i ma n dm a t l a b s i m u l i n k i tc o n d u c t sa na n a l y s i so fm u l t i p l a t ew e tc l u t c h st r a n s m i s s i o nt o r q u e ，p r e s e n t s f a c t o r s a f f e c t i n gt o r q u ed u r i n ge n g a g i n gp r o c e s s ，s e l e c t s f r i c t i o nf a c t o rm o d e l ， a n a l y z e st h ea f f e c t i o no f 弘s 0a n dk s o nm u l t i p l a t ew e tc l u t c h jsd y n a m i cc h a r a c t e r d u r i n gt h ee n g a g i n g - p r o c e s s ，a n dc l a r i f i e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh i g h - s p e e do n o f f v a l v ea n do i lp r e s s u r e ，i ti se a s yt oc o n t r o lt h eo i lp r e s s u r et h r o u g hc o n t r o l l i n gt h e f r e q u e n c yo fh i g h s p e e do n - o f fv a l v e s ，s ot h ec l a m p i n gf o r c eo fm u l t i p l a t ew e tc l u t c h c o u l db ei nc o n t r 0 1 t h ef r e q u e n c yo fh i g h s p e e do n - o f fv a l v e sh a sb i gi n f l u e n c eo n e n g a g e m e n to fm u l t i p l a t ew e tc l u t c h t h et o r q u eo fe n g i n ea n dv e h i c l ea f f e c tt h et i m e o fm u l t i p l a t ew e tc l u t c h se n g a g i n g - p r o c e s s t h ea n a l y s i so fe v e r yi n f l u e n c i n gf a c t o r i sm e a n i n g f u lf o rc h o o s i n gt h ec o r r e c tv a l u eo fi n f l u e n c i n gf a c t o r s i i i c v t 起步离合器白q 特性研究 k e yw o r d s ：c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ；m u l t i p l a t ew e tc l u t c h ；b a n dg r a p h ； m o d e l i n g 工程硕士学位论文 1 1 研究背景简述 第1 章绪论 汽车变速器主要目的是协调发动机的转速和车轮的行驶速度，使发动机处于 最佳性能。变速器可以在汽车的行进过程中，改变发动机和车轮之间的速比，通 过换挡可以使发动机在最佳的动力性能下运转。随着科学技术的发展和创新，人 类生活环境的改变，对汽车性能也提出了更高的要求，因此，不断促使新技术应 用于变速器等汽车关键零部件。由于汽车在行驶的过程中速度是不断变化的，所 以变速器的性能优良与否对汽车整体性能有很大的影响。 在早期，普遍使用的变速器是手动变速器( m t ) ，也就是有级齿轮变速器。这 种变速器是用手拨动变速杆才能改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，从 而达到变速的目的。m t 操作起来比较方便、传动的效率高、维修方便以及使用 寿命长等特点，从而使得其在很长一段时间里成为众多车型的首选。但是m t 需 要驾驶员不断频繁的换挡，容易使驾驶员产生疲劳，增加安全行驶的不确定性： 并且由于不同驾驶者之间驾驶技术的差别，对车辆的燃油经济性、动力性和舒适 性等会造成很大的影响。随着人们对汽车舒适性要求的提高和汽车工业的快速发 展，人们开始研究能够自动进行变速的变速装置。 1 9 3 9 年g m 公司就推出了自动液力变速器a t ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) ，但 是其采用了液力装置，因此传动效率很低，燃油消耗量比较大，并且对速度变化 的反应没有m t 灵敏，因此在很长一段时间装车率并不是很高。进入2 0 世纪7 0 年代以来，由于电子技术和计算机的快速发展及应用，a t 的性能得到了很大的提 高。结构如图1 1 所示，a t 的变速装置是行星齿轮机构，它可以基于油门踏板位 移和车速变化，自动的变速，驾驶者只要控制加速踏板即可。因此，a t 在变速器 市场中占有很大的份额。据统计，在美国和日本a t 的装车率约在8 0 和7 5 以 上。由于自动变速器是由液力变矩器、行星齿轮和液压系统组成，通过液力传递 和齿轮组合的方式来达到变速、变矩的目的。与机械自动变速器相比，a t 的动力 性能和平顺性都有较大的提高。但是，a t 的结构复杂、加工难度比较大、成本较 高，而且由于a t 采用液力传动，在传动的过程中会造成功率损失，因此，传动 效率没有机械自动变速器高。为了进一步提高a t 的性能，一些专家和学者对液 力变矩器锁止、换挡点、油压等控制系统以及系统故障与自诊断等有关方面做了 深入的研究。 c v t 起步离合器的特性研究 图1 1a t 结构图 在2 0 世纪8 0 年代日本的五十铃公司率先研制出了采用电子控制的机械有级 变速器n a v i 5 ，并成功装配于a s k a 轿车。与此同时，美国e a t o n 也成功研制 出了用于重型汽车的可实现自动化的手动变速器，并命名为电控电动机械自动变 速器。这就是现在所说的a m t ( a u t o m a t i cm e c h a n i ct r a n s m i s s i o n ) 。a m t 是在传 统的轴式变速器和干式离合器的基础上改造而成，也就是在总体传动结构不变 的条件下，加装电控系统、传感器以及相应的执行机构，从而使换挡、离合器和 发动机操控自动化。由于a m t 换挡能够自动化，且通过e c u 实现最优的换挡控 制，使车辆能在最理想的换挡点换挡，不会产生像手动换挡时的换挡冲击。因此， 装配a m t 的车辆动力性和平顺性较m t 都有所提高，因为采用机械齿轮变速传 动，效率也较高。其他著名的车企如丰田、福特、大众、雷诺等也先后进行了a m t 的研究。 图1 2a m t 结构图 工程硕士学位论文 无级变速器c v t ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) 是一种变速比连续 变化的变速器，它的变速比不是间断的点，而是一系列连续的值，譬如可以从3 4 5 5 一直变化到0 8 5 。在c v t 速比变化范围内，消除了传统的变速器中档位的概念， 通过调节c v t 的传动比来改变车速，从而保持发动机油门与转速不变，以达到道 路负载与发动机功率新的平衡。1 8 8 6 年，德国奔驰公司就将v 型橡胶带式c v t 安装在其公司的汽车上。1 9 5 8 年，荷兰d a f 公司的h v a nd o o m e 博士成功的研 制出了双v 型橡胶带式c v t ，并安装在d a f f o d i l 轿车上，销量超过了1 0 0 万辆。 但是因为橡胶带式c v t 存在一系列的缺陷，功率有限、液压泵、传动带以及夹紧 机构能量损失较大等，因而并没有得到大面积的推广。 然而关于c v t 问题的研究一直在进行，将液力变矩器集成到c v t 系统中， 使用电子系统控制主、从动轮的夹紧力，在c v t 中使用节能泵，传动带用金属带 代替橡胶带。这些新的技术应用克服了c v t 系统原有的技术缺陷，使得新一代的 c v t 传递转矩容量更大、性能更优良。 1 9 8 7 年，日本s u b a r u 把装配金属带式c v t ，如图1 3 所示的变速器汽车投 放市场，获得成功。同时f i a t 和f o r d 也将v d t o c v t 装备在排量为1 1 l 到1 6 l 的汽车上。随着科学技术的发展，在总结前期c v t 的经验基础上，开发出了性能 更佳，转矩容量更大的c v t 。现在t o y o t a 、g m 、f o r d 、n i s s a n 、a u d i 等 著名品牌中，都有装备c v t 变速器的轿车车型。装备c v t 的汽车市场，由最初 的日本，欧洲，已经渗透到北美市场，因此无级变速器是当今汽车发展的主要趋 势。 图1 3 无级变速器结构图 d s g ( d i r e c ts h i f tg e a r b o x ) 是近些年来出现的一种新型的机械式自动变速器， 因为其采用两个离合器，又称双离合变速器。其实，早在1 9 4 0 年，d a r m s t a d t 大 学教授r u d o l p hf r a n k 就申请了d s g 的专利，但是并没有批量生产。随后，p o r s c h e c v t 起步离合器的特性研究 公司也发明了专用于赛车的d s g ，但也没有投入批量生产。直到2 0 世纪9 0 年代， 大众和博格华纳合作研发出第一个适用于大批量生产和主流车型的双离合变速器。 图1 4 为大众公司装配于a u d it t 车上的d s g 变速器。 图1 4 大众公司量产d s g d s g 变速器与传统的自动变速器相比有着明显的区别，d s g 从设计之初就没 像传统变速器那样使用转矩变换器。这款变速器摒弃了传统自动变速器的概念， 采用了全新的设计思路，将传统自动变速器的方便性和手动变速器的灵活性巧妙 地、有效地结合在一起。其最大的特点就是湿式双离合器系统的控制是通过液压 系统来完成的，d s g 系统相当于采用两套变速器和离合器，当一个变速器运转时， 另一个变速器空转。通过两个离合器之间的切换来实现两套变速器交替进入工作 状态，可以在动力中断时间很短的情况下完成换挡过程，结构原理如图1 5 所示。 图1 5d s g 结构原理图 工程硕士学位论文 d s g 变速器的两个离合器分别控制奇数齿轮、偶数齿轮和倒档齿轮，其中离 合器l 用来控制奇数齿轮和倒档齿轮，离合器2 用来控制偶数齿轮堙1 。同时，又 有一个实心轴和外部套筒组合成的双传动轴机构，并且通过电子控制和液压装置 同时控制两组离合器及齿轮组的动作。在奇数档位时，离合器1 接合，一组齿轮 啮合输出动力，在接近换挡时，下一组档位段的齿轮已经被预选，而与之相连的 离合器2 仍处于分离状态；在换入下一个档位时，位于工作状态的离合器1 分离， 将使用中的齿轮脱离动力，同时离合器2 啮合已被预选的齿轮，进入下一档。在 整个换挡过程中，这个换挡过程只需要极短的几毫秒时间就能完成，至少能确保 有一组齿轮在输出动力，从而不会出现动力中断的情况。所以，发动机和变速器 配合可以带来更高的转换动力、更高的转速和更顺畅的自动换挡。但是d s g 因为 相当于两个变速器装置，并且d s g 的起步和换档控制需要一套很复杂的控制系统 才能完成，所以成本相对于传统的变速器和c v t 较高。 1 2c v t 传动技术特点 1 2 1c v t 结构和工作原理 金属带式无级变速器主要有主动带轮、从动带轮、金属带、夹紧力装置和速 比调节装置组成，其结构原理如图1 6 。 s c v t 起步离合器的特性研究 图1 6 金属带无级变速器的结构图 l 一主动可动锥盘；2 一行星架；3 一双排行星齿轮；4 一发动机输入轴；5 一太阳轮；6 一倒档 制动器；7 一前进离合器：8 一主动轮主动缸；9 一中间减速齿轮； 1 0 一半轴；1 l 一从动固定锥盘；1 2 一从动缸 金属带式无级变速器是依靠推力传动的变速器，如图1 6 所示，发动机输出 的动力传递到主动带轮，主动带轮与金属带的v 形摩擦边接触从而产生摩擦力， 摩擦力推动金属片向前运动，并且推压前一个金属片，在两个金属片之间产生推 压力。推压力经金属带传到从动带轮，金属片和从动带轮接触产生摩擦力，摩擦 力带动从动带轮转动，将动力传递至从动轴上。所以，金属带式无级变速器的一 个重要特征就是靠推力作用传递动力。在传动的过程中，主动带轮和从动带轮的 可动部分在液压系统的作用下轴向移动，因此主动带轮和从动带轮的工作半径是 变化的，如图1 7 所示。当主动带轮和从动带轮的半径相同的时候，传动比为1 ； 随着从动带轮半径的减少和主动带轮半径的增加传动比小于l ，反之，传动比大 干1 。 6 工程硕士学位论文 主动带麓 可动缝盘 获动带轮 遮览i - l 逮比i l 图1 7 金属带式无级变速器变速传动示意图 1 2 2c v t 关键零部件 ( 1 ) 金属带 最初无级变速传动中采用的是橡胶型v 带，但是，由于橡胶带在传动中受轴 向挤压导致其效率降低、寿命缩短。现在普遍采用的是金属带，如图1 8 所示。 三：瑟 辕霭 筏泣 锯簿繇 一金蔫鸯 图1 8 金属带结构图 金属带由金属块和金属环组合而成，每个金属片的厚度是2 2 5 m m ，两侧边呈 v 型，因为金属片要在两侧挤压力的作用下传递动力；钢带环的作用主要是引导 金属片的运动并且承担全部的预紧力，其中每层金属环的厚度为o 2 m m ，每个钢 带环由数个钢带成，根据所需要传递转矩的大小来增减钢带的数量，传递的转矩 越大，钢带的数量就越多。 c v t 起步离合器的特性研究 ( 2 ) 主从动带轮 金属带式无级变速器工作带轮有两个，主动带轮和从动带轮，如图1 9 所示。 两个带轮之间通过金属带连接在一起，每个带轮由两部分组成，固定锥盘和可动 锥盘。在传动的时候，固定锥盘与输入轴固定不动，可动锥盘通过钢球- 滑道结构 作轴向移动，从而改变带轮的工作半径。其中主、从动带轮要对金属带施加足够 的夹紧力，如果施加的夹紧力不够，金属带就会出现打滑，这种情况下金属带和 带轮都将有不同程度的损伤，影响使用寿命。 图1 9c v t 主、从动带轮 主、从动带轮的锥盘面分为直母线式和曲母线式两种，直母线式锥面在金属 带与带轮的接触强度、工作可靠性和制造加工方面要比曲母线式锥面有优势，目 前多采用直母线式锥面。可是直母线式锥面在速比不等于l 的传动中，金属带会 在锥盘的锥面上移动，使金属带产生轴向偏移。采用曲母线式锥盘可以消除金属 带的偏移，可是曲母线式锥盘的加工比较困难，成本也较高。 ( 3 ) 液压泵 液压泵主要作用是在无级变速器传动过程中为控制系统、润滑和冷却提供液 压油。在金属带式无级变速系统中，夹紧力控制、速比控制以及起步离合器的控 制大多采用电一液控制方式，液压系统的供油就由液压泵提供。常用的液压泵有 齿叶片泵和轮泵，近些年来，为了提高泵的工作效率，无级变速器多采用滚子式 叶片泵。 ( 4 ) 起步离合器 起步离合器主要的作用是为汽车平稳起步而设计，使汽车在起步时能获得足 够大的牵引力，从而平顺的起步，在必要时切断动力传递。在第二章将会对起步 离合器做专门的研究，这里不再赘述。 工程硕士学位论文 1 3 自动变速器离合器简述 早期的离合器是采用锥形的结构，锥形离合操作起来比较复杂，对驾驶员的 操作技巧要求比较高。1 9 世纪末，摩擦式离合器在法国首先研制成功，从此以后， 人们普遍使用在油中工作的多片湿式离合器，锥形离合器逐渐淡出市场。多片湿 式离合器虽然有很大的优势，但也有其明显的缺点，多片湿式离合器使用的摩擦 片容易被油液粘住，从而导致离合器不能彻底分离，给换档造成一定的困难。因 此干式的多片离合器又逐渐成为变速器市场的新宠。由于多片干式离合器传动过 程中接触面比较多，所以接合柔和、平顺，能够保证车辆平稳起步。也恰恰由于 其片数多，导致从动部分较大的转动惯量，造成不容易换挡的缺点。此外，中间 的压盘通风不良，温度不能及时降低引起过热，离合器很容易磨损，甚至烧伤， 调整不合适还会引起离合器不能彻底分离，造成严重的后果。从动部分转动惯量 小、结构简单、散热好、尺寸紧凑、调整方便、分离彻底的单片干式离合器又逐 渐进入市场，其最大的缺点是前期使用时不能够平顺接合。随着科学技术的不断 进步，1 9 3 8 年通用研制成功了液力自动变速器，一般的离合器装置被液力耦合器 替代，这一改变使其较强的自适应能力成为最大的优点，能使车辆平稳起步，乘 坐非常舒适，加速也比较均匀，最大的缺点就是采用油液传动效率低下。别克汽 车在1 9 4 8 年成功使用了液力变矩器，变矩器与液力耦合器相比可以在传递转矩的 过程中将转矩提高一倍，起到增扭的作用。2 0 世纪7 0 年代末，克莱斯勒推出了 锁止式变矩器，这种变矩器消除了车辆在高速档位时的动力损耗，提高了燃油经 济性。8 0 年代以来，出现了纯机械式的自动变速器，其自动操纵的实现由干式离 合器以及传统手动机械式变速器采用微机控制完成，一般比相同条件下的液力自 动变速器能够节油1 0 以上。 离合器在车辆上的功能就是传递发动机的转矩、减振、防止系统过载，根据 传递转矩方式的不同可以分为：摩擦片离合器、电磁离合器和液力变矩器。摩擦 片离合器可以分为：单片离合器、双片离合器以及多片湿式离合器。 多片湿式离合器的接合与分离是利用油压来推动活塞加压完成的。它有以下 特点：( 1 ) 使用过程中磨损小，并且可以使用磨损间隙补偿器自动调节；( 2 ) 与别 的离合器相比，结构更简单，成本更低；( 3 ) 接合过程中摩擦副之间有油膜，摩擦 为混合摩擦，接合平稳；( 4 ) 在持续接合的过程中，散热效果非常明显，冷却效果 好。可是，多片湿式离合器也存在着明显的不足，那就是传动系统自动操控的实 现，由于离合器的起步工况复杂多变，受驾驶员操纵意图和车辆的运行状态的影 响，起步控制是个难题，且多片湿式离合器的控制目标中包括起步操纵灵活性、 平顺性、延长离合器使用寿命等，起步控制时间也很短( 最长几秒) ，同时离合器 的起步控制要和发动机的控制相匹配才能得劭良好的控制性能。所以，必须要建 9 c v t 起步离合器的特性研究 立一套详细的、复杂的控制体系才能在这么短的时间内辨识车辆和外界的状态， 与发动机控制良好的配合实现驾驶者的起步意图，实现车辆的良好起步性能。 1 4 国内外离合器研究现状 离合器的冲击主要是由两个摩擦片间的滑摩振动产生的，在变速器中，无论 手动还是自动，焦点研究之一就是车辆离合器的冲击。增加摩擦系数最好的方法 就是降低滑动的速度，但滑动速度的降低也降低了系统的阻尼。只有在设计时使 用恰当的摩擦材料和变速器油，多片湿式离合器才能够产生非常好的连续摩擦曲 线特性，降低传递转矩中因离合器的冲击产生的振动。 离合器主、从动摩擦片之间的摩擦是滑动摩擦，这是一种间断的、非线性的 接触摩擦，大小和特性由系统的动态特性、摩擦特性、外部切线以及法向力决定。 研究集中在一个运转表面和一个静止表面的摩擦或者一个运转表面和一个预订转 速表面的摩擦是大多数人所采用的思路。实际中很难用数学模型来进行描述两个 运动表面之间的摩擦，主要是因为其受运动摩擦特性、临界静态摩擦特性及环境 的影响，所以大都采用实验法。 r a b i e h 和c r o l l a 对离合器过渡接合状态与系统稳态进行了研究i ，在离合器 的过渡接合条件下，将不同的摩擦系数梯度以及不同离合器的接合转速进行比较， 对于正摩擦梯度，系统为瞬态阻尼响应，当为负梯度时，系统就会出现不稳定的 响应。c e n t e a 等人对手动变速器干式离合器的接合冲击进行了研究隋1 ，研究发现 正的摩擦系数比可以使离合器平顺接合，负的摩擦系数比则会导致离合器的冲击。 h o l g e r s o n 1 设计了一个实验，用来测试湿式离合器的接合特性，其主要是想用一 组转矩方程来精确的测量摩擦系数。测试结果显示，当相应的摩擦转速斜率为负 时，转矩急速增加。b o s t w i c k 和s z a d k o w s k i h l 使用测功机做了干式离合器的接合 实验，结果得出负的摩擦特性会产生冲击和传动系对中不准确。b e r g e r 等人模拟 了离合器的接合实验凹1 ，实验结果显示离合器接合传递转矩大多数情况下都不是 轻缓的粘性传递转矩，而是剧烈的传递转矩，由此可以得出离合器传递的转矩对 摩擦系数很敏感，摩擦系数一个很小的变动就会对转矩产生很大的影响。 在国内，重庆大学的秦大同等人对a m t d c t 离合器进行了最优控制的研究， 基于线性的二次型最优控制方法，把冲击度作为最优控制的约束条件之一，将最 小滑摩功视为控制目标进行起步控制阳3 ；杨勇强等人对摩擦离合器设计参数进行 了模糊综合评判方法的研究，确定出了最佳的水平截集值n ；同济大学的陈惠亮 等人对摩擦式离合器滑摩过程及温度场进行了分析3 ；哈尔滨理工大学的吴晓刚 等人对磁粉离合器起步控制进行了研究，采用了应用自适应权重粒子群优化算法， 优化了模糊控制器量化因子的方法n 副；吉林大学的陆中华、程秀生等人研究了湿 式双离合器自动变速器的离合器磨损问题和换档冲击问题，根据温度对湿式离合 1 0 工程硕士学位论文 器压力传递的影响，提出了相应的压力控制方法n 引；北京科技大学的贾云海、张 文明等人研究了湿式摩擦离合器摩擦片表面温升与油槽结构，分析推导出了摩擦 片温度计算公式，分析了不同油槽结构对传递转矩的影响等3 ；湖南大学的张飞 铁、周云山教授等人对c v t 起步离合器的控制算法进行了深入的研究n 钉，提出 在滑摩阶段将发动机转速的油压作为控制目标；北京理工大学的汤霞清等人研究 了a m t 离合器起步时离合器平滑和冲击度等动态特性n 副；浙江大学的胡宏伟等 人对离合器接合过程中产生的抖动及影响因素进行了分析研究n7 | ，建立了离合器 传动系统的动力学模型，分析了离合器自激振动产生的机理，对离合器接合产生 抖动的因素进行了分析，得出摩擦系数负变化率和正压力的波动会引起或者加剧 离合器的抖动，提高阻尼系数、传动轴刚度以及摩擦系数能够有效的降低接合过 程中的抖动；同济大学的孙贤安、吴光强对双离合器自动变速器换档策略进行了 分析n8 。，建立了整车模型，分析了寄生功率产生的机理，采用模糊控制，以油门 开度、离合器主、从动盘转速差为输入，分离速度和接合速度为输出，设计了换 档控制策略。 1 5 本文研究内容 简要讨论了变速器的发展，自动变速器用离合器的发展和现状，分析c v t 用多片湿式离合器的结构以及工作原理，针对离合器在起步过程中的重要作用进 行阐述，并且讨论多片湿式离合器在接合过程中的影响因素以及性能评价指标， 介绍几种常用的起步控制方法。 简单介绍2 0 s i m 软件，详细介绍了功率键合图理论，并针对c v t 湿式离合 器的传动模型进行功率键合图建模，基于功率键合图理论变换出框图模型，并且 推导出来c v t 多片湿式离合器接合传动过程的数学模型，建其控制模型，将两种 建模过程进行比较。 分析多片湿式离合器接合过程中，影响传递转矩大小的因素，选择合适的摩 擦系数模型，建立油压与占空比之间的关系式，并进行仿真分析，在仿真中针对 摩擦系数初始值、摩擦系数变化率、占空比变化快慢、发动机转矩和负载转矩对 离合器动态特性的影响进行分析，得出每个参数合适的取值。 工程硕士学位论文 第2 章c v t 多片湿式离合器原理 离合器是车辆传动系统中重要的变速装置，直接与发动机相连，发动机的转 矩通过离合器输出。在传动的过程中离合器能够使车辆起步平顺、换挡顺畅、有 效降低系统过载对发动机的损害n 引。为了能够实现上述功能，离合器的主动部分 和从动部分大都采用摩擦方式、液力作用或者电磁力的作用传递转矩。 2 1c v t 离合器分类 无级变速器是一种理想的传动系统，通过控制传动比保证发动机处在最好的 工作状态，所以能使车辆的经济性和动力性得到有效的提高。但是，由于金属带 式无级变速器的传动性质决定了它的起步性能较差，如果不能借助其它起步装置 起步，车辆就不能平稳起步。目前金属带式无级变速器常用的起步装置有电磁离 合器、液力变矩器和多片湿式离合器等。 2 1 1 电磁离合器 电磁离合器( e m c ) 包括磁粉式电磁离合器和摩擦式电磁离合器两类。磁粉式 电磁离合器与摩擦式电磁离合器有明显的不同，其转矩的传递是通过电磁力来实 现的，位于离合器主、从动部分之间的密封小室里面放有直径为3 0 5 0 b t m 的磁性 电解质小粒子。电磁线圈通电后，磁场中的磁粉开始“凝固”，“凝固”起来的磁粉 形成磁链，磁链的位置正好在离合器主动摩擦片和从动摩擦片之间，离合器接合 后就是通过磁链将转矩传出。磁粉式离合器传递转矩的大小主要与通电电流、磁 链数目、强度有关，通电电流越大，磁链数目越多，强度也就越高，传递的转矩 也就越大。当电流达到足够大的数值时，离合器主、从动摩擦片的滑转就会消失， 转速同步，磁粉式离合器便完成了接合。断电后，磁场以及从动盘和电磁铁之间 的磁链消失，磁性电解质粒子呈现初始状态，成为散状流动体，离合器分离。电 流的大小决定磁粒子的粘结特性，电流越大粘结特性越好，因此离合器传递转矩 的大小和结合时间的长短主要是通过控制线圈中的电流和时间来实现。所以，磁 粉式电磁离合器具有如下优点：主动轴和从动轴同步运行时不会损失功率；磁粉 式离合器主从、动摩擦片不接触，可长时问滑摩，所以不会产生磨损，运行可靠、 调节方便。但也有密封困难，磁粒子容易结块等不足。因此，要想大范围推广磁 粉式离合器，必须找到一种可靠又耐用的粉末磁性材料0 。别。 摩擦式电磁离合器的压紧力是由电磁力提供的，除此之外和一般的摩擦式离 合器没有太大的区别，正是由于这种原因摩擦式电磁离合器实现自动化操纵是比 c v t 起步离合器的特性研究 较容易的。电磁铁的铁芯和压盘刚性连接在一起，离合器盖和电磁铁衔铁刚性连 接，由于离合器盖固定，所以衔铁也固定不动。经电刷给电磁铁线圈通电之后， 电磁铁衔铁吸引电磁铁铁芯，从而推动压盘向左移动，从动盘被压紧，离合器实 现接合。断电后，膜片弹簧将铁芯弹回，离合器实现分离。 2 1 2 液力变矩器 许多汽车上装配液力变矩器，是为了操作简便，换挡、起步平顺，对于提高 汽车的动力性并没有实质性的帮助，并且装配液力变矩器之后，由于是通过液力 作用传递转矩，能很好的吸收汽车来自地面的不良反馈，也不容易使发动机熄火 乜引。但是由于液体传递转矩的原因，液力变矩器的转矩变化范围比较小。 根据液力变矩器结构的不同，可以分为非透过性和透过性两种，透过性的液 力变矩器使用的比较普遍。在发动机节气门开度保持不变的情况下，汽车行驶速 度或者行驶阻力的变化，对于透过性液力变矩器来说，会很容易影响到发动机的 转速，也就是泵轮转矩系数l 并不是常数，如图2 1 所示。不同速比对应不同的 五。值，由此就确定了图上所示的一组泵轮转矩曲线。 图2 1 透过性液力变矩器特性曲线 在发动机节气门全开或者部分开启时，每条曲线和转矩特性曲线的交点，就 是发动机工作转速。在节气门全开的状态下，根据液力变矩器的输出转速玎r 和输 出转矩巧的关系就可以确定其输出特性。有了液力变矩器的输出特性就能够得出 汽车的动力性。装配液力变矩器之后，发动机的转矩范围和转速范围都有所增大。 由于采用液力传动，液力变矩器的速比是连续变化的，液力变矩器转矩比k = 蹦昂 随着其速比连续变化，所以涡轮输出转矩乃也在连续变化，这样液力变矩器就完 成了无级变速。实际应用中，由于液力变矩器速比不同其传动效率会有很大的变 动，效率比较低。而且液力变矩器的结构复杂，生产成本比较高也制约了其推广。 2 1 3 多片湿式离合器 多片湿式离合器由于结构简单、控制容易、布置方便、成本低等优点，具有 许多其它起步装置所不具备的优势。近些年来在金属带是无级变速器上得到了广 工程硕士学位论文 泛的应用。 2 2 多片湿式离合器结构 如今自动变速器使用的离合器大多数是多片湿式离合器，金属带式无级变速 器也同样采用多片湿式离合器。这主要是得益于其以下优点：磨损均匀、能传递 大转矩、接合过程中压力分布均匀、热容量大、允许长时间打滑、使用时无需调 整；另外，摩擦转矩的提高可以通过增加离合器片数实现，多片湿式离合器式浸 在油中工作，通过油冷却摩擦片能较快的散热。这些优点决定了多片湿式离合器 可以胜任复杂的工作条件，比如接合过程中压力逐渐增大，并且接合时间相对较 长、使用寿命要求较高的情况下，多片湿式离合器的使用寿命是干式离合器的5 倍，所以在自动变速器上得到了广泛的应用。 多片湿式离合器主要结构包括前进挡离合器、倒挡制动器、液压执行机构以 及实现倒挡功能的行星齿轮机构等，通过液压操纵系统控制油压来实现多片湿式 离合器的接合和分离，其结构如图2 2 所示。 多片湿式离合器采用双行星齿轮机构，右支架和内行星齿轮、外行星齿轮机 构固定在行星架上；太阳轮、从动摩擦片、行星齿轮左支架、主动摩擦片、前进 离合器油缸总成等组成了前进挡离合器，其中，从动摩擦片和太阳轮相连，行星 齿轮左支架与主动摩擦片相连；内、外行星齿轮、行星齿轮右支架、太阳轮、行 星齿轮内齿圈、主动摩擦片、从动摩擦片、倒挡离合器油缸总成等组成了倒挡离 合器，其中，行星齿轮左、右支架和输入轴连接在一起，太阳轮和输出轴连接在 一起。 c v t 起步离合器的特性研究 图2 2 多片湿式离合器结构示意图 1 一输入轴；2 一倒挡离合器活塞；3 一倒挡离合器碟形回位弹簧；4 一倒挡离合器主动片；5 一 倒挡离合器从动片；6 一壳体；7 一前进挡离合器从动片；8 一前进挡离合器主动片；9 前进 挡离合器活塞；1 0 一太阳轮；1 l 一输出轴；1 2 一油道； 1 3 一前进挡离合器碟形回位弹簧；1 4 一行星右支架；1 5 一前进挡离合器压片； 1 6 一行星架齿圈；1 7 一外行星齿轮；1 8 一内行星齿轮 2 3 多片湿式离合器工作原理 多片湿式离合器的工作原理经简化后如图2 3 所示，当前进挡离合器处于工 作状态时，倒挡离合器处于分离状态，液压油通过油道进入到前进离合器的油缸， 随着液压油作用在活塞上压力的增大，当液压油压力大于膜片弹簧的弹性力时， 活塞推动压片向右移动，前进离合器的主、从动摩擦片最终会紧密接合在一起。 与此同时，动力经输入轴输入，因行星架右支架与其刚性连接，所以随输入轴同 步转动，输入轴和离合器主动片刚性连接，二者同步转动。此时，离合器从动片 尚未进入转动状态，当主动片旋转时，从动片会对其产生反向作用力阻碍主动片 旋转，同样从动片也会受到主动片的大小相等、方向相反的反作用力，这个反向 1 6 工程硕士学位论文 力产生的转矩带动从动片转动。动力通过前进挡离合器传递到太阳轮，然后由金 属钢带传递到从动轴，直至传递到输出轴。随着液压油压力的减小，膜片弹簧的 弹力大于液压油压力时，推动活塞回移，主动片和从动片之间传递的转矩逐渐减 小到零，从而离合器分离。 图2 3 多片湿式离合器工作原理图 1 一输入轴；2 一行星右支架；3 一行星架；4 一倒挡离合器主动片；5 一倒挡离合器从动片； 仁行星机构内齿圈；7 一外行星齿轮；8 一内行星齿轮；9 一前进挡离合器从动片：1 0 一前进 挡离合器主动片；1 l 一太阳轮 当倒挡离合器处于工作状态时，前进挡离合器处于分离状态，液压油经过油 道进入到倒挡离合器的活塞腔，液压油压力逐渐增大，当油压作用在活塞上的力 大于膜片弹簧的弹力时，活塞推动压片左移，倒挡离合器的主、从动片接合。这 时倒挡离合器的从动片静止不动，主动摩擦片和齿圈也固定不动。动力经输入轴 输入，因行星架与输入轴相连，动力经过行星齿轮随输入轴一起公转，因齿圈固 定不动，外行星齿轮产生反向自转。与此同时内行星齿轮随着外行星齿轮转动， 这时太阳轮反向转动，力矩经过太阳轮后方向改变，从而实现倒挡。 2 4c v t 起步离合器的控制 离合器的起步控制一直是金属带式无级变速器的重点之一，起步离合器必须 能够使车辆平顺的起步，且在动力传动的过程中要随时可以中断动力的传递，以 此来避免发动机在不必要的情况下熄火。为了实现这个控制目的心，我们要使用 比较合适的控制策略，金属带式无级变速器常用的控制技术主要有比例控制、模 拟控制和模糊控制。 1 7 c v t 起步离合器的特性研究 2 4 1 比例控制技术 如果驾驶员踩下加速踏板，就会产生加速踏板位移和位移的变化率，这时 e c u 就会根据加速踏板产生的位移和位移变化率信号判断出车辆的起步意图，判 断出起步意图后，将会给定离合器压紧油缸一个压力值只，即初始起步压力，其 目的是为了使车辆迅速起步；在离合器主、从动片接合的过程中，离合器油缸的 压力将随着发动机转速的增加呈比例的增加；待离合器接合完成之后，为了使离 合器能稳定的传递发动机的动力，快速将离合器压紧油缸压力增大到额定的工作 压力。图2 4 为其控制策略图。 d r a i n 图2 4 比例控制策略图 这种比例控制技术简单、快速，但是在起步离合器的接合过程中有两个影响 接合的因素：初始的起步压力以及接合过程中压力的变化率。初始起步压力的确 定是比较麻烦的，在确定的条件下，要确定合适的初始起步压力只是比较容易的。 由于汽车的行驶条件复杂多变，在多变的情况下既要满足接合的平顺性，又要快 速的接合就不容易实现，要想准确估算出各种条件下的初始起步压力只就比较困 难。还有就是压力的变化率，如果初始起步压力只比较大，那么增大到额定工作 压力的压力变化率就小，反之就大，所以后继的增压受到初始起步压力只的影响， 在初始起步压力和压力变化率都一定的前提下，这种控制策略不可能满足在各种 复杂起步条件下平稳起步的要求。 2 4 2 模拟控制技术 液力变矩器是一种常用的无级变速装置，其变矩系数可以根据车辆行驶阻力 的改变来自动的变化。所以，液力变矩器能在各种复杂的工况下保证车辆平顺起 步、衰弱传动过程中的振