（车辆工程专业论文）电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：、鸟i n l 少7 年多月b e l 指导教师签名：蓄会l 矽f 7 年多角j 弓日 电动汽车自动换挡机构中离心式离合器 的研究 r e s e a r c ho nc e n t r i f u g a lc l u t c hi ne l e c t r i cv e h i c l e sa u t o m a t i c ，n - l r a n s n u s s i o n 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 作为当前最具可行性的环保节能型汽车，电动汽车成为汽车行业研究的热 点，其传动系统作为关键的组成部分也受到各大汽车厂家和研究机构的重视。自 动变速功能的实现可以改善车辆的乘坐舒适性和通过性，并减轻驾驶员的疲劳强 度，因此自动变速系统与电动汽车的结合成为目前研究的热点。对于质量较轻的 电动汽车，简单紧凑的换挡机构可以降低整车重量并解决布置困难等问题，基于 此本文提出一种由离心式离合器与行星齿轮机构相结合的新型自动换挡机构。 首先，介绍了离心式离合器的结构及工作原理，对离心式离合器的特性及工 作过程进行了分析。详述了基于离心式离合器的电动汽车自动换挡机构的结构及 工作原理，并引入换挡品质来衡量自动换挡机构的好坏。 其次，通过行星齿轮机构及换挡过程的数学模型的建立，推导出基于离心式 离合器的电动汽车自动换挡机构换挡品质的计算方法。基于此，对原有的离心式 离合器进行分析，结果表明换挡品质有待提高。 最后，利用遗传算法对离心式离合器的结构参数进行优化，使本车在保证动 力性能及动力传动系统安装要求的基础上，达到比较好的换挡品质。通过优化前 后的对比分析可知，换挡品质有所提高。 本文较为系统的完成了电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究。研究 过程中建立的“离心式离合器特性分析一换挡品质分析一自动换挡过程理论模型 的推导一离心式离合器结构参数的优化”过程同样也能应用于其它车型的相关研 究。该课题对自动换挡机构的研究具有一定的参考价值。 关键字：电动汽车，自动换挡，离心式离合器，换挡品质 电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究 江苏大学硕士学位论文 a st h em o s tf e a s i b l ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm e t h o d ，e l e c t r i cv e h i c l eb e c o m e s o n eo ft h er e s e a r c hh o t s p o t si na u t o m o t i v ei n d u s t r y i t st r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c hi s t h ek e yp a r to ft h ev e h i c l eg e t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yv a r i o u sa u t om a k e r sa n d r e s e a r c hi n s t i t u t i o n s a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ( a dh a sas e r i e so fa d v a n t a g e ss u c ha s t h ei m p r o v e m e n to ft h ec o m f o r t a b l ea n dc r o s s i n ga b i l i t y , t oe a s et h et i r e d n e s so f d r i v e ra n ds oo n ，s ot h ec o m b i n a t i o no fa u t o m a t i cs h ma n dee c t r i cv e h i c l eb e c o m e t h er e s e a r c hp o i n t sa tp r e s e n t f o rm i n i a t u r el o w s p e e de l e c t r i cc a r s ，s i m p l ea n d c o m p a c ts h i f ；c i n s t i t u t i o nc a nr e d u c ev e h i c l ew e i g h ta n ds o l v ep r o b l e m ss u c ha s c o m p l e xa r r a n g e m e n t t h e r e f o r e ，an e wa u t os h i f ti n s t i t u t i o nw h i c hi sc o m b i n e d c e n t r i f u g a ld u t c hw i t hp l a n e t a r yg e a r si sr e s e a r c h e d f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es t r u c t u r e sa n dw o r k i n gp r i n c i p l e so fc e n t r i f u g a l d u t c h ，a n a l y z e dt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r o c e s s t h es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e so fa u t o m a t i cs h i f ti n s t i t u t i o n sb a s e do nc e n t r i f u g a ld u t c ha r e d e s c r i b e di nd e t a i l t w oe v a l u a t i o ni n d i c a t o r so ft h es h i f tq u a l i t yw e r ea n a l y z e dw h i c h c o u l de v a l u a t et h ea u t os h i f ti n s t i t u t i o n s e c o n d l y , m a t h e m a t i c a lm o d e l so fp l a n e t a r yg e a r sa n ds h i f tp r o c e s sw e r eb u i l t t h r o u g hd e d u c i n gt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a sa b o u ts h i f tq u a l i t y , t h ei n f l u e n c eo ft h e o r i g i n a lc e n t r i f u g a ld u t c ht ot h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dt h es h i f tq u a l i t yw e r e a n a l y z e d ，t h er e s u l ts h o w e dt h eo r i g i n a lc e n t r i f u g a ld u t c hs h o u l db ei m p r o v e d f i n a l l y , i no r d e rt og e tb e t t e rs h i f tq u a l i t y , g u a r a n t e et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e a n dm e e tt h ei n s t a l l a t i o n r e q u i r e m e n t s o ft r a n s m i s s i o ns y s t e m ，u s i n gg e n e t i c a l g o r i t h mt oo p t i m i z et h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ec e n t r i f u g a ld u t c h t h r o u g ht h e c o n t r a s t i v ea n a l y s i so ft h er e s u l t ，t h ep a p e rf o u n dt h es h o c ki n t e n s i t yh a dal i t t l e i n c r e a s eb u tl i t t l ei n f l u e n c et oc o m f o r tr i d e ，a n d d i s s i p a t e de n e r g yd r o p p e d s i g n i f i c a n t l y , w h i c hh a dag r e a ta d v a n t a g et ot h ew o r k i n gl i f eo ft h ec e n t r i f u g a ld u t c h t h u s ，t h es h i f tq u a l i t yh a da ni m p r o v e m e n tb yu s i n gt h eo p t i m i z e dc e n t r i f u g a ld u t c h c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究 t h i sr e s e a r c hs y s t e m a t i c a l l ya c c o m p l i s h e dt h em a t c h i n go ft h en e wa u t os h i f t i n s t i t u t i o n t h e p r o c e s so f “a n a l y s i so fc e n t r i f u g a ld u t c h a n a l y s e so fs h i f t q u a l i 咖e r i v a t i o n o f s h i f t i n gp r o c e s s m a t h e m a t i c a lm o d e lp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n c a nb ea p p l i e d t oo t h e rm o d e l s i th a dt h er e f e r e n c ev a l u ef o ra u t o m a t i c t r a n s m i s s i o ns y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ；c e n t r i f u g a ld u t c h ；s h i f tq u a l i t y 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 第三章 3 1 3 2 3 3 第四章 目录 1 研究背景1 国内外自动变速器的研究现状3 1 2 1国外研究现状。3 1 2 2国内研究现状j4 本文研究的目的及意义5 本文的研究内容6 基于离心式离合器的电动汽车自动换挡机构。7 离心式离合器7 2 1 1 离心式离合器的结构及工作原理7 2 1 3 离心式离合器的特性分析9 2 1 2 离心式离合器的结合过程分析1 1 电动汽车自动换挡机构1 2 2 2 1 电动汽车自动换挡机构的结构1 2 2 2 2 电动汽车自动换挡机构的工作原理。1 3 换挡品质1 4 本章小结1 8 离心式离合器对换挡品质的影响分析。2 0 自动换挡过程理论模型的推导。2 0 3 1 1 行星齿轮机构数学模型的建立2 0 3 1 2 换挡过程数学模型的建立2 3 原有离心式离合器的性能分析2 6 本章小结3 3 基于遗传算法的离心式离合器结构参数的优化 4 1 遗传算法3 4 4 1 1 遗传算法概述3 4 4 1 2 遗传算法的优化过程3 6 4 2 离心式离合器结构参数的优化。3 9 4 2 1 设计变量3 9 4 2 2 目枥；函数。3 9 4 2 3 约束条件。4 0 4 2 4 优化结果及分析4 1 v 电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究 4 3 第五章 本章小结4 4 结论与展望 5 1 全文总结。4 5 5 2 展望4 6 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的学术论文 v i 4 7 5 0 5 1 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论帚一早三酉了匕 随着科学技术的进步和经济的发展，作为人们日常生活中不可缺少的代步和 运输工具，汽车发挥了巨大的作用。汽车工业的发展经历着三大革命：动力革命、 控制革命与传动革命【1 1 。 动力革命即为汽车动力输出装置的发展。目前，汽车工业的发展带来石油资 源需求的急剧增加和对环境严重的负面影响引起了人们的广泛关注，以有限的石 油资源为基础的发展模式越来越不被人们所认同，节能和环保成为汽车工业发展 的新目标。作为能源消耗大户及环境污染的重要源头之一，传统汽车的发展面临 着严重的挑战，电动汽车有效避开了能源紧缺和环境污染的双重危机，被认为是 汽车工业发展的明日之星。 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，且满足道路安全法 规对汽车各项要求的车辆，按其驱动类型可分为电动汽车、混合动力电动汽车和 燃料电池电动汽车。电动汽车( e 是以车载储能装置为能量源，以电机驱动车辆 行驶。混合动力电动汽车( h e v ) p a 发动机为主要动力，电机为辅助动力，既不增 大汽车的整备质量，又保证了车辆的动力性能。燃料电池电动汽车( f c e v ) i 扫燃 料电池和辅助电源、电流转换器、驱动电机和控制系统组成，电机驱动是f c e v 唯一的驱动方式。 电动汽车是集汽车技术、电子及计算机技术、电化学技术、能源与新材料技 术于一体的高新技术产品，也是控制革命发展的产物。其能量基本上是通过电缆 传输的，没有复杂的传动系统和机械式的逆转装置，能量转换效率高，操纵简便， 系统结构简化，方便车辆的布置。电动汽车可实现制动能量回收，减速停车时的 动能通过再生制动转化为电能并贮存在蓄电池中，停车时不必让电机空转，从而 降低能源消耗，提高能源的使用效率 传动革命即为汽车动力传动装置的发展。汽车动力传动系统的任务是传递动 力，并在动力的传递过程中改变传动比，以调节或变换动力输出装置的特性，同 时通过变速来适应不同的驾驶要求。人工操作的手动变速器在换挡时转速变化突 电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究 然，常使动力输出装置处于非稳定工况，影响汽车的动力性能、经济性能及乘坐 舒适性。因此要保证动力输出装置在行驶过程中处于良好的工作状态，提高乘坐 舒适性与操作简便性，需对自动变速系统进行研究。 汽车自动变速器的种类很多，目前主要有液力自动变速器、电控机械式自动 变速器、无级自动变速器等。自动变速器在发展过程中出现了多种不同的形式， 各种不同的自动变速器在结构、形式上往往有很大差别，常见的分类及特性如表 1 - 1 所示【2 】： 表1 - 1 自动变速器分类及特性 t a b l e1 - 1o a s s i f ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n 分类特性 有级式具有有限个定值传动比，但不能保证发动机在最佳功率点工作 按传 传动比在一定范围内连续变化，动力驱动装置能在最佳功率点 动比 无级式 工作，但结构复杂 机械式传动可靠、传动效率高 按传动 传动平稳，自动变矩变速，能吸收冲击振动，但传动效率不如 方式 液力式 机械式 按齿轮 平行轴式结构简单，制造成本低，但体积较大，最大传动比较小 结构 行星齿轮式结构紧凑，能获得较大传动比，但结构复杂 变速平稳，操纵简单，但难以实现复杂的控制功能，产品适应 液压操纵式 按操纵性不强 方式 能实现液压控制难以实现的控制功能，产品适应性强，但结构 电控液压操纵式 复杂 与传统手动变速器相比自动变速器有如下特点： ( 1 ) 驾驶性能好。自动变速器使车辆自动完成变速要求，以获得最佳的动 力性能和经济性能。驾驶性能的好坏与自动变速机构的设计有关，驾驶员的技术 对其影响不大，因此很适合非职业驾驶者【3 】o ( 2 ) 乘坐舒适性好。自动变速器能把传递到车轮上的转速控制在一定范围 之内，避免过高、过低或不平稳的急剧变化，有利于减小动力装置的振动噪声【4 】。 ( 3 ) 改善车辆动力性能。自动换挡过程中系统传递的功率不中断，在时间 控制上能保证动力源功率得到更充分地利用，所以可以得到很好的加速性能，提 2 江苏大学硕士学位论文 高平均行驶速度。 ( 4 ) 改善了车辆的通过性能。根据汽车行驶工况的不同适当改变动力的输 出，因而减少了汽车起步时驱动车轮的滑转，使汽车起步平稳。把原来离合器中 较硬的连接变成软连接，进而提高了汽车在不同条件下的通过性。 综上所述，无论从环境保护、节约能源，还是安全及可靠性方面，电动汽车 的开发都具有重要意义。为了改善电动汽车的驾驶性能，提高乘坐舒适性与操作 简便性，对电动汽车自动换挡技术的研究具有重要意义。 1 2 国内外自动变速器的研究现状 1 2 1 国外研究现状 由于国外的先进技术和高科技手段，对自动变速器的研究一直处于领先地 位，许多汽车制造企业及各大高校致力于对自动变速器及其替代品的研究。宝马 m 3 轿车所采用的“m 序列式变速器”在原来的m 3 型6 挡手动机械变速器基础 上进行改进，以全新的电液控制系统取代传统的机械式变速器操纵系统，并有自 动变速和手动变速两种可供选择的模式【5 】。日本丰田公司的自动变速器a 3 5 0 e 采用五挡液力机械式换挡机构，根据现代控制理论中线性二次型最优控制理论确 定其控制规律【q 。达姆施塔特工业大学研究了一种运用在电动汽车上与高速电机 相匹配的两挡自动变速器，这种变速器配备有液态冷却系统，具有尺寸小，重量 轻，效率高的特点i 刀。荷兰t n o 科技与工业大学为电动汽车设计了无级变速器， 可以在电机与传动系统间提供连续变化的传动比，并开发了动力控制策略，提高 了整车动力传动的效率【8 】。荷兰t e c h n i s c h eu n i v e r s i t e i te i n d h o v e n 大学对电动汽 车使用固定传动比变速器、手动变速器、自动变速器的效率进行了比较，结果发 现手动变速器可以节约6 的能量，而无级变速器需要的能量相对较多【9 】。由f 0 r d 和g e 公司联合开发的e t x 轿车，把驱动电机、两挡变速器和差速器设计成一 个整体，并直接安装在后轴上，电机输出轴为空心轴，半轴穿过其中【1 0 1 。英国 桑德兰大学的汽车和先进制造学院，通过仿真模拟对比了安装两挡变速器和固定 传动比变速器的电动汽车，结果表明两挡变速器不仅可以减少能量消耗，而且可 以减少整车动力传动系统的尺寸和重量【1 1 】。美国e a t o n 的最新产品a u t o s h i f t 自动变速器应用“无离合器数据通讯换挡 ，在换挡过程中无需分离离合器。应 3 电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究 用数据通讯协议测量车速、油门位置和转矩需求，通过控制发动机及变速器内的 制动装置对发动机转速进行调节，使换挡主、从件实现同步，完成换挡操作。但 a u t o s h i f t 系列主要用于重型卡车和大型商务用车，在普通轿车领域并没有发现 应用的报告【1 2 1 。 国外汽车厂商各自研发的电动汽车采用了不同的变速器，萨博首款电动汽车 9 - 3 e p o w e r 的传动系统是其为电动汽车所特别开发的单速率变速器【1 3 1 ，丰田i q 纯电动汽车采用的是5 挡手动变速器【1 4 1 ，全球第一款电动汽车日产聆风采用的 是c v t 变速器【1 5 1 ，雪铁龙推出的纯电动汽车c z e r o ，整个系统搭配了一台单 速变速器将动力传递至后轮【1 6 1 ，三菱新一代电动汽车i - m i e v 采用固定变速比的 小型轻量变速器【1 7 】。 从国外的研究现状来看，对于内燃机汽车自动变速系统的研究已有很大进 展，对于电动汽车自动变速系统的研究，还主要集中在控制策略及手、自动变速 器的对比方面，关于两挡自动变速装置的研究，主要用于与高速电机相匹配。 1 2 2 国内研究现状 国内在变速器方面的研究与国外相比起步较晚，国外企业技术优势明显。作 为国内变速器的龙头企业，綦江齿轮传动有限公司推出了用于纯电动公交车上的 电气动换挡同步器型两挡机械变速器。该变速器的换挡执行机构以空气为工 作介质，起步换档性能好【1 8 1 。綦江齿轮传动有限公司与院校合作，开发了用于 北京奥运村纯电动客车的纯电动全自动环保自动变速器a m t 系统s 3 1 2 0 a m t 。s 3 - - 1 2 0 a m t 保留机械变速器选位、换挡机构不变，将电驱动变速装 置与手动变速器箱盖的连接，形成三挡电控机械式自动变速系统1 1 9 1 。 重庆理工大学提出了一种差动式行星齿轮式无级变速器，由一个行星齿轮系 和一个蜗杆蜗轮机构成。主电机与太阳轮相连，作为主要的动力输入端，行星架 作为输出端，将动力传递给驱动车轮，通过调速电机调节齿圈的速度达到无级变 速的目的【2 0 9 。武汉理工大学将离合与变速二者集合为一体形成齿轮离合式自动 变速器，该变速器专门用于电动汽车上。它的内部仍沿用了传统齿轮式变速器平 行轴的结构形式，但采用电机取代液压执行元件。电子控制执行机构与外齿轮通 过拨叉相连接，换挡时执行机构推动拨叉使内外齿轮连接在一起【2 1 1 。同济大学 4 江苏大学硕士学位论文 为满足某电动汽车整车设计要求，在有限的空间内布置变速器，将电动汽车变速 器齿轮组结构紧凑性作为目标函数，在保证变速器零件强度等条件下，使变速器 齿轮组和轴系的结构紧凑，有利于电动汽车的整体布置并减轻电动汽车的整车重 量阎。北京理工大学分析了无离合器的a m t 换挡过程控制方法，研究了电机驱 动式a m t 执行机构控制方法，开发了适用于纯电动客车的无离合器多挡a m t 系统。通过电机控制系统与传动控制系统的一体化控制技术，在动力传动系统中 省去了离合器，使牵引驱动电机与变速器直接相连。a m t 控制器根据操纵手柄 位置、制动信号、电机转速和加速踏板位置计算合适的挡位，当需要进行换挡操 纵时，a m t 控制器向车辆驱动电机控制器发送换挡过程所需的电机工作模式， 进而实现换挡操纵瞄l 。中国汽车技术研究中心研究纯电动环卫车电控机械式自 动变速系统，在原有齿轮式机械变速器的基础上加装电脑控制系统，对离合器、 变速箱的控制采用了电机驱动或液压驱动的执行机构，实现起步、选挡、换挡的 自动化控制，针对纯电动环卫车整车性能及工况特点，运用m a t l a b 软件制定 了该纯电动环卫车a m t 系统的动力性换挡规律【矧。重庆大学机械传动国家重点 实验室在一款采用固定传动比变速器的电动汽车上，改用两挡变速传动方案，对 驱动电机进行参数匹配设计，并设计了不带离合器的两挡自动变速器【2 5 1 。 从国内的研究现状来看，电动汽车自动换挡机构多采用电控式，对其研究多 在控制或结构优化方面，对于换挡装置基本参数对换挡品质的影响等基础性研究 还很少，对适用于城市工况的轻型电动汽车自动换挡机构的研究更少。 1 3 本文研究的目的及意义 随着科学技术的发展及人们生活水平的不断提高，带有自动变速系统的车辆 以其方便舒适，易于操作的特点越来越受到人们的青睐。目前，国内外学者针对 自动变速器的研究主要集中在换挡控制策略的研究，对于电动汽车自动变速器的 研究还主要在手、自动变速器的对比方面，对自动换挡系统中离合器结构参数对 换挡品质的影响等基础性研究不多，特别是针对适用于城市工况的轻型电动汽车 自动换挡机构的研究更少。对于轻型电动汽车，如仍然使用传统车辆的自动换挡 装置不但会增加整车重量，在动力传动系统的布置方面也比较困难。基于我国目 前自动换挡机构的研发现状，适用于城市工况的轻型电动汽车自动换挡机构的基 5 电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究 础性研究，对促进国产自动换挡机构的发展和提高我国汽车行业竞争力都具有重 要的意义。 1 4 本文的研究内容 本文介绍了一种以离心式离合器与行星齿轮机构相结合的新型自动换挡机 构。电动汽车的自动换挡机构直接影响着整车的动力性能与经济性能，在满足整 车性能要求的前提下，自动换挡机构的好坏由换挡品质来评价。通过数学分析可 知，离心式离合器的特性对换挡品质有直接影响，因此对其进行研究。本文的主 要研究内容如下： ( 1 ) 结合国内外自动变速机构的研究现状，提出本文的研究目的及意义。 ( 2 ) 对离心式离合器及自动换挡机构的结构及工作原理进行了介绍，明确 了离心式离合器的工作特性及自动换挡的实现方式。引入换挡品质对自动换挡机 构进行评价，分析了换挡品质的两个评价指标冲击度与滑摩功。 ( 3 ) 通过建立行星齿轮机构及换挡过程的数学模型，推导出基于离心式离 合器的自动换挡机构换挡品质的计算方法。基于此，对原有离心式离合器进行分 析，结果表明换挡品质有待提高。 ( 4 ) 利用遗传算法优化离心式离合器的结构参数，得到在满足动力性能及 安装要求的基础上，使换挡品质达到最优的离心式离合器结构参数，通过优化前 后的对比可知，优化后换挡品质有所提高。 本文对电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的介绍及分析为汽车行业的 相关研究积累了一定的经验。对换挡过程的数学分析及对离心式离合器结构参数 的优化过程同样适合其他电动汽车，该分析过程对自动换挡机构积累了一定的经 验和技术资料，离心式离合器的结构参数对同类车型具有一定的参考价值，对电 动汽车自动换挡技术具有一定的指导意义。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章基于离心式离合器的电动汽车自动换挡机构 随着科学技术的发展，自动变速系统以其操纵方便等优点越来越多的赢得了 广大消费者的青睐，但传统的自动换挡机构结构复杂、造价高。因此本车采用一 种新型自动换挡系统，此系统由离心式离合器与行星齿轮机构的相互作用完成两 个挡位的切换，由于结构简单紧凑，可以有效地扩大电动汽车蓄电池布置空间和 乘坐空间，因此很适合用于小型电动汽车上。 2 1 离心式离合器 2 1 1 离心式离合器的结构及工作原理 离心式离合器的结构形式较多，根据离心体组件的形状可分为刚性闸块离心 式离合器和以钢珠等散状物作为离心体的离心式离合器。散状物的离心体可以在 离心力场中的自由表面随着离心力的变化而变化，它具有流体的某些特性嗍。 应用较多的刚性闸块式离心体是指离心体在离心力场中保持原来的形状，离心力 只存在于接触体的公法线上。 刚性闸块离心体有自由闸块和弹簧闸块等形式。自由闸块离心式离合器在起 动时，闸块便开始与壳体边打滑边接触，这个结合过程会造成摩擦发热，一般在 其额定转速的7 0 8 0 时，主从动盘开始完全结合并传递转矩。这种离合器 的结合平稳性稍差，但结构简单闸块重量较轻。弹簧闸块离心式离合器是以离心 力和回位弹簧的拉力自动控制的摩擦式离合器，这种离合器结合平稳，结构上可 布置成有周向弹簧、径向弹簧、片簧、橡胶弹簧等不同形式。按其在静止状态时 的离合情况可分为开式和闭式两种l 勿：开式只有当达到一定工作转速时，主从 动部分才结合，闭式是达到一定转速时，主从动部分才分离。 根据主动件与从动件结合方式的不同，刚性闸块离心式离合器可分为径向结 合离心式离合器和轴向结合离心式离合器【2 8 】。径向结合离心式离合器的特点是 离心体与从动件周向内壁接触，其作用力与离心力一样均沿径向作用，主动件通 过摩擦带动从动件转动，从而传递转矩。轴向结合离心式离合器相对来说应用较 少，它主要是通过一些内部机构( 如铰杆) 将离心力轴向输出，再通过摩擦力输 7 电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究 出转矩。 径向结合刚性闸块式离心式离合器由于其结构简单质量轻，过载时可由主从 盘之间的打滑产生保护等特点，被广泛应用于工程机械中，其具体结构如图2 1 所示。 1 主动轴2 一回位弹簧3 一离心块4 一离合器外壳体 图2 - 1 离心式离合器 f i g 2 - 1c e n t r i f u g a lc l u t c h 离心块由多片摩擦片组成并通过弹簧连接，具有较大的摩擦系数和耐摩指 数，三个离心体滑装在主动盘上，分别由3 根弹簧控制。主动盘由原动机带动， 离心块在旋转过程中以离心体固定端为支点，活动端外张但会受到弹簧的制约。 当主动轴转速增大到离心块产生的离心力超过弹簧的拉力并达到一定数值时，活 动端张开与从动盘内表面贴合产生摩擦力带动从动盘转动，从而将动力通过从动 盘向外输出；当主动轴转速较低，离心块所产生的离心力不足以克服弹簧的拉力 时，离心块的活动端无法与从动盘内表面贴合，因此不能带动从动盘转动，离合 器处于为分离状态，不传递转矩。 依据原动机转速的变化实现主从动盘自动结合或分离的离心式离合器，形成 了它固有的一些特点： ( 1 )过载保护作用。离心式离合器的结合与分离取决于主动盘旋转产生的离 心力。如果从动端负载大于离合器能够传递的转矩时，主从动盘便会出现打滑现 象，从而限制了动力的传递。此特点可以防止传动系统过载，使它具有过载保护 的功能。 ( 2 ) 结合平稳。离心式离合器主动盘的离心力是随原动机转速的增加而逐渐 增加的，这就相当于将负载逐渐加到原动机上，从而达到平稳起动的效果。 8 江苏大学硕士学位论文 ( 3 )无需专门的操纵机构。改变离心式离合器结合或分离状态的操纵力是来 自其内部，因而无需专门的操纵机构。 ( 4 ) 结构简单、尺寸紧凑。 ( 5 )不宜装在低速轴上使用。传递同样的转矩和功率时，转速越低所需离合 器的尺寸和质量越大，造成机构臃肿并使制造成本增加，因此离心式离合器不宜 用于转速过低的场合。 离心式离合器由于其过载保护的作用、平稳启动的性能、紧凑简单的结构及 其简单方便的工作特性，被广泛地应用于汽车、摩托车等机动车上。 2 1 3 离心式离合器的特性分析 离心式离合器是一种非操纵自控式离合器，由原动机带动离合器主动盘转 动，固定在主动盘上的离心块在离心力的作用下克服回位弹簧的预紧力沿柱销甩 出，当主动盘达到一定转速时与从动盘结合，从而达到传递转矩的目的。在运转 过程中，每块离心块所产生的离心力e 可由下式表示嗍： 疋吨露= 罾 式中，疋离心块的离心力n 离心块的质量k g g c 离心块的重量n 乞离心块质心位置的平均旋转半径m 吃离心块旋转角速度( 删 他离合器主动轴转运 u ( r m i n ) 因万2 g ，则式( 2 - 1 ) n - i 简化为： e = 鲁 ( 2 2 ) 离心式离合器的工作条件是：离心块受到的离心力能克服回位弹簧的最大拉 力只一。因此离心式离合器所能传递的转矩瓦为： 电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究 l = z ( c 一只一遇以 式中，t 离合器传递的转矩n m z 离心块的个数 兄从动盘摩擦面半径m 段摩擦副摩擦系数 一回位弹簧径向最大拉力n ( 2 - 3 ) 离心块受到的径向拉力一由弹簧刚度屯和离心块的径向位移乞一决定， 可由下式表示： 一= 恕之邮 式中，乞回位弹簧刚度( n m ) 令 令 乞一离心块的径向位移m 将式( 2 4 ) 代入( 2 - 3 ) 中可得离心式离合器工作特性为： 则式( 2 5 ) 可表示为： 乏= r 训案一睨一) b ：墨堡圣三丝 9 0 0 d = r z 段吃乞一 乏= 研- d 匾 2 、i ( 2 q ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 9 ) 由式( 2 8 ) 可知当n n o 时，离合器开始工 作，因此即为离心式离合器的结合转速。 1 0 由式( 2 - 6 ) - ( 2 9 ) 可知离心式离合器的结合转速取决于回位弹簧径向最大 江苏大学硕士学位论文 拉力一、离心块的重量g c 及离心块质心位置的平均旋转半径乞决定。回位弹 簧的最大拉力一由弹簧刚度t 和离心块与从动盘的间隙之一决定。离心块从 分离到结合与从动盘摩擦面的间隙应在0 5 一l m m 之间，否则会影响离合器的灵 敏度【3 0 1 。在工程设计中一般通过改变离心块质心位置的平均旋转半径和回位弹 簧的弹簧刚度恕来改变离心式离合器的结合转速。 主从动盘结合后，在一定转速下，离心式离合器传递的转矩由离心块的数 量z 、重量g c 、质心位置的平均旋转半径乞、从动盘摩擦半径足及摩擦系数以决 定。离心块数量一般为2 码只，且3 只的居多。离心块的摩擦材料主要有石棉基、 粉末冶金等，因石棉基的摩擦系数受工作温度、单位压力和滑摩速度的影响较大， 而粉末冶金的摩擦系数虽然略小但其稳定性较高，因此一般采用粉末冶金作为摩 擦材料，其摩擦系数为0 2 5 。工程设计中一般通过改变离心块质心位置的平均旋 转半径和从动盘摩擦半径r 来改变离心式离合器传递的转矩。 2 1 2 离心式离合器的结合过程分析 根据离心式离合器的工作特性可知其结合过程可以分为主从动盘完全结合、 完全分离和滑摩阶段三个状态。三个状态中，滑摩状态是一个过渡阶段，通过摩 擦力矩的逐渐增大或减小来实现离合器的完全结合和完全分离两个状态的切换。 完全结合和完全分离是相对稳定的状态，离心式离合器处于完全结合状态时，其 作用只相当于传递转矩装置，主从动盘之间没有相对转动。 离心式离合器的结合过程如图2 - 2 所示： 结合时间s 图2 - 2 离合器结合过程 f i g 2 - 2p r o c e s so fc l u t c h se n g a g e m e n t 1 1 电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究 ( 1 ) 消除间隙阶段 第一阶段( o a 段) ，设a 点对应的主动盘转速为，即o a 段对应的主动 盘转速为0 砘。根据离心式离合器的结构可知，静止状态下其主动盘与从动盘 之间存在一定的间隙，因此o a 阶段属于消除间隙阶段。在此阶段，离合器主从 动盘处于分离状态，因此无转矩传递。随着主动盘转速的上升，离心力逐渐增大， 离心块克服弹簧的拉力渐渐靠近从动盘，当主动盘转速达到时，主从动盘开始 结合并传递转矩。为了使离合器尽快结合，从而提高工作效率，此阶段应尽可能 在短时间内完成。 ( 2 ) 滑摩阶段 第二阶段( a b 段) ，设b 点对应的主动盘转速为玛，即a b 段对应的主动 盘转速为一吩。此阶段主从动盘之间产生滑摩，离心式离合器从动盘转速从0 上升到与主动盘同转速。此阶段n o 与吩之间的转速差应尽量小些，使主从动盘快 速结合，从而减小摩擦片的摩损，延长离合器的使用寿命。但如果转速差过小会 使冲击增大，为了同时满足二者的要求，应对此阶段进行深入研究。 ( 3 ) 同步阶段 第三阶段( b c 段) ，此阶段为离心式离合器主从动盘转速从开始同步到完全 结合的阶段，摩擦力矩为静摩擦力矩，离合器主从动部分转速相等并开始一同增 长。 2 2 电动汽车自动换挡机构 2 2 1电动汽车自动换挡机构的结构 通过对离心式离合器的分析，本车选用径向结合刚性闸块离心式离合器。利 用离心式离合器自动结合与分离的特点，将其与行星齿轮机构相配合，实现电动 汽车自动换挡。此换挡机构主要由五部分组成：行星齿轮机构、离心式离合器、 电磁制动器、主减速器和差速器，如图2 3 所示。 江苏大学硕士学位论文 1 1 1 2 1 3 1 - 电机扛内齿圈支架卜内齿圈嘶星齿轮 5 一一太阳轮 嘶星架7 l - 级主动齿轮8 一电磁制动器 蚪向轴承1 旺离心式离合器从动盘 1 1 一离心式离合器主动盘 1 2 一连接套1 3 一电机中心轴 1 4 一二级主动齿轮1 5 一二级从动齿轮 1 6 _ 一一级从动齿轮 图2 - 3 自动换挡机构 f i g 2 - 3a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 电机输出轴上紧固连接着内齿圈支架和离心式离合器主动盘，内齿圈又与内 齿圈支架紧固相连，因此电机中心轴带动离心式离合器主动盘、内齿圈支架、内 齿圈同速转动，电机输出的转矩全部转递到内齿圈和离心式离合器主动盘上。连 接套通过轴承安装在电机输出轴上，并与太阳轮、离心式离合器从动盘和电磁制 动器动盘紧固相连。为防止连接套反转，在壳体上安装单向轴承使其内径与连接 套紧固连接，因此太阳轮、离心式离合器从动盘、电磁制动器动盘与连接套运动 状态一致，且由于单向轴承的作用，只能与电机保持同方向转动。电机输出的转 矩通过内齿圈和离心式离合器传递到行星架上，行星架与主减速器的一级主动齿 轮紧固相连，电机输出的转矩通过行星架传递到主减速器与差速器上，进而传递 到车轮上克服汽车的行驶阻力，使车辆能够正常行驶。 2 2 2电动汽车自动换挡机构的工作原理 电机转速较小时，即离心式离合器主动盘转速小于结合转速时，主动盘产生 电动汽车自动换挡机构中离心式离合器的研究 的离心力不足以克服弹簧对离心体的拉力，离心体保持收缩状态，不会带动从动 盘一起转动，此时离心式离合器主动盘空转，不传递转矩，因此电机输出的驱动 力矩全部作用在内齿圈上。电机中心轴通过内齿圈支架带动内齿圈与其同速旋 转，内齿圈通过行星齿轮带动行星架转动。行星齿轮与太阳轮外啮合，因此行星 齿轮的运动使太阳轮有向相反方向运动的趋势，但由于单向轴承对连接套的约 束，使太阳轮、离心式离合器从动盘与连接套均保持静止。对于行星齿轮机构来 说，内齿圈与行星架分别为主动件与被动件，太阳轮为固定件，行星齿轮即公转 又自转，整个轮系以一定的传动比传递作用在内齿圈上的驱动力矩，即为本车的 一挡传动比。 当电机转速增大到离心式离合器的结合转速时，即离合器的主动盘转速达到 其结合转速时，离心体受到离心力的作用克服弹簧的拉力与从动盘结合，通过摩 擦带动从动盘与主动盘一起转动，从动盘通过连接套带动太阳轮与其同速转动。 此时离心式离合器主从动盘、太阳轮皆与电机运动状态相同，因此单向轴承不起 作用。电机中心轴通过内齿圈支架带动内齿圈同速转动，因此太阳轮与内齿圈皆 与电机中心轴同速转动。对于行星齿轮机构来说，若三个元件中的任何两个连成 一体转动，第三元件的转速必然与前两者转速相等，即行星架与电机中心轴同速， 此时行星齿轮机构中所有元件之间都没有相对运动，从而形成直接挡传动，即为 本车的二挡传动比。 倒挡时，电机反转，在电磁制动器的作用下，连接套带动太阳轮和离心式离 合器停止转动。电机转速降低，离心式离合器处于分离状态，传动系统的运动状 态与一挡时相似，但方向相反，汽车实现低速倒挡行驶。 2 3 换挡品质 换挡品质是指换挡过程的平顺性，即希望换挡过程平稳无冲击地进行，从而 改善驾驶员和乘客的乘坐舒适性。换挡操作时离合器的结合或分离会产生一定的 冲击，从车辆换挡过程的机械运动原理来讲，换挡冲击是由换挡过程中传动系统 各个零部件的冲击造成的，它不仅影响换挡品质，还会减少传动系零部件的使用 寿命。因此，改善车辆的换挡品质，不但可以改善汽车的乘坐舒适性，对提高零 部件的可靠性和工作寿命也有着十分重要的意义。 1 4 江苏大学硕士学位论文 离心式离合器摩擦元件的结合和分离是自动换挡的实现过程，如果离合器结