汽车油耗智能测量的数学建模与仿真【20464字】【优秀机械毕业设计论文】
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共44页)
编号：603108
类型：共享资源
大小：9.02MB
格式：RAR
上传时间：2016-02-26
上传人：木***
认证信息
个人认证
高**（实名认证）
江苏
IP属地：江苏
50
积分
- 关 键 词：
-
汽车
油耗
智能
测量
丈量
数学
建模
仿真
优秀
优良
机械
毕业设计
论文
- 资源描述：
-
- 内容简介：
-
第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 1 论文分类号 单位代码 10183 密 级 内部 研究生学号 2201224 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 粘性式限滑差速器汽车的动力性和操纵稳定性分析与研究 on 作者姓名：张 鹏 专 业：车辆工程 导师姓名：张 建 文 及 职 称：副 教 授 论文起止年月：2002年3月至2003年2月 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 2 提 要 粘性式限滑差速器是提高汽车性能的一种新技术，在国际汽车界已经获得了越来越广泛的应用。但在我国，这方面的研究只是刚刚起步，本文主要针对粘性式限滑差速器在整车上的应用进行一定的研究。 粘性式限滑差速器是对普通差速器的革新与改进，它克服了普通差速器只能平均分配转矩的缺点，大大提高了汽车在双附着系数路面上的动力性和通过性，显著改善了汽车操纵稳定性，有效地提高了汽车行驶主动安全性，是普通差速器的理想替代产品。 本文首先，建立了粘性联轴器传递转矩的计算模型。对粘性联轴器的峰值特性作了简要介绍，得出了计算粘性联轴器峰值压力的简要公式。其次，建立了一个整车四轮动力学模型以及计算机仿真模型，通过对装有粘性式限滑差速器的汽车和装有普通差速器的汽车的动力性以及操纵稳定性的对比试验，验证了装用限滑差速器的汽车的动力性和通过性能大幅度提高，汽车操纵稳定性有显著改善。再者，利用台架试验测定粘性式限滑差速器的限滑转矩输出特性，并分析粘性联轴器在各种因素(硅油粘度、填充率、主从动片间距及转速差)的变化对粘性式限滑差速器的限滑转矩输出特性的影响。最后，整车试验和模型仿真的结果进行对比，进一步验证模型的正确性。 关键词：粘性式限滑差速器 粘性联轴器 模型 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 3 目 录 第一章 绪论 1 第一节 汽车限滑差速器简介 1 第二节 粘性式限滑差速器的应用4 第三节 开展粘性式限滑差速器研究的意义5 第四节 粘性联轴器的国内外研究状况8 第五节 粘性联轴器的构造及工作原理9 第六节 本文研究内容 12 第二章 粘性联轴器转矩传递特性的分析计算13 第一节 粘性联轴器传递转矩的数学模型 13 第二节 粘性联轴器传递转矩的影响因素 14 第三节 粘性联轴器峰值现象的理论分析与计算 18 第四节 本章小节 21 第三章 粘性联轴器工作过程的温度计算22 第一节 粘性联轴器换热模型的建立 22 第二节 各部分之间对流换热系数的计算 23 第三节 粘性联轴器各部分传热量计算 27 第四节 本章小节 32 第四章 装有限滑差速器的整车动力学模型34 第一节 整车运动学分析 34 第二节 整车动力学模型 35 第三节 本章小节 42 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响44 第一节 简介 44 第二节 在双附着系数路面上对动力性的影响 44 第三节 汽车转弯时对操纵稳定性的影响 48 第四节 模型仿真 50 第五节 本章小节 71 第六章 台架及整车试验72 第一节 台架试验概述 72 第二节 差速器限滑转矩输出特性测定试验 74 第三节 整车实验 81 第四节 动力性模型的验证 83 第五节 本章小节 83 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 4 第七章 全文总结85 参考文献 88 致谢 93 论文摘要(中文) 论文摘要(英文) 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 5 第一章 绪论 第一节 汽车限滑差速器简介 根据汽车行驶运动学的要求和实际的车轮、道路以及它们之间的相互关系表明：汽车在行驶过程中左右车轮在同一时间内所滚过的行程往往是不相等的。最明显的例子是汽车转弯行驶，在转弯时为满足运动学的要求，汽车的外侧车轮的行程总要比内侧的长。另外，即使汽车作直线行驶，也会由于左右车轮在同一时间内所滚过的路面的垂向波形的不同，或由于左右轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨损程度的不同以及制造误差等因素引起左右车轮外径不等或滚动半径不相等，而使左右车轮行程不等。在左右车轮行程不等的情况下，如果采用一根整体的驱动轴将动力传给左右车轮，则会由于左右驱动车轮的转速虽相等但行程却不相同的这一运动学上的矛盾，引起某一驱动车轮产生滑转或滑移。其结果不仅会使轮胎过早磨损、无益的消耗功率和燃料及使驱动轴超载等外，而且还会因为不能按要求的瞬时中心转向而使操纵性变坏。此外，由于车轮与路面间尤其在转弯时有大的滑转或滑移，易使汽车在转向时失去抗侧滑的能力使汽车行驶稳定性变坏。 为了消除由于左右车轮在运动学的不协调而产生的这些弊病，汽车左右驱动轮间都装有差速器，保证了汽车驱动桥两侧车轮在行程不等时，具有以不同速度旋转的可能性，从而满足了汽车运动学的要求。 目前国内外实际应用的差速器基本为两大类：普通差速器(也称作开式差速器，具有防滑控制作用的防滑差速器(其中防滑差速器又可分为锁止式差速器(P 限滑差速器(种。此外，还有一类为电子控制式差速器，由于其比较复杂，尚处于研究阶段。普通差速器结构简单，应用范围广，但在较差道路条件或下雨、下雪时，车辆通过性能变差并易发生侧滑现象。锁止式差速器可以对差速器强制闭锁，车辆通过性好，但对车辆转向性能及行使性能、轮胎磨损均有不良影响，且不适合连续使用，也容易分散驾驶员的注意力，影响安全性。而限滑差速器，在普通差速器基础上附加一些其它机构来限制差速器的滑差，从而改善它的转矩分配特性。由于兼顾了差速第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 6 器的转矩分配特性与转速分配特性，因此取得了广泛应用。 限滑差速器根据差动限制转矩的产生机理分为以下三种方式20。 据输入转矩决定差动限制转矩的方式，广泛使用多片摩擦式限滑差速器。多片摩擦式限滑差速器依靠湿式多片离合器产生差动转矩，有转矩比例式、预压式及转矩比例式加预压式三种形式。在日本，转矩比例加预压式的装车率最高，它是依靠小齿轮轴两端的凸轮机构使压圈扩张，从而使设在半轴齿轮与差速器之间的湿式多片离合器产生摩擦力。但是前述机构在单侧齿轮仍旧滑转的情况下，对半轴车轮的驱动转矩也明显减小，所以用碟形弹簧给湿式多片离合器施加预压。典型产品有机械摩擦片式(图11a)、锥盘式(图11b)、蜗轮式(图11c)等。 （a） （b） （c） 图11 转矩感应式限滑差速器 是一种差动限制转矩随着转速差的增加而增加的限滑差速器，被广泛应用的是粘性装置的限滑差速器。一旦产生转速差就可第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 7 以依靠硅油的粘度、填充率、片的直径、件数等多种设计参数的不同而产生不同的限滑作用。该种限滑差速器工作平滑，能很好的提高驱动、转弯、制动等诸性能的均衡，并且也可应用于前轮驱动车或后轮驱动车上，因此正在迅速普及。典型产品有粘性联轴器式(图12a)、12b)等。 （a） （b） 图12 转速感应式限滑差速器 是一种用电子装置控制最大差动转矩的限滑差速器。这种装置在奔驰车或波尔舍车上均有应用。其构造同前述的多片摩擦式相似，其特征是可由外部控制湿式多片离合器的压紧力，因此在差速器罩壳上设有油压活塞。由于活塞上的油压由外部调节阀控制，所以能获得任意的最大差动限制转矩。典型产品有电磁控制式(图13a)、电子控制式(图13b)等。 （a） （b） 图13 电子控制式限滑差速器 第二节 粘性式限滑差速器的应用 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 8 有普通差速器的汽车经过两侧附着系数相差较大的路面时，其中附着系数较小一边的驱动车轮会出现打滑空转的情形，这时汽车将无法进行驱动。而装有粘性式限滑差速器的汽车由于差速器可以输出一个随转速差的增大而增大的限滑转矩，所以即使在一个驱动车轮打滑的情况下，汽车仍有相当大的驱动力使汽车正常行驶。而在汽车低速转弯时，左右侧车轮的转速差不大，这时粘性联轴器产生的限滑转矩很小，故汽车在转弯过程中由于限滑转矩造成的功率损失较小，经济性好，而且由于限滑转矩较小，故对汽车在转弯时的性能影响也比较小。 在粘性联轴器技术成熟以前，前轮驱动车的前差速器是不能采用差动限滑装置的，因为前轮是转向轮，若差速器的差动限制转矩过大就会影响汽车的转向性能。如果适当地改变内外叶片的形状、叶片间距和硅油的粘度和特性，可以使粘性联轴器的转矩分配特性非常柔和而连续，能够适应前驱动差速器的限滑转矩要求。故粘性式限滑差速器是可以用于前轮驱动的限滑装置39。 粘性式限滑差速器中，粘性联轴器的布置多采用两种布置结构35，如图14中式结构，式结构。当把粘性联轴器布置在差速器壳体之内时，可把壳体的一部分作为粘性联轴器的壳体，这种布置方法称为壳式布置；把粘性联轴器安装在半轴上的布置方法称为轴式布置。在壳式布置中，粘性联轴器的输入、输出转速差为左右车轮的转速差的一半，传递的转矩较小，限制左、右车轮差速转动的作用较弱，一般常用于转向轮间的差速器。这种布置方法对差速器空间的要求较小。在轴式布置中，粘性联轴器的输入、输出转速差即为左右车轮的转速差，限制左右车轮差速转动的作用比壳式布置强，可用于非转向轮间差速器，但它要求差速器内部要有足够的空间。图中的流动线表示分配各车轮的转矩，线的粗细表示分配转矩的比例，箭头方向表示功率流动方向。 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 9 (a) (b) 图14 粘性式限滑差速器中粘性联轴器的布置方法 第三节 开展粘性式限滑差速器研究的意义 滑差速器对汽车性能的影响 限滑差速器的限滑转矩与车辆的运动性能有极大的关系，它使车辆的运动性能得到了很大的改观。其中主要表现在以下几个方面： 左右路面附着系数不同时，限滑差速器产生的限滑转矩越大，驱动性能越高；另一方面由于限滑转矩驶员的转向修正量增加。即使在一般的冰雪路面上，由于左右车轮的路面附着系数和轮胎的接地负荷不一定相等，只要不进行粗暴的加速踏板操作，也会得到较大的限滑转矩。 在冰雪坡路上行驶时，限滑转矩越大，车辆的总驱动力越大，爬坡的距离就越长。 1)定圆转弯性能。在汽车进行定圆转弯行驶时，限滑差速器由于两车轮有转速差而输出限滑转矩,因此内轮的驱动力比外轮驱动力大，因而实现一个与转弯方向相反的横摆力矩。使汽车的不足第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 10 转向的倾向增强。 (2)加速转弯性能。当汽车进行定圆转弯状态加速时，因为在侧向加速度弯的内轮接地负荷减小，所以滑移率上升，内轮的驱动力达到顶点。此点成了装置普通差速器车辆的加速极限。而对装有可靠外驱动轮产生一定驱动力，因此能继续加速。 一般轿车用的且极限附近的横摆角速度变化平稳。另外，在靠操纵加速踏板控制车身姿势的行驶中，使用能够产生与操纵加速踏板成正比的、且无时间滞后的限滑转矩可得到理想的驾驶感觉。 (3)摆头性能。若在侧向加速度于减速而产生的质心前移，使前后轮的侧向力平衡发生变化，即横摆角速度增加，产生所谓摆头现象。其摆头的程度因车辆和轮胎的各因素、行驶条件的不同而各有差异，而具有抑制摆头的效果。 车在高速行驶时，一般驱动力较小，所以容易受到外部干扰。而使装置摆角速度增益较低，相位滞后减小。横摆角速度、横摆角加速度、转向修正角在有限滑转矩时的值都变小了，显示了稳定性的提高。由于左右轮的驱动转矩不平衡抑制了车辆横摆角速度的增大。 对于高速稳定性而言，采用在小转速差区域内能产生某种程度限滑转矩的展粘性式限滑差速器研究的意义 粘性式限滑差速器就是把粘性联轴器布置到汽车差速器中作为限滑转矩的产生部件。根据汽车动力学的观点，汽车各车轮牵引力合理分配可以充分地利用轮胎和路面之间的附着力，获得较好的第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 11 纵向加速能力和行驶安全性。这一点的实现有两种方案：一是采用四轮驱动以充分利用汽车的附着力，这就要对现有汽车的传动型式作较大改动并要增设轴间差速器；另一种方案是在现有基础上改进结构来进一步发挥汽车的现有潜在牵引力，这主要是在汽车的差速器中加入限滑装置。 无论是轴间差速器还是轮间差速器都要有限滑装置才能充分发挥其效能。在这些限滑装置中，粘性联轴器是十分理想的部件，因为粘性联轴器的工作特性决定了这种限滑差速器的限滑特性非常理想。它传递的转矩随转速差的增大而增大，其对驱动力的分配有一个随路面附着情况变化而变化的自适应过程，这种差速器在左右轮转速差较小时，与普通差速器基本没什么分别，但一旦有转速差产生，它便产生随转速差增大而增大的限滑转矩，甚至将差速器锁死并在转速差减小时自行松开。这一点是机械式限滑差速器无法比拟的。从限滑差速器对汽车燃油经济性能的影响角度来说，装粘性式限滑差速器的汽车比装机械式限滑差速器的汽车所增加的油耗要小的多。在前驱动中，由于前轮要进行转向，所以两前轮绝对不能锁死和差速困难，机械式限滑差速器式不能满足这种要求的，而粘性式限滑差速器的限滑转矩是随转速差的增大而增大的，在低转速差时，它的限滑转矩很小，能满足汽车转向要求。另外粘性式限滑差速器应用于轮间差速器时能明显减小汽车急转弯时左右轮之间的滑转，提高轮胎寿命，并能使汽车在这种情况下仍有一定驱动力存在，保持汽车的可控性，从而提高汽车的安全性。 总的来说，采用粘性式限滑差速器作为现代汽车的传动装置，具有下述几个优点： 1、 差速器锁止与开锁之间的切换是自动和无级的。 2、 在操纵特点上与普通差速器无明显的差别，驾驶员无需对新的限滑驱动系统进行熟悉。 3、 在转向方面，前轮驱动的汽车不会出现转向不足倾向而且对正常转向的影响很小，对后轮驱动汽车则可降低过多转向的现象，因而该装置既可用于前驱动车也可用于后驱动车。 4、 减少传动系统的过载现象。 5、 粘性联轴器中硅油的阻尼作用，可在一定程度上消除传动系统中的振动。 粘性式限滑差速器是一项提高汽车性能的重要新技术。要实现第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 12 粘性式限滑差速器在整车上的应用，就要准确确定粘性式限滑差速器在装到整车时的转矩输出特性。实现粘性式限滑差速器工作特性的准确计算以及分析其对整车性能的影响，是实现粘性式限滑差速器实用化的重要一环。由此可见开展粘性式限滑差速器转矩特性的研究是很有必要的，它将推动粘性式限滑差速器在汽车上的广泛应用。 第四节 粘性联轴器的国内外研究状况 液体粘性传动是近年来流体传动中一门新兴的学科，它与液压传动和液力传动在基本概念和工作原理上有着本质的不同。液压传动基于帕斯卡定律，以液体的压能来传递动力，如工程机械普遍采用液压传动。液力传动基于欧拉方程，以液体动量矩的变化来传递动力，如液力耦合器，液力变矩器。而液体粘性传动基于牛顿内摩擦定律，以液体的粘性或油膜剪切力来传递动力，如粘性调速器，硅油风扇离合器及大型动力机的软启动装置。 车用粘性联轴器最早出现于1973年，英国979年，美国克莱斯勒公司在“车上首先应用，并且在美国生产。1985年，德国的车，把粘性联轴器布置到传动轴上，并申请了专利。从那时起，粘性联轴器广泛应用到汽车传动系上。1983年，英国1985年，日本这两家公司专门研究和为汽车制造厂家提供各种结构和性能的粘性联轴器。1987年，日本富士重工和本田公司先后推出了具有轮间和轴间限滑差速器双重功能的粘性联轴器(粘性联轴器在日本和欧洲汽车行业迅速地产生和发展。其应用也越来越广泛，不仅用于四轮驱动汽车的轴间差速器，而且还用于两轮驱动汽车的轮间差速器。 从粘性连轴器应用于汽车传动系至今已近30年，国外的研究人员已经做了很多理论分析和试验研究工作，提出了一些计算粘性联轴器剪切转矩的近似数学模型，并对其峰值特性做了试验研究。采用简化的数学模型，研究了粘性式限滑差速器对整车性能的影响16。 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 13 国内关于粘性联轴器传动的研究始于80年代后期，并成功地研制出液体粘性调速离合器及应用在汽车上的硅油风扇离合器。1991年，吉林工业大学粘性联轴器课题组开始有关汽车传动系的结构与性能的关系研究，建立了粘性联轴器传递转矩的数学模型。为我国开展粘性联轴器的理论研究奠定了基础，在大量的试验基础上得出了粘性联轴器的结构参数对其转矩传递特性的影响，总结了粘性联轴器的计算方法。 第五节 粘性联轴器的构造及工作原理 性联轴器的结构 粘性联轴器是由在壳体和轴构成的密封空间内，交替排列的外叶片、内叶片、作为粘性工作介质的硅油及密封壳体的油封壳体的油封等组成。有的在两外片或两内片中间装有隔环，基本结构如图1514所示。 1、内叶片 2、外叶片 3、外壳 4、轴 图15 粘性联轴器结构图 粘性联轴器的结构与多片式摩擦离合器的结构类似，只是其主、从动叶片在多数情况下不接触，存在间隙，在间隙中充满了高粘度的硅油，动力依靠硅油的粘性剪切阻力传递。 壳体中有两组钢制叶片，一组叶片以花键方式与主动轴的外花键联接，另一组叶片也以花键方式联接在壳体的内花键上。从原理上说，粘性联轴器是双向传递动力的，即任意一组叶片均可作为主动叶片，一般以与壳体内花键连接的一组叶片做为主动叶片。主动叶片通过硅油带动被动叶片转动。在壳体内部充填的高粘度流体(一般是硅油)的充填量要比壳体的容积小一些，还残留一些空气。第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 14 、被动叶片均可沿着轴和壳体上的花键自由移动。一般主动叶片上开有孔，被动叶片上开有径向槽。 性联轴器的工作原理 粘性联轴器是依靠液体粘性传递动力和转矩，液体粘性传动基于牛顿内摩擦定律。如图16所示在两块平行放置的平板之间，充满粘性的流体，设两平板间距即油层厚度为。当下板保持静止，上板以速度间流体受到剪切。当速度不太高时，流体相邻层间的流动状态可看作是相互平行移动的层流，粘附在下板表面上流体分子的速度为零，粘附在上板表面上流体分子的速度为v。此时为了保持上板恒定的运动速度v，则所需要的力 (或剪切率)成正比13。即： g (11) = (12) 式中, F油层的剪切力； 油层的切应力； 流体的动力粘度； v两平板的相对速度，或油层的剪切速度； 油层厚度； A承受油层剪切作用的面积。 图16 平板间流体的内摩擦作用简图 由此可见，切应力与动力粘度和剪切速度成正比，与油膜厚度成反比。只要结构和参数选取合理，就可设计出传递很大转矩的液第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 15 体粘性转动装置。当粘性联轴器的结构及硅油确定以后，其切应力对应的转矩与剪切速度对应的转速差成正比。当转速差很小时，它可以允许被动轴与主动轴间有微量的滑转。由于转矩的传递主要依靠两轴间的转速差对油层的剪切作用，所以当主、被动轴间的转速差增大时，油层承受的剪切力就会增大，所传递的转矩也会增加。 粘性联轴器有两个主要的特性： 1、 粘性剪切特性，即粘性联轴器传递的转矩随转速差变化的特性； 2、 峰值特性，即在粘性联轴器大转速差连续运转条件下，内部温度、压力急剧升高到某一极限时，传递的转矩急剧增加的特性。 粘性联轴器的工作原理比较简单，但在实际工作中的影响因素是很多的。除上述因素外，硅油的温度、剪切率、硅油填充率、叶片形状和壳体密封等诸多因素对其转矩特性均有较大的影响。 第六节 本文研究内容 本文的主要内容是研究粘性式限滑差速器对后驱动车辆(动力性和操纵稳定性)的影响。以此为目的，本文从理论研究出发，在前人研究成果基础上进一步研究了粘性联轴器的转矩输出特性，建立了粘性式限滑差速器限滑转矩输出特性的理论计算模型。同时在理论分析及台架试验两方面着手对粘性式限滑差速器对后驱动汽车性能的影响进行了分析与探讨。本文内容如下： 1、 建立了一个综合考虑影响粘性联轴器工作特性各种因素的计算其转矩传动特性的数学模型，分析其在整车上的工作特性，并建立其计算机仿真模型。 2、 通过对装粘性式限滑差速器汽车的动力学分析，建立了反映粘性式限滑差速器对整车性能影响的数学模型，以及可利用计算机进行动态仿真的3、 利用建立的整车动力性以及操纵稳定性计算机仿真模型，对装粘性式限滑差速器汽车的动力性及稳定性进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。 4、 进行粘性式限滑差速器台架试验。试验主要获取了粘性式限滑差速器限滑转矩输出特性，以便研究其对整车性能的影响。把台架试验数据与仿真结果进行对比，以检验模型的正确性。 5、 进行了整车动力性试验。试验包括试验车装普通差速器时的动第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 16 力性试验和试验车装粘性式限滑差速器时的动力性试验，对比了二者的动力性能，从而确定装有粘性联轴器对汽车动力性的影响。 6、 动力性试验数据和仿真结果进行对比，验证了整车动力性仿真模型的正确性。 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 17 第二章 粘性联轴器转矩传递特性的分析计算 粘性联轴器在工作中有两个特性是至关重要的，即剪切特性与峰值特性，也有人称之为峰值现象或驼峰现象。通常工作时起作用的是粘性联轴器的剪切工作特性，当粘性联轴器在大转速差长时间工作时，会出现传递的转矩急剧增加的现象，这时粘性联轴器进入峰值工作特性。在具体应用中只有这两个特性设计合适才能使粘性式限滑差速器正常工作。因此准确确定粘性联轴器的工作特性的计算方法是设计粘性式限滑差速器及解决其与整车匹配的重要环节。本章主要内容是建立综合考虑粘性联轴器结构参数及硅油物理特性的粘性联轴器工作特性的数学模型。 第一节 粘性联轴器传递转矩的数学模型 粘性联轴器主要是利用流体的粘性剪切阻力传递转矩的装置。因此在建立粘性联轴器利用粘性传递转矩的模型时，需应用粘性流体力学的相关知识进行分析。 在粘性流体力学中，两无限大平行圆盘旋转时，会带动其间的粘性流体运动，产生阻力矩。在这里我们忽略圆盘的边缘效应，即可利用粘性流体力学中的牛顿内摩擦定律来计算粘性联轴器的剪切转矩44。 图21 两平行旋转圆盘传递转矩的计算模型 如图21所示是粘性联轴器两叶片传递转矩的简化计算模型，先求出两转动叶片间传递的微量转矩1第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 18 ( )1212 = (21) 式中：硅油的运动粘度； 硅油的密度； 工作叶片之间的间隙； 1、2 内外叶片的角速度； 在壳体内填充硅油时，对叶片内径1求得其传递的剪切转矩为： =322 (22) ( )4142= (23) 式中：n内叶片数； 2r 叶片外半径； 1r 叶片内半径； 12 =。 第二节 粘性联轴器传递转矩的影响因素 从(23)式可见，粘性联轴器传递的剪切转矩是与多种因素相关的，s，是与硅油的温度有很大关系的参数；n，1r，2r，是粘性联轴器的结构因素；是粘性联轴器的输入转速差，它决定了硅油的剪切率（( )21 = ）。当第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 19 粘性联轴器的内外叶片的半径与片数及硅油种类确定后，影响粘性联轴器传递剪切转矩的主要因素是叶片间距、工作温度及剪切率。其中叶片间距是属结构因素，而工作温度与剪切率要影响到硅油工作时的物理性质。下面逐一对其进行讨论。 度对硅油粘度的影响 粘性联轴器是靠输入输出轴的转速差来工作，因此必然存在损失功率，在工作过程中会产生热量使硅油温度升高。硅油是一种粘温特性非常好的有机合成油，但随温度升高其粘度仍会有所降低，特别是高粘度硅油，其粘度随温度升高下降的要更快。由式(23)可以看出硅油粘度降低，传递的剪切转矩要减小。 图22某种硅油的粘温关系图 图23 22是某种硅油的粘度与温度关系曲线，图中实线上数字表示25线表示的是矿物油，其粘度随温度升高下降较快。硅油的粘度与温度关系的近似表达式为46： 0 = g (24) 式中：该时刻硅油的绝对温度； 25 硅油在温度为25第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 20 A常数，取值如图23。 切率对传递转矩的影响 硅油剪切率随着叶片半径和转速差的增加而增加，在同样温度条件下，其粘度随剪切率的增加而降低。从图2440可以看出，在对数坐标下，硅油的粘性剪切特性是非线性的。可用曲线拟合的方法表示这种特性16： = (25) / = g (26) 采用分段函数的方法表示考虑剪切率后的粘度值/15： ( )()/300 1/300 1/ =g(27) 其中： 在粘性式限滑差速器中，由于转速差 不太大，所以剪切率也较小，所以可 以认为硅油粘度不随剪切率变化。 表21 24剪切率与硅油粘度关系曲线 油填充率的变化对转矩的影响 硅油的粘度（B 30000 五章 限滑差速器对汽车性能的影响 21 硅油的填充率是指硅油填充体积与粘性联轴器内部容积之比。为了防止硅油受热膨胀使密封的壳体内部压力过高，一般在壳体内部封入5%20%的空气，它对粘性联轴器的传递转矩特性有很大影响。 粘性联轴器工作时，由于内部温度变化，其填充率也是瞬时变化的。随着硅油温度的升高，体积膨胀，密度变小，填充率增加。 硅油的瞬时体积( )= 10(28) 式中：0硅油的初始体积； 硅油的体积膨胀系数； 硅油的瞬时体积； t硅油的温升。 硅油的瞬时密度()0000111s t = =+ +g(29) 粘性联轴器的瞬时填充率()= 10(210) 式中：0粘性联轴器的初始填充率； 粘性联轴器的瞬时填充率。 由上式可知，硅油瞬时填充率是初始填充率和硅油温度的函第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 22 数。随着硅油温度的升高，瞬时填充率也升高。当理论计算达到100时，粘性联轴器传递转矩的特性会发生极大的变化，即出现峰值(象。理论认为峰值现象产生在硅油瞬时填充率等于壳体内部容积的时刻，此时壳体内部压力极大，能够产生推动叶片移动的现象。所以，通过计算硅油的瞬时填充率的变化可以近似推测粘性联轴器峰值现象的时间。 的结构和间距对转矩的影响 粘性联轴器的叶片可沿轴向滑动，所以叶片间隙是可变的。粘性联轴器传递的转矩与片间间隙成反比。叶片偏离中间理想位置的距离与内外叶片间距的比值称为叶片位置偏离率，它在40%以下时，传递转矩的数值与叶片处在中间位置时传递的转矩数值的比值较小，当位置偏移率大于70%时，转矩增加的幅度很大如图25所示。 图25 叶片偏离率对粘性联轴器传递转矩的影响 合多种影响因素的传递转矩计算模型 综上所述，粘性联轴器传递的转矩与硅油的温度、剪切率以及片的结构相关。则综合考虑相关因素的粘性联轴器的转矩计算模型为： ( ) ( )()/414201,+=(211) 式中：0硅油装入粘性联轴器时的初始密度； t 粘性联轴器工作时硅油的温升； 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 23 () 硅油的运动粘度，为温度与剪切率的函数； /T 片上孔、槽对应面积所传递的转矩。 这里除粘性联轴器结构因素外，转速差与温度是影响其传递转矩的主要外界因素。确定这两个因素即可确定粘性联轴器的瞬时工作特性。 第三节 粘性联轴器峰值现象的理论分析与计算 粘性联轴器在长时间连续大转速差运转时，随着粘性联轴器产生的热量增加而来不及散发，其温度越来越高，开始时由于硅油粘度降低，剪切转矩有所降低，随后粘性联轴器传递的转矩开始迅速增加，最终发生锁死，这就是粘性联轴器的峰值现象。 联轴器进入峰值工作特性的过程中，其内部温度压力将不断升高，这对粘性式限滑差速器的密封及工作寿命都有极为重要的影响。如何确定联轴器进入峰值工作特性时的压力、时间及温度是极为重要的，因为进入峰值工作特性意味着粘性联轴器开始进入自我保护状态，同时，粘性式限滑差速器开始将汽车两半轴锁在一起。这两种现象都会对粘性式限滑差速器的转矩传递特性及汽车性能产生很大影响，所以峰值现象是粘性式限滑差速器研究中极为重要的内容。 要准确地对粘性联轴器峰值特性进行分析和计算，弄清楚峰值现象的形成机理是很重要的。学术界对这一点有好几种解释38，以至目前对其仍没定论。但比较公认的理论37是粘性联轴器工作腔内的空气，在高压下一部分溶解于硅油，而另一部分散布于叶片的孔内(如图26所示)，由于旋转盘片对硅油的推动作用，外盘小孔右半部分变成高压区，左半部分变成低压区，因而气泡流向低压区，由于气泡分布不均，产生的热量不均，因此某些盘片的左右压强不相等，从而使内盘向低压区移动。随着温度增加，硅油体积膨胀，内压不断升高，最后粘性联轴器的内外叶片在高压作用下，发生直接接触，处于一种混合摩擦状态，因而传递很大的转矩。随着压力的继续升高，粘性联轴器的内外盘片同步运转、粘性联轴器处于闭锁状态。 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 24 图26 粘性联轴器的峰值现象产生过程 粘性联轴器发生自锁后，内外叶片不再有转速差，因此热量不会继续产生，硅油温度开始降低，而后，粘性联轴器脱离自锁状态。 由上述可见，粘性联轴器在出现峰值现象时内压非常高，而且不易测量，因此理论上的计算显得很有必要的。基于以上峰值现象的产生机理，为计算粘性联轴器进入峰值特性时的压力，本文作以下假设： (1) 由于硅油对空气的溶解度很低，所以我们认为硅油溶解的空气占壳体内空气总量的比例非常少，可以忽略； (2) 在出现峰值现象时，粘性联轴器壳体内的气体仍可认为是理想气体，符合理想气体的物理定律； (3) 粘性联轴器出现峰值现象时，其壳体内空气的压力与壳体内其它部分压力相同。 根据以上假设，我们利用物理学中的波意尔查理定律来计算发生峰值现象时壳体内的空气压力，并用这个压力作为整个壳体内部的压力。 由波意尔查理定律知： 常数） (212) 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 25 我们设粘性联轴器初始填充率为0体容积为V，空气初始填充容积为1V，壳体内填充压力为1P，初始温度为1T；工作到气填充容积为2V，壳体内压力为2P，壳体内温度为2T。 则由(212)式得： 222111 (213) 显然有： ( ) (214) ( )()( )120111221 =+= (215) 代入(213)式得 ()( )()20 021101211 = (216) 所以有： ()=1200012121117) 这样我们只要知道壳体内可以知道第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 26 第四节 本章小结 本章首先是利用液体粘性传动学里研究两平行圆盘传递剪切转矩的方法经简化得出了粘性联轴器传递剪切转矩的计算方法。然后分析了影响粘性联轴器传递转矩特性的各因素，并由此得出了综合考虑各影响因素的粘性联轴器剪切转矩的理论计算模型。该模型表述了外界对粘性联轴器传递的剪切转矩的影响，其中主要是粘性联轴器输入转速差与工作温度，这两个因素主要是影响到粘性联轴器工作介质硅油的物理特性，引起粘性联轴器传递转矩的变化。 另外，本文对粘性联轴器的峰值特性作了简要介绍，根据现有理论，并作了一定假设，得出了一个有待试验验证的计算粘性联轴器峰值压力的简要公式，以期能对粘性联轴器进入峰值工作特性的时间和压力提供一种计算方法。 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 27 第三章 粘性联轴器工作过程的温度计算 从前一章的工作特性分析与计算中可以看出粘性联轴器的工作温度对其转矩传递特性有很大影响。而其工作温度一是受工作环境温度的影响，另一因素就是粘性联轴器在工作过程中自身产生的热量使硅油温度升高。对粘性式限滑差速器来说，粘性联轴器的工作环境温度还是比较稳定的，因此其工作特性主要是受其自身产生的热量的影响。粘性联轴器在工作中有转速差的存在就有损失功率，因此会产生热量，其中一部分热量经叶片、壳体和轴传至外界，即在壳体的内部和外部存在着热量交换44。没有传出去的热量将使硅油温度升高，体积膨胀，壳体内部压力升高。当其压力达到一定值时，粘性联轴器传递的转矩就会迅速增加，产生峰值现象。可见这部分热量对粘性联轴器的工作特性有很大影响。所以只有准确计算粘性联轴器各部分的传热量、确定硅油各时刻的温度，才能准确确定粘性联轴器的工作特性，从而使粘性式限滑差速器的转矩输出特性合乎设计要求。 本章主要通过建立粘性联轴器的换热模型，从而推导出粘性联轴器吸收的热量与输入、输出转速及时间的关系并得出粘性联轴器工作过程中各时刻其各部分温度的计算方法。 第一节 粘性联轴器换热模型的建立 粘性联轴器的结构较复杂，若要计算出粘性联轴器传热过程中各部分的传入与传出的热量，必须把粘性联轴器做一定的简化。如图31所示为本文所述的粘性联轴器的简化结构示意图。粘性联轴器吸收的热量在粘性联轴器的七个零件之间传递。如图32是粘性联轴器的传热模型，对这个模型我们作如下假设： (1) 忽略壳体和轴与左、右端盖间的导热，即23Q、24Q、53Q、54(2) 忽略密封件与硅油及与密封部位的导热。 (3) 把内、外叶片看成是浸在硅油里的金属片。这样我们不考虑叶片与壳体及轴的换热，这部分换热用硅油代替，所以65Q、72样叶片就只和硅油进行热交换。叶片一第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 28 般为金属件，是热的良好导体，且叶片厚度一般不大于14，所以忽略叶片表面向内部的导热。而粘性联轴器工作时，温度上升的不是太快，所以我们认为叶片与硅油的换热是在有温差的瞬间进行并完成的，也就是说，可以认为叶片与硅油的温度总是相等。 (4) 忽略壳体与盖对外界的辐射换热，即壳体、盖与外界的换热只是对流换热。 (5) 认为粘性联轴器各部分的传热是稳态传热过程。 图31粘性联轴器简化结构图 图32粘性联轴器传热模型 第二节 各部分之间对流换热系数的计算 流体流过壁面(或另一流体的界面)时，流体与壁面相互产生的热量传递过程称为对流换热。在对流换热时，通过壁面的热流密度比例系数称为对流换热系数18。确定换热系数后，即可利用换热系数计算对流换热过程的换热量。 限滑差速器对汽车性能的影响 29 设硅油与轴的平均对流换热系数为1，根据传热学知识18有： 1g(31) 其中：()=； ( )23=； ps s = 上式中：硅油的导热系数； 硅油的运动粘度； 硅油的体积膨胀系数； 硅油的密度； 硅油的定压比热系数； 硅油的温度； 2 轴的角速度； 努谢尔特准则数； 雷诺准则数； 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 30 葛拉晓夫准则数； 普朗特数； 轴的外径 ； 轴的温度。 硅油与壳体的平均对流换热系数为2，根据传热学知识18有： 2g(32) 其中：( )=； ( )23=； ps s =上式中：壳体的内径； 壳体内表面的温度； 1 壳体的角速度； 其他同上。 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 31 壳体与外界空气的平均对流换热系数为3，根据传热学知识18有： 3g(33) 其中：()=； ()23=； = 上式中：壳体外径； 壳体外表面温度； 空气的温度； 为空气的热膨胀系数； 空气的运动粘度； 空气的定压比热系数； 空气的密度； 空气的导热系数。 第五章 限滑差速器对汽车性能的影响 32 轴与外界空气的平均对流换热系数为4，根据传热学知识18有： 4g(34) 其中：( )=；
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号