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干式DCT双离合器传递矩控制与仿真研究.doc

干式DCT双离合器传递矩控制与仿真研究.doc

上传者: 幸福的小婉儿 2018-01-14 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《干式DCT双离合器传递矩控制与仿真研究doc》,可适用于项目管理领域,主题内容包含干式DCT双离合器传递矩控制与仿真研究干式双离合器传递扭矩控制与仿真研究重庆大学硕士学位论文学术学位学生姓名:王磊指导教师:刘振军教授专业:车辆工程符等。

干式DCT双离合器传递矩控制与仿真研究干式双离合器传递扭矩控制与仿真研究重庆大学硕士学位论文学术学位学生姓名:王磊指导教师:刘振军教授专业:车辆工程学学科门类:工重庆大学机械工程学院二一二年五月‘‘一一’:,,中文摘要摘要双离合器自动变速器不仅具有比液力式自动变速器更好的燃油经济性,而且具有手动变速器生产条件的继承性,因此成为汽车领域研发和应用的重点。不发适应我国国情、拥有自主知识产权、能够掌握一定核心技术的双离合器自动变速器,对促进我国汽车工业的健康发展以及科学技术的稳步前进具有十分重要的现实意义。本文以国家自然科学基金项目《干式双离合器耐久性设计理论与控制方法研究》为依托,针对干式双离合器关键技术,基于计算机仿真技术,完成了汽车起步与换挡过程中干式双离合器传递转矩控制研究,主要研究工作如下:进行干式双离合器结构方案和总体设计,完成了其主要元件摩擦片、压盘、中间飞轮和膜片弹簧的结构设计,并分析了膜片弹簧性能。通过分析干式双离合器传递转矩的影响因素,提出离合器磨损补偿控制方法,实现了执行机构行程和速度的控制根据起步和换挡过程中干式双离合器传递转矩控制要求,制定了基于发动机恒转速控制的双离合器联合起步控制策略和定节气门不度下换挡控制策略建立了发动机、动力传动系统以及离合器执行机构数学模型。基于软件仿真平台,建立了起步和换挡过程中整车动力传动系统动力学仿真模型,并进行了不同节气门不度下双离合器联合起步和定节气门不度下换挡仿真分析。根据仿真结果,分析了干式双离合器在磨损得到补偿时,离合器传递转矩、滑摩功、车辆冲击度以及离合器行程变化情况。以传热学基本理论为基础,分析了干式双离合器热量传递方式,基于换挡过程仿真结果,求解离合器摩擦元件热分析的初始条件和边界条件,利用软件对换挡过程中干式双离合器瞬态温度场进行仿真分析,验证了干式双离合器结构设计的合理性。根据干式双离合器结构和材料特性,分析了控制温升方式,从而为离合器结构优化提供了数据支持。关键词:干式双离合器,传递转矩,离合器磨损,离合器控制,瞬态温度场英文摘要一一’,“”:,,,,,,,:,,,,,,、五。,。,:,,,,目录目录中文摘要英文摘要绪论一课题的来源及意义自动变速器简介的发展历史及应用现状干式双离合器的关键技术一本文的研究内容一双离合器特性分析与干式双离合器结构设计双离合器结构与性能分析‘双离合器结构形式:双离合器:作特性:干式双离合器摩擦元件材料特性干式双离合器结构设计摩擦片结构设计:乐盘结构设计中间轮结构设计膜片弹簧结构设计本章小结干式双葛合器传递转矩控制分析离合器传递转矩的影响因素膜片弹簧压紧力摩擦系数磨损量干式双离合器转矩控制起步过程转矩控制换挡过程转矩控制执行机构速度与行程控制本章小结一干式双离合器扭矩控制建模与仿真系统动力学模型重庆人学硕学位论文弱发动机数值模耍拍。卢气门开度控制模型粥传动系统动力学模型离合器执行机构控制模型仿真结果与分析躬甜起步过程分析铝换挡过程分析如本章总结钉干式双离合器换挡时热负荷性能仿真分析”离合器热分析理论基础钉热分析简介引热传导的二种基本方式够模珏边界条件与初始条件舛干式双离合器瞬态温度场分析舛离合器有限元模型的建立离合器摩擦材料参数卯边界条件计算与加载仿真结果与分析如双离合器摩擦副温升分析酡铊转矩控制的影响材料性能的影响甜冷却条什的影响本章小结盯总结与展望一田致谢”参考文献巧附录巧作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间参与的科研项目目录绪论绪论课题的来源及意义从汽车诞生起到现在的多年时间,经过数代汽车工程师的不懈努力,汽车工业得到了飞速发展。特别是在上世纪年代,随着电子和计算机技术在汽车上广泛使用,促使汽车在动力性、燃油经济性、舒适性和安全性等性能上有了极大的提高。目前在美国和欧洲等发达国家中,自动变速器在客车和公共汽车上的装车率已经达到以上,甚至是,在同本自动变速器在高级轿车上的使用率也已超过。然而,到目前为止我国大部分汽车还在使用手动变速器,特别是在商用汽车上。根据相关分析可知,在“十二五”期间,中国汽车产业将以~的速度发展。~的五年问早,汽车产销量由万辆增至力辆,年均增速,在全:眯汽车产量的占有比从增长到。中国自主品牌和中国品牌的乘用车品种数量增长了倍,销量增长了倍。因此,变速器在我国汽车市场上存在巨大潜力,自动变速器的前景将更加广阔。但我国变速器的研发水平和科研人才有限,特别是对高端自动变速器的关键技术还未完全掌握。掌握核心技术,研发出具有自主知识产权,且拥有国际一流水平的高端自动变速器是我国每个汽车工程师的首要任务。在液力式自动变速器,简称、无级自动变速器,简称、电控机械式自动变速器,简称以及双离合器自动变速器,简称这四种变速器中,双离合器自动变速器已成为新一代的自裂变速器。它不仅具备手动变速器结构简单紧凑、传动效率高等优点,而且能显著提高整车的动力性和燃油经济性,同时也能很好地改善车辆运行时的顷性能。,这对电控机械式自动速器而言是前所未有的进步。而且双离合器自动变速器生产继承性优良,只需添加执行机构和控制单元就可以在生产手动变速器的设备上制造。这不仅适合我国汽车工业的发展情况,填补我国在自动变速器产品制造能空白,而且能够产生巨大的经济效益。对以上四种自动变速器的性能、研发难度和成本进行全面综合比较,可得如表所示结果。综上可知,双离合器自动变速器的研究不仅能够促进我国变速器的发展,而且能够为赶超世界先进水平提供有利机会。本课题结合国家自然科学基金《干式双离合器耐久性设计理论与控制方法研究》项目,以双离合器自动变速器在轿车重庆火学硕学位论文上的应用作为研究对象,针对汽车在起步和换挡时离合器的控制和离合器滑摩温升控制进行研究,为系统的不发和研究提供数据支持。表不同变速器在各个方面的比较自动变速器简介汽车自动变速器技术始于上世纪年代,经半个多世纪的发展,随控制技术水平的提高和传动方式的改变已经演变出多种类型。当今汽车上所采用的自动变速器主要有三种类型:液力机械式自动变速器、无级自动变速器以及电控机械式自动变速器。液力机械式自动变速器液力机械式自动变速器使用历史悠久,技术最为成熟。其主要部件一液力变矩器出现于上世纪初,通过与行星齿轮机构配合使用,并采用相应的电控系统,能够实现车辆一定范围内的无级调速。装备的汽车可不在切断动力的条件下实现换挡,因而车辆起步和换挡平稳,加速能力强。同时,由于液体传动本身具有减震效能,因此能够降低动力传动系统扭振振动,延长系统使用寿命。但传动系统效率低、结构复杂、工艺要求和成本较高,换挡动作迟钝,提速较慢,并且会产生顿挫感,也降低了驾驶乐趣。无级自动变速器无级自动变速器以带传动的方式实现发动机与输出轴之间的动力传递,采用改变带轮槽宽的方式改变带轮与传动带的接触半径,实现真『意义上的无级变速。因此,能够根据不同的工况选择合适的传动比,使整车具有最佳的燃油经济绪论性或最佳的动力性。其工作特点导致它具有良好的排放水平,节油能力强,驾驶更舒适。但结构复杂、传动效率低、传递功率小,传动带易磨损、寿命较短且价格较高。电控机械式自动变速器电控机械式自动变速器是在传统手动固定轴式变速器和干式摩擦离合器基础上,加装自动执行机构和电控系统,从而实现车辆的自动选、换挡操作以及离合器分离结合动作。与和相比较,既有自动变速的优点,也保留了手动变速器结构简单、成本低、传动效率高等长处。此外,生产手动变速器的设备完全可以继续利用,只需要添加部分设备即可生产。但换挡时必须切断动力,这会影响整车的性能,且会产生换挡冲击,影响乘坐舒适性。因此,这需要对发动机、动力传动系统、执行机构等协调控制,其控制难度较大,且只能改善换挡过程,不能从根本上解决换挡时动力切断所带来问题。的发展历史及应用现状自从首先提出双离合器自动变速器这个概念以来,经历了六七十年的发展过程,已经实现了批量生产。在年,德国人首先申请了的专利,其结构如图所示,并且提出了奇数挡和偶数挡交叉传递动力的设计方案【。由于当时电控技术比较落后,此设计方案虽然在货车上实验过,但是没有进行批量生产。在上世纪年代,各大汽车公司如大众、保时捷等相继将变速器应用于跑车上,其中不发的双离合器动力换挡变速器是最成功例子之一,它消除换挡时的动力传递停滞现象,有效提高了行驶动力性,如图所示,蝴五四螂啦蟹蝴删矸四船黼粕酣’“,‘图年设计发明的双离合器自动变速器重庆人学硕十学位论文图年保时捷开发的双离合器自动变速器在年,大众汽车公司和博格华纳携手合作首先生产出直接换挡变速器,并将它配置在量产主流车型奥迪车上。大众汽车公司年推出了挡变速器,成为首个能够提供系统的整车厂。年,大众又率先在奥迪车型上应用了变速器,随后产品陆续配套到大众捷达、大众途安、大众第五代高尔夫、大众宝来、奥迪、奥迪、、等众多车型上,到目前为止已创下超过万辆的销售纪录。装用百公早油耗升,百公罩加速时间秒,而同车型的手动变速器汽车百公里油耗却是升,百公里加速时间是秒【。大众变速器问世以后,沃尔沃和宝马也相继投入到双离合器自动变速器研发阵营,以相似的概念推出各自的变速器产品。宝马发布了七挡双离合自动变速器的研发成果,并将该技术应用于宝马车系中。在年,菲亚特也『式宣布其自主研发的双离合自动变速系统,这套变速器被命名为,并将其配备在菲亚特多款车型上如,和阿尔法罗密欧等,配备此种变速器的汽车已于年上市。此外,公司、公司、公司、三菱公司、福特公司以及丰田公司也都投入了大量的资金用于的研发。图为大众联合博格华纳生产的。中国上汽集团在其自主品牌汽车一荣威上,已经在年以前使用了与博格华纳公司共同研发生产的双离合器变速器。根据上汽的规划,明年就要上市的荣威和荣威最有可能成为搭载博格华纳双离合器技术的车型。与此同时,国内有多家企业也都在争先不发双离合器自动变速器,如一汽、东、长安、华晨、吉利、奇瑞、青山变速器公司等。绪论图人众联合博格华纳生产的在双离合器自动变速器发展过程中,依据工作原理的不同其布置形式存在着多种技术方案,并且通过对每种方案的局部改进已经获得了多项专利。本文中选取了两轴式和中轴式两种典型方案为参考,如图所示,对的应用进行分析。器主减速器器器。裕、丁:可呵::。输刚‘。『入幸:轴:::::::::』输呵。问主减速器以轴轴、‘夕:气步川彤『步厂刊器器,一:器篡器双轴布置形式图两种典型的布置方式对于上述两种布置方式,可以依据汽车驱动形式和变速器布置形式的不同进行选择。双轴式布置具结构简单、轴和轴承数量少以及布置比较容易,但是由于其轴向尺寸较长,所以只适应于发动机前置后轮驱动的汽车。而双中司轴式布置重庆人学硕学位论文有结构复杂、轴向尺寸较小的特点,多用于发动机前置前轮驱动的汽车。变速器制造商公司制造的干式所采用的布置方式即为图所示。伴随变速器的多样化发展,在未来几年早,汽车消费者对变速器的选择方向将会发生巨大变化,许多消费者会放弃购买传统的手动变速器汽车而转向购买更加方便的自动变速器汽车。在年底特律召不的汽车变速器大会上,变速器专家和的推断:十年内汽车将得到越来越多人认可。到年,全球每生产一百辆乘用车中将会有十辆配备双离合变速器。和还预测变速器和的市场份额将略有上升,其市场占有率如表所示。与其他预测者的预测结果相比,与的全球市场份额估算值为描绘了一幅更加乐观的前景。表乘刚乍变速器类型在全球市场中预计所『的份额在的生产制造方面,虽然众多汽车生产厂家都已推出了自己的双离合器自动变速器,但是核心的控制模块技术都是来自美国的博格华纳公司。因此,要想赶超世界一流自动变速器水平,中国和世界上其他汽车公司都需要投入大量的人力和物力,都要经过一个漫长的研发道路。干式双离合器的关键技术双离合器作为双离合器自动变速器的关键部件之一,担负着汽车起步控制、传递扭矩、挡位切换、减小传动系统振动和防止系统过载等重要作用。双离合器分为干式和湿式两种类型,与湿式双离合器分析对比可知,干式双离合器具有结构简单紧凑、质量轻、传动效率高、成本和维护费用低等一系列优点。然而,由于干式双离合器热负荷特性差和使用寿命短,使之在国内甚至国外的产品化进程中都受到了严重影响。干式双离合器有待于研究解决的关键技术问题主要有:离合器传递扭矩的精确控制离合器滑摩温升、磨损以及耐久性系统协调控制。绪论离合器传递扭矩控制双离合器传递转矩的控制精度是影响汽车最佳起步、换挡品质以及传动系统动态响应好坏的关键因素。在起步过程中离合器结合速度和结合量直接关系着起步的快慢和动力的传递在换挡过程中不仅要考虑两个离合器的结合量和结合速度问题,而且要考虑两离合器切换过程中存在的重叠问题。精确的实时控制离合器切换过程,使两离合器具有恰当的重叠度,保证了汽车起步和换挡品质,避免出现以下两个问题:由于重叠不足而导致发动机超载由于重叠过度导致摩擦功率过大、两挡位锁死干涉。离合器滑摩温升、磨损及耐久性在汽车起步和换挡过程中离合器不可避免的要经历滑摩状态,在此过程中离合器上产生的滑摩功会以热量方式传递,从而导致离合器各摩擦元件温度升高。当温度过高时不仅会加速摩擦片磨损,而且会导致摩擦片、压盘等元件发生变形,影响动力传动的稳定性以及汽车行驶的平稳性和舒适性。离合器摩擦片和压盘的磨损随着摩擦温度的升高而变化,过高的温度还会使压盘和摩擦片发生翘起,直接影响离合器在起步和换挡时的分离结合特性。由于在研发过程中受到离合器结构尺寸、材料温度特性、散热条件等限制,应当从滑摩时热量产生和失效机理以及动力学特性等方面入手进行分析,寻找解决干式双离合器温升高这一难题的方法,进而提高离合器承载能力,延长其使用寿命。系统协调控制对系统的控制不再是单一的,它涉及到发动机、执行机构和动力传动系统等多个系统。作为核心部件的干式双离合器的控制,必须考虑多个系统之、自的协调控制,协调各个系统的控制关系,建立通信联系,制定整体控制策略实现一体化控制,从而保证车辆具有良好的性能。在起步过程中控制要求:起步平顺迅速,滑摩功较少且发动机运转稳定在换挡过程中控制要求:换挡适时,动力不中断且换挡平顺性好【州。本文的研究内容本文以国家自然科学基金项目《干式双离合器耐久性设计理论与控制方法研究》为依托,针对干式双离合器所遇到的关键技术问题,主要有以下研究内容:干式双离合器性能分析与结构设计对比干式和湿式双离合器结构特点,分析离合器摩擦副材料和工作特性。根据干式双离合器基本参数和结构要求,进行了双离合器总体结构设计和关键零件膜片弹簧、压盘、中间飞轮和摩擦片的设计,并分析膜片弹簧工作特性。干式双离合器传递转矩控制重庆人学硕学位论文分析离合器传递转矩的影响因素,并提出计算方法分析起步和换挡过程,制定干式双离合器传递转矩控制策略针对执行机构速度和行程控制要求,提出离合器磨损补偿控制方法。起步和换挡过程仿真建立发动机、动力传动系统和执行机构数学模型基于长安某型号汽车的基本参数,利用建立起步和换挡过程中整车动力传动系统动力学仿真模型,并对干式汽车起步和换挡过程进行仿真分析。热负荷特性仿真分析建立干式双离合器摩擦元件模型,利用软件对换挡过程中干式双离合器瞬态温度场进行仿真分析根据干式双离合器结构和材料特性,提出温升控制方法。双离合器特性分析与干式双离合器结构设计双离合器特性分析与干式双离合器结构设计干式双离合器基本结构与普通手动挡变速器的离合器相比在很多方面上是相同的。离合器的主要作用是切断和传递发动机输出到动力传动系统的动力,保证汽车平稳起步换挡时将动力传动系统与发动机分离,以降低变速器中两啮合齿轮之问的相互冲击控制传动系统所承受的最大转矩,防止动力传动系统各个零件由于过载损坏减小动力传动系统的振动和噪音‘。双离合器结构与性能分析双离合器结构形式作为双离合器自动变速器重要部件之一的双离合器,在性能方面不仅要分离彻底、结合柔顺、换挡快速和传递动力可靠,而且还要体积小、质量轻、制造成本低和使用寿命长。因此,对离合器的性能、结构、制造和控制等方面都提出了较高的要求。目前,双离合器的结构通常采用干式和湿式两种形式,如图所示。渝式舣离合器式舣离合器图双离合器结构解剖图湿式双离合器湿式双离合器传递的转矩较大,磨损小且均匀,不需要专门调节离合器摩擦片间隙,但其径向尺寸比较大,旋转时液压缸内油液所产生的动压力对活塞的运动有一定影响。由于离合器主、从片之间存在润滑油,在分离状态下相对滑转时会产生较高的摩擦阻尼。并且还存在分离不彻底且有相对滑磨损失现象,尤其是当摩擦片数增多时,其空转滑摩损失功率将增大。此外,湿式双离合器还需要专重庆人学硕十学位论文门的液压系统进行控制,液压系统运行时会消耗一定的功率,从而导致传动系统效率降低。干式双离合器相对于湿式双离合器,干式双离合器结构简单,分离彻底、空转时滑摩功率损失较小,不需要液压系统,因此具有较高的传动效率。但其轴向尺寸较大,摩擦片表面压力分布不均匀、控制性差,结合点受温度和滑磨量的影响且随之变化。双离合器自动变速器采用湿式还是干式,一直都是技术领域争论的主要话题。以图为离合器选型参考依据,本文中选择干式双离合器作为研究对象。负载指数运动型赛车皮夤多功能越野车巾档轿车小犁轿车能力指数图依据负载指数和能力指数选择离合器双离合器工作特性湿式双离合器的冷却方式是油冷,其受产热速度的影响,但不受产热总量约束,因此适应于压力缓慢变化的过程。在滑摩过程中,摩擦片上产生的大部分热量被循环的冷却油带走,从而保证离合器始终在良好的工作状态中运行。湿式双离合器滑摩功特性如图所示。由于使用液压油进行冷却,所以起步时打滑时间可以增长,并且高挡起步时也不会发生烧损衬面现象,相比干式离合器寿山蕊干式湿式图干式与湿式离合器滑摩功命延长了至倍。但湿式离合器摩擦片与对偶钢片均较薄,摩擦表面瞬时温度双离合器特性分析与干式双离合器结构设计增加过大或温度分布不平衡时将产生烧蚀或翘曲现象。相对于湿式双离合器,干式双离合器的压盘和飞轮的热容量大,不受摩擦生热的速度限制,但由于其主要是通过风冷和热传导方式散热,在较短时中无法。其滑摩功特性如图所示。实现良好散热,因此对摩擦产热总量有要求【此外,由于摩擦片安装于离合器内部,自然风冷散热条件更差,因此设计的离合器能够最大程度的散热是汽车设计师追求的目标。干式双离合器摩擦元件材料特性离合器摩擦材料是一种由多种材料共同组成的复合材料,主要包括高分子粘结剂树脂和橡胶等、增强纤维和摩擦性能调节剂。离合器的摩擦主要是指主、从动盘之间的摩擦,为了充分发挥离合器的功能,保证汽车稳定运行,摩擦元件应当具有以下综合性能:工作过程中应有较大的摩擦系数,而且摩擦材料在使用中性能稳定,不会有大的热衰退现象发生。应具备较小转动惯量且易于加工,工作过程中能够保证材料在高转速、大离心力载荷下不受到任何损坏。能承受较大的压紧力,分离结合时不会频繁出现抖动现象,且在传递发动机扭矩过程中能够承受较大的剪切力。『常工作条件下,摩擦片、压盘和飞轮构成的摩擦副之问应具有良好的摩擦兼容性能。吸热能力和耐高温性能好,有较高的耐磨性能。采用不同摩擦材料的离合器将具有不同的摩擦性能,下面是几种常用的摩擦。材料‘石棉有机摩擦材料随着王贝代汽车性能的提高,车速也越来越高,起步和换挡时离合器摩擦元件表面温度瞬时可达。~。。而石棉材料的导热与耐热性能相对较差,在。~。时会发生结晶水散失现象,甚至使材料变质,磨损加剧,进一步产生“热衰退”现象。同时石棉粉末还会对环境造成影响,因此石棉摩擦材料已经不再适合于当今汽车工业技术发展的需要。然而,现在还没有一种能够完全替代它的摩擦木才料,加之其他材料价格偏高、性能不稳定,所以在发展中国家石棉摩擦材料还在继续使用。半》属摩擦材料。以下时,半金属摩擦材料摩擦系数相对稳定,并且没有“热衰退”现象,热稳定性较好耐磨性好,相对于石棉材料寿命提高了至倍吸热和传热性能良好,可以有效地改善摩擦材料表面温度离合器结合与分离时噪音很小,对重庆大学硕十学位论文环境污染相对减小。但半金属摩擦材料易生锈,产生粘着或损坏对偶零件现象,导致材料原有的物理化学性能发生改变由于导热性好,当温度超过。时,摩擦材料和钢基板之间粘结剂不始分解,与此同时,温度差会产生摩擦热应力甚至导致材料剥落在减少高频噪音的同时也产生了低频噪声。非石棉摩擦材料及混杂摩擦材料目前,对石棉的替代品的研究越来越多的集中在非石棉摩擦材料方面。除钢纤维外,更多的研发集中在玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维以及使用以上三种纤维。所得到的混杂纤维【玻璃纤维是性能优异的无机非金属材料,具有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性强,机械强度高的优点,但缺点是性脆,耐磨性较差。碳纤维不仅拥有碳材料的本质特性,而且拥有纺织纤维易加工的属性。其在任何有机溶剂、酸以及碱中都不会发生变化,抗蚀性能非常强。芳纶纤维机械强度高,高温时稳定性好,耐腐蚀、有韧性、收缩率小、耐磨性好、表面积大,能很好的与其它物质相结合。同时具有较好的回弹性能和密封性能,不会对人体和环境造成任何伤害。粉末冶金金属摩擦材料与传统的石棉和金属摩擦材料相比,粉末冶金金属摩擦材料具有高的摩擦系数且受温度、压力和速度影响相对较小,高温和抗咬合性能好,不易磨损,使用寿命长。但其价格、制造工艺要求和摩擦时噪音都较高,并且对偶摩擦件的磨损严重,所以其只适用于某些特殊场合,而较少在汽车摩擦元件中大量使用。对上述四种摩擦材料进行分析得到其性能和应用情况,如表所示。表摩擦材料性能利应用双离合器特性分析与干式双离合器结构设计通常情况下按照磨损的破坏机理,材料磨损可以分成五类:粘着磨损、磨料磨损、表面:疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损‘】。离合器摩擦副的材料是复合型的,它的磨损情况将呈现出多种形式。不同摩擦材料的磨损量随温度的变化特性不同,但总的趋势是随温度的升高而增大,如图所示。三专:骚螯温度图离合器摩擦材料磨损量随温度变化趋势’从图中观察可知,石棉材料磨损量对温度最敏感,而粉末冶金材料随温度变化而呈现出先降低后升高的趋势,特别是在左右时磨损率相对最低,其余两中摩擦材料变化趋势与石棉材料相似。干式双离合器结构设计根据离合器在非工作状态时压盘和摩擦片之间有无压紧力关系,可以将离合器分为常不式和常闭式两种类型。根据工作原理,运行过程中存在预挂档工况,如果采用常闭式离合器,一旦执行机构出现故障则可能出现两个离合器同时结合,导致变速器挂双挡干涉现象,这种情况对行驶中的车辆是非常危险的。此外,常闭式离合器膜片弹簧存在预紧力,摩擦片与压盘始终保持压紧状态,但随着摩擦元件磨损,预紧力将发生变化。相对于常闭式离合器,在非工作条件下,常不式离合器摩擦片和压盘保持分离状态,因此可以在离合器结合之前对摩擦元件的磨损进行补偿,此种方法可控制性较强,所以本文干式双离合器采用常开式结构,其总体结构设计图如图所示。当离合器工作时,执行机构推动结合轴承向左移动,两离合器处于结合过程。执行机构施加于分离轴承的力经膜片弹簧作用在压盘上,从而压紧摩擦片以传递发动机转矢:。通过改变执行机构行程,改变压盘和摩擦片之间的压力,实现摩擦重庆人学硕学位论文片压紧力的控制。当撤去执行机构的作用力时,在膜片弹簧恢复力的作用下,结合轴承向右移动,实现压盘和摩擦片的分离、传递转矩的中断。当离合器处于非工作状态时,传力片的恢复力使压盘和摩擦片保持分离,保证了非工作状态时离合器处于常不式。离合器盖,离合器膜片弹簧,离合器膜片弹簧,离合器从动盘毂,离合器减震器,膜片弹簧支撑点,离合器连接螺栓,中间乜轮,离合器摩擦片,离合器’压盘,离合器从动盘毂,离合器衬片弹簧,离合器衬片弹簧,离合器压盘,离合器摩擦片,离合器盖。图干式双离合器总体结构设计图摩擦片结构设计在离合器设计时,摩擦片外径尺寸是十分重要的参数,它决定着离合器轮廓尺寸、质量以及使用寿命。摩擦片材料确定后,选取发动机最大输出扭矩为乘用车后备系数一般是~,本文计算选为摩擦片内外径之比一般是~,本文计算选为摩擦因数一般是~,本文计算选为:粉末冶金材料摩擦片单位压力一般是~,本文计算选为,其工作压紧力由计算得到为。根据以上参数可估算摩擦片外径:双离合器特性分析与干式双离合器结构设计式中:一一摩擦片外径乙。、发动机最大输出扭矩‖一一离合器后备系数厂’一一摩擦面静摩擦因数。一一摩擦片单位压紧力一一摩擦面数一一摩擦片内、外径之比。根据摩擦片内、外径比计算可知内径。。通过上述初步计算并参考标准,选取摩擦片整体尺寸:外径。:,内,厚度矗径。。摩擦片结构设计图如下:图摩擦片二维结构设计图压盘结构设计根据参考文献中离合器设计要求和离合器摩擦实验国家标准,离合器结合过程中压盘温升应小于。,温升计算公式如下::坐式中:一一压盘的质量一一传给压盘的热量比例‖一一压盘摩擦表面滑摩功一一压盘材料的比热容。滑摩功计算公式如下:重庆人学硕十学位论文:二墼,二‘乇一式中:”。发动机起步时转速。整车整备质量埏,车轮滚动半径,离合器传动效率。、主减速器与二挡传动比。根据长安某款车型可知,发动机起步时转速。,整车整备质量,车轮半径,,离合器传动效率卵,主减速器和二挡传动比分别是和,将上述参数带入式得,,:生旦旦:兰兰三垒挲:。二本文中传给压盘的热量比例值取为,压盘采用铸铁材料,其比热容值为,将上述两个参数与式结果带入式得,一::竺。一由压盘温升丁。可得压盘质量。根据摩擦片尺寸,设计所,计算可知其质量得压盘外径,,内径,,厚度忍,,因此压盘满足温升要求。为了保证离合器散热性能,压盘设计尺寸应偏大,其轴向转动惯量一。根据同样方法得到压盘设计,内径,,厚度,,质量参数,压盘外径为,,轴向转动惯量~。两压盘结构设计图如下:离合器压盘离合器压盘图压盘三维结构设计图。双离合器特性分析与干式双离合器结构设计中间飞轮结构设计在双离合器工作过程中,中、白飞轮两侧表面均为摩擦面。由于中间飞轮与压盘采用的材料相同但质量较大,因此中、白飞轮将吸收更多的热量。与压盘设计思想相同,要求温升丁。由压盘摩擦产生的热能值可知,中间飞轮两侧同时。根据摩擦片设计参数,计算得中间飞轮最大摩擦时所吸收的热量最高为,,最大轴向尺寸:径向尺寸,,最小径向尺寸。,飞轮轴向转动惯量,。~。代入式得:质量聊。丁::兰:。’因此,中问飞轮设计尺寸满足温升要求,其结构设计图如下所示:图中间匕轮二维结构设计图膜片弹簧结构设计假设膜片弹簧工作时,其子午断面刚性地绕此断面上的某中性点转动。执行机构通过压盘和支承环施加于膜片弹簧的压力尸集中作用在支承点上,如图所示。加载点位移与膜片弹簧弹性特性关系如下:卅俨悉筹陋卅一扣为材料式中为材料弹性模量,通常情况下选择钢材料,其值为泊松比,一般为。重庆大学硕学何论文图常开式离合器膜片弹簧受力变形图图中:、尸、只分别膜片弹簧大端外缘处支撑环支撑力、离合器压盘压紧力反力以及作用在膜片弹簧接合指处的接合轴承推力旯。、九、五分别为自由行程下与压盘接触处碟簧轴向变形、接合指轴向变形以及压紧状态下的接合指轴向变形,、三分别为压盘加载点和支承环加载点半径、分别为自由状态下碟簧部分大、小半径膜片弹簧自由状态下碟簧部分的内截锥高度膜片弹簧钢板厚度务,膜片弹簧小端槽宽疹膜片弹簧窗孔槽宽如窗孑内半径。自由状态时碟簧部分的内锥高与钢板厚度之间的比值对膜片弹簧弹性特性影响非常大。膜片弹簧弹性特性曲线简图如下所示。双离合器特性分析与干式双离合器结构设计图膜片弹簧弹性特性曲线由图可知,选取不同的值时,膜片弹簧上产生的压紧力变化趋势不同。当值为时,存在极值,且恰好在曲线变化的拐点。与传统常闭式离合器不同,常不式离合器中的膜片弹簧主要起到结合杠杆的作用,要求结合时能将压力传递到压盘上,分离时能使压盘与结合轴承回位。因此,干式双离合器膜片弹簧必须有较强的杠杆特性,保证分离指部分有足够的刚度,而不是仅仅突显碟簧部分的非线性特性。与此同时,应减少碟簧刚度从而减小结合轴承上的压紧力。本文为保证所需压紧力以及便于离合器控制,剧办选取的值略小于。,本文中两膜片弹簧厚度均取。根膜片弹簧的钢板厚度一般为~据离合器结构布置和压紧力的要求,自由状态下碟簧部分大、小半径比一般为~,推式结构的膜片弹簧月取值应大于摩擦片半径。经计算可得:膜片弹,内半径一,大端支点,,支撑点半径簧外半径足,内截锥角口,。。,,小端加载点半径,,,,小端半径‘,由于膜片弹簧位置特殊,剧办值大于,对各参数进行调整得:膜片弹簧外,支撑点半径半径,:,内半径‘,大端加载点。,,小端加载点半径,,小端半径巧,,内截锥角。。根据上述参数得膜片弹簧结构设计图,如图所示。重庆人学硕十学位论文一膜片弹簧膜片弹簧幽膜片弹簧结构设计三维图在离合器结构设计时,设定摩擦片和压盘之问的问隙为,摩擦片压紧时膜片弹簧小端的位移分别是和,计算得压盘的最大行程分别是和。根据杠杆比可得离合器结合时膜片弹簧小端的最大行程分别是型,和以:,由公式可以求得分离轴承克服膜片弹簧变形所需的作用力,分别是和。当离合器完全结合时,由离合器传递转矩等于发动机输出转矩可以计算摩擦片上所受的压紧力为,再通过杠杆比得到两膜片弹簧上的作用力分别是。和根据上述离合器结合过程可知,分离轴承施加于膜片弹簧小端的最大作用力。分别是。胁。和枷假设在压盘压紧阶段两膜片弹簧小端的最大变形量分别是和以,则根据悬臂梁力学理论得到变形量与作用力之间的关系:爿扯』爱。万屈其中,牛三等号号吉号一等,一毒一号,毒纠一志压叫一南将膜片弹簧小端的最大作用力。胁,和:抛代入公式计算可得膜片弹。簧小端的最大变形量,《和砭双离合量堑堡坌堑兰王壅翌塞盒墅坌丝堡生一。因此,由膜片弹簧小端的两部分变形量可得分离轴承在离合器结合过程中最。大行程是:和如根据摩擦片、压盘、中间飞轮和膜片弹簧的设计参数,并考虑整体设计尺寸得到离合器盖、挚片等结构尺寸,进而得到双离合器整体设计图。图为本文设计的干式双离合器的结构图。图干式双离合器结构图本章小、结本章介绍了双离合器的结构形式,对比分析了干式离合器和湿式离合器的结构特点分析了在换挡和起步过程中干式双离合器的工作特性、膜片弹簧弹性特性和摩擦元件温度特性设计了干式双离合器结构方案和总体尺寸,完成了对其主要元件摩擦片、压盘、中间飞轮和膜片弹簧的结构设计,并分析了膜片弹簧力学性能。重庆人学硕十学位论文干式双离合器传递转矩控制分析干式双离合器传递转矩控制分析双离合器传递转矩的控制是在各个控制单元联合协调控制下完成的,其最终目的是在任何环境下,起步和换挡过程时能够实现驾驶员意图,并能保证车辆的舒适性和动力性。与传统变速器相同,在起步和换挡时离合器传递的转矩也要受到多种因素的影响,且由于结构和执行机构相对复杂,从而增加了离合器传递转矩的控制难度。因此,制定精确的双离合器传递转矩控制策略,对汽车控制具有极其重要的现实意义。离合器传递转矩的影响因素干式双离合器在结合过程中靠摩擦传递转矩,摩擦转矩在离合器工作过程中是不断变化的。由离合器传递动态转矩的计算公式可知,影响动态转矩的因素主要有膜片弹簧压紧力、相对滑动速度、温度和磨损量等。瓦,,二誓七肿一刖坝菇瓦器,,。’兰其中,门,,三。一。式中:‖,离合器摩擦片动态摩擦系数:,一一摩擦片滑摩的速度矿川离合器摩擦片的外、内半径离合器压盘压紧力一一摩擦片面数。一一静态摩擦力矩。一【。离合器转速和转矩、’一一摩擦片表面温度函数哆一一发动机转速~一取或,以为时为离合器参数聆为为是离合器参数。离合器转速差嘿一婢,,对其传递的动态转矩有至关重要作用,随转速差由大到小变化,乱’态转矩也是一个渐变的过程,其主要取决于『压力当转速差很小直至为零时,离合器传递转矩主要取决于输入转矩。重庆大学硕学位论文膜片弹簧压紧力相对于常闭式结构的离合器,常不式结构能够在执行机构失效的情况下及时分离离合器,从而保证车辆行驶的安全性。由于干式双离合器结构工作的特点,导致其膜片弹簧工作特性与普通膜片弹簧不同。普通膜片弹簧固定支点在中问,离合器随小端压紧而分离,常不式结构的膜片弹簧的固定支点在碟簧缘上,小端压紧时离合器结合。根据文献并图可知,离合器的膜片弹簧在工作时可分为自由状态、空行程和压紧状态。在空行程期间膜片弹簧受力和小端变形之间关系满足碟簧的公式。假设在空行程阶段膜片弹簧发生的变形可以忽略不计,固定支点处所受的集中力与加载点位移以之间的关系如下:卜似,器器陋一九等肥一鲁等,七,离合器工作在空行程阶段时,固定支点处所受的压力与作用于膜片弹簧半径为处载荷只’的关系为:一,。只上‘三一,膜片弹簧与压盘接触点,处的位移量丑与矗之问的关系为:一,。‘九吾因此,只’与无之间的关系如下:觚,器揣陋一凡等肥一每等川,七,当离合器空行程消除后进入压紧状态时压盘的位移很小,膜片弹簧碟簧部分变形量较小,因此可以忽略不计。当膜片弹簧小端发生变形时,压盘压紧力与膜片弹簧小端的结合指力增量之问的关系如下:三一,三一,其中,旯一膜片弹簧上的』下压力的大小与膜片弹簧的压缩量成非线性关系,公式如下:刖,协,一高等旧一九等肥一鲁等鲁七,根据上述分析可知,在消除离合器空行程之前『压力为零,因此上述公式应用的条件是:膜片弹簧小端的位移五大于以时正压力值为正。由式可知,影响离合器压紧力的主要因素是膜片弹簧的尺寸和小端的位移量力,当设计尺寸已定时,压紧力只与膜片弹簧小端的位移量允有关。因此,干式双离合器传递转矩控制分析位移和结合速度直接关系着压紧力的变化规律,进而影响离合器传递转矩的变化。同时可以通过修改膜片弹簧尺寸的方式,改变膜片弹簧弹性特性曲线如图,从而得到所薷的膜片弹簧。图为本文设计的双离合器结合轴承推力随结合指位移变化情况,,接合指位移接合指化移五离合器膜片弹簧离合器膜片弹簧图结合轴承推力与结合指位移关系摩擦系数滑摩速度对摩擦系数的影响动态摩擦系数随滑摩速度的增大而增大,当达到某一极限值后会随速度的增大而减小,而且摩擦材料的刚度和载荷对摩擦系数极大值发生的位置有一定的影响。参考文献可知,摩擦副表面动态摩擦系数计算公式:鳓口“。式中:“一一相对滑动速度、弓、、由材料和施加载荷所决定的经验常数。某一典型材料摩擦时,,,,计算得动态摩擦系数‖。与相对滑动速度“之间的关系,如图所示。重庆大学硕学位论文燕垛鳖受始奄幽动态摩擦系数心与相对滑动速度的关系“‖温度对摩擦系数的影响离合器在结合过程中实质上是一个能量转换或交换器,其中一部分能量驱动汽车行驶,另一部分由于摩擦转化成热能,使摩擦片表面温度升高,从而改变了材料的性能‘钔。因此,温度对离合器摩擦片动态摩擦系数的影响至关重要。在式中没有考虑温度对动态摩擦系数的影响,文献~提出动态摩擦系数与温度和相对滑动速度之间的关系式为:,盯一“‘式中:温度决定的常数。离合器结合分离过程中摩擦片表面温度计算公式如下:仃:掣允、“其中,。一。胆。一允五式中:傅罩叶系数,与有关热量分配系数‖滑摩功摩擦昌表面积。滑摩时间、压盘和摩擦片的代表符号材料参与吸热的有效厚度离合器结合时摩擦转矩,滑摩功和滑摩功率的无因次参数、离合器从动轴和发动机曲轴角速度:干式双离合器传递转矩控制分析‘一一从离合器滑磨开始至从动轴角速度等于发动机角速度的时间旯、、,,材料的热导系数、比热容和密度。考虑动态摩擦系数受温度和相对滑摩速度共同影响,当滑动摩擦时问为时,计算得动态摩擦系数变化曲线,如图所示。蠹垛鲑登桶奄图动态摩擦系数鳓与相对滑动速度‖磨损量离合器工作时其摩擦元件的磨损量不是线性增加的,而是随摩擦速度、温度和压紧力的变化而变化。由于目前磨损量还没有一个统一的计算公式,在磨损量的计算上只能采用假设磨损机制模型或者通过试验的方法提炼经验公式,但这些很难满足工程实践的需要。参考文献~,本文选取比较典型的计算公式::倥矿厂式中:一材料磨损量一一接触面下压力一一相对摩擦速度一一相对摩擦时问、、、广常数。在离合器工作过程中,由于摩擦元件的磨损,导致膜片弹簧在变形量相同的情况下产生的压紧力不同。图为离合器摩擦元件磨损时,在压紧力相同条件下结合轴承推力变化情况。重庆人学硕学位论文见图磨损对轴承推力影响由图可知,当离合器磨损时,在压盘与摩擦片之间的压紧力不变的条件下需要增大结合轴承推力,从而导致执行机构位移增加。如果执行机构控制策略不变,磨损将导致离合器传递扭矩减少。因此,在对离合器控制时应当对磨损量进行补偿,实时动态的改变离合器执行机构的运动位移和速度。干式双离合器转速转矩控制干式双离合器转速转矩的控制是控制的核心和重点,本文针对汽车起步和换挡时双离合器传递转速转矩控制进行分析。在双离合器联合起步过程中控制的目标是:起步时不仅要求车辆平稳起步无冲击,而且要求滑摩功小保证离合器使用寿命。前者要求滑摩时问长后者要求时间短,两者的相互矛盾给两离合器最佳结合与分离规律的制定带来难度。在换挡过程中离合器结合量和结合速度控制时序,影响两离合器传递转矩的重叠度。两离合器转矩重叠不足将导致发动机空转汽车动力中断,车辆加速性能变差,而重叠过度将导致离合器循环功率较大,传递扭矩振荡加剧,严重时可引起挡位锁死。因此,干式双离合器转速转矩的精确控制是汽车中最重要的控制之一。起步过程转矩控制车辆起步存在两种起步方式:单离合器起步和双离合器联合起步。对于单离合器起步,由于只有一个离合器参与起步,变速器传动效率较大,其起步动力性较好,起步较快,但离合器上产生的滑摩功较大、温升较高,严重时可能造成摩擦片烧蚀,影响离合器使用寿命。相对于单离合器起步,在双离合器联合起步时,由于辅助离合器可以承担一部分发动机输出转矩,因此有效的减少了单个离合器上产生的滑摩功,进而提高了两离合器使用寿命。并且随着电子技术的发展,通过两离合器协调控制,能够实现汽车在起步过程中具有良好的动力性和经济性。干式双离合器传递转矩控制分析因此,本文将双离合器联合起步过程作为研究目标。模糊控制非常适用于像离合器这种难以建立精确数学模型的系统的控制。然而,要改善模糊控制的精度、性能以及跟踪性,会大大增加控制规则数和系统的计算量,并且也会加大对比例因子和量化因子调试的困难,甚至不能满足实时控制的要求。因此,本文对车辆起步过程的分析主要是针对基于发动机恒转速控制策略的双离合器联合起步控制方式,此种控制方式不仅能提高车辆起步时的动力性,而且能够降低由发动机转速波动而引起的整车震动与噪声【。基于发动机恒转速控制策略的双离合器联合起步控制过程如图所示。一一皇一巨一譬划爿如竹巨巨弘一一吡姬链时问图基丁发动机恒转速控制策略时离合器起步控制当以二挡完成起步过程时,由于在离合器,分离后离合器还要经历较长时问才能完成同步过程,因此在起步开始阶段离合器应传递更多转矩,从而使离合器上产生的滑摩功能够得到平衡当起步过程以一挡完成时,在起步开始阶段两离合器传递转矩相同。双离合器联合起步控制过程包括以下几个阶段:‘~阶段,离合器以最大速度消除空行程结合至半结合点,同时发动机转速上升至目标转速。,~阶段,车辆不始起步,在保证离合器冲击度在限定值以内的前提下,将离合器结合至辅助目标行程,同时维持发动机转速等于目标转速。,~。阶段,离合器行程维持在辅助目标行程,发动机转速维持在目标转速直至离合器滑转率达到所设定的阈值。。~阶段,当

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