基于AMESim的汽車無級變速器濕式離合器的系統(tǒng)仿真

程 越

（寧波大紅鷹學(xué)院，寧波 315175）

0 引言

汽車金屬帶式無級變速器——CVT是當(dāng)代最先進的汽車變速器之一，CVT使發(fā)動機輸出功率和路面行駛阻力達(dá)到動態(tài)匹配，可以使發(fā)動機在最經(jīng)濟的區(qū)域工作，與自動變速器相比顯示出驚人的節(jié)油效果，成為取代AT的最佳的傳動形式，CVT通過自動連續(xù)改變速比，可實現(xiàn)發(fā)動機——變速器——道路載荷的最佳匹配，使車輛具有最佳燃油經(jīng)濟性和動力性。本文利用AMESim的仿真環(huán)境建立濕式離合器的仿真模型，對離合器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真研究，設(shè)置了離合器各部件參數(shù)，得到離合器的工作曲線，為離合器的多樣化設(shè)計提供了依據(jù)。

1 汽車離合器的功用與分類

離合器是汽車傳動系中直接與發(fā)動機連接的部件，起著保證汽車平穩(wěn)起步、傳動系換擋時工作平順和防止系統(tǒng)過載的重要任務(wù)。離合器的工作原理為離合器的主動部分和從動部分借接觸面間的摩擦作用，或是用液體作為傳動介質(zhì)(液力偶合器)，或是用磁力傳動(電磁離合器)來傳遞轉(zhuǎn)矩，使兩者之間可以暫時分離，又可逐漸接合，在傳動過程中又允許兩部分相互轉(zhuǎn)動。

汽車離合器有摩擦式離合器、液力變矩器(液力偶合器)、電磁離合器等幾種。摩擦式離合器

又分為濕式和干式兩種。目前用于汽車無級變速器的起步裝置主要有液力變矩器、電磁離合器以及濕式多片離合器；而濕式多片離合器以成本低、結(jié)構(gòu)簡單、控制容易等優(yōu)點在汽車無級變速器上得到了廣泛應(yīng)用。

2 AMESim 軟件簡介

AMESim （ Advanced Modeling Environment forperforming Simulations of engineering systems）軟件是由法國IMAGINE公司推出的綜合系統(tǒng)仿真軟件。主要用于工程系統(tǒng)的建模、仿真和動態(tài)性能分析，并且具有完全圖形界面，仿真功能強大。根據(jù)流體、機械、控制、電磁等不同專業(yè)領(lǐng)域的結(jié)合，為汽車、液壓及航天航空等工行研發(fā)部門提供了完善的仿真環(huán)境。

AMESim的主要特點是采用圖形化的物理建模方式，用戶不用建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，直接面對圖形用戶界面進行仿真模型的擴充或改變；該軟件的仿真范圍廣泛，實現(xiàn)了多學(xué)科領(lǐng)域的建模和住址。具有數(shù)學(xué)方程式、方塊圖級、基本元素級和元件級四個層次的建模模式；具有動態(tài)仿真、穩(wěn)態(tài)仿真、間斷仿真、連續(xù)仿真和批處理仿真多種仿真運行模式。另外AMESim還提供與ADAMS、MATLAB等軟件的接口，通過與這些軟件的聯(lián)合以進行更復(fù)雜的混合領(lǐng)域仿真，為用戶提供了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和圖形化的二次開發(fā)平臺。

3 汽車無級變速器的濕式多片離合器數(shù)學(xué)建模

本文的仿真對象是某汽車制造廠家研制的汽車金屬帶式無級變速器。主要對無級變速器的濕式多片離合器進行分析和仿真。

3.1 離合器建模的相關(guān)理論

離合器主、從動片間傳遞的摩擦力矩是由離合器主、從動摩擦片間的正壓力確定的。而對該壓力的控制是通過對液壓缸進行控制來實現(xiàn)。某汽車生產(chǎn)廠無級變速器的倒檔離合器機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于三通閥控制差動液壓缸常用作機液位置系統(tǒng)的動力元件；根據(jù)壓力控制閥的工作原理，液壓缸控制腔的流量連續(xù)性方程為：

式中：Pc為液壓缸控制腔的控制壓力；Cip為液壓缸內(nèi)部泄漏系數(shù)；Ah為液壓缸控制腔的活塞面積；Vc為液壓缸控制腔的容積。

式中：V0為液壓缸控制腔的初始容積。

假定活塞位移量小，即 =V0，則Vc?V0。液壓缸控制腔的流量連續(xù)性方程可以轉(zhuǎn)化為

其增量的拉普拉斯變換式為

液壓缸的活塞和負(fù)載的力平衡方程為：

式中：Pc為液壓缸控制腔的控制壓力；Ps為供油壓力；Ar為活塞桿側(cè)的活塞有效面積；mt為活塞和負(fù)載的總質(zhì)量；xp離合器液壓缸活塞回位膜片彈簧的位移；Bp為黏性阻尼系數(shù)；K為負(fù)載彈簧剛度；FL為任意外負(fù)載力。

其增量的拉普拉斯變換式為

3.2 離合器軟件仿真分析

汽車無級變速器的濕式多片離合器是根據(jù)液壓控制回路原理建立了該液壓回路的簡化力學(xué)模型。在AMESim軟件的參數(shù)模式當(dāng)中，將離合器內(nèi)的各類模型參數(shù)化，對液壓缸、缸徑、活塞桿徑、行程、粘滯摩擦系數(shù)等，包括液壓油的類型等參數(shù)都均以參數(shù)形式確定，本文根據(jù)實際研發(fā)產(chǎn)品的模型尺寸以及研發(fā)過程的實驗數(shù)據(jù)進行輸入數(shù)據(jù)。

打開 AMESim軟件，在Sketch 模式下，調(diào)用液壓庫、液壓元件設(shè)計庫、機械庫、汽車傳動庫、信號庫建立如圖2所示的離合器系統(tǒng)模型，通過輸入信號控制液壓泵和電磁閥的開度，從而控制離合器的液壓缸的壓力大小。點擊submodel 模式按鈕，為每個元件選擇所需要的最簡單的子模型。

進入?yún)?shù)模式，對仿真模型中每個元件設(shè)置所需要的參數(shù)。液壓缸參數(shù)設(shè)置為外徑136mm，內(nèi)徑為104mm，液壓缸彈簧剛度為1000 N/mm，活塞重量0.7kg；離合器摩擦片數(shù)量為6片，離合器片外徑為50 mm，內(nèi)徑為35 mm，庫侖摩擦系數(shù)為0.1，離合器阻尼比為0.25。

圖1 倒檔離合器結(jié)構(gòu)圖

圖2 汽車離合器AMESim仿真模型圖

設(shè)置仿真結(jié)束時間為10s，通信間隔時間為0.1 s，傳真結(jié)果如下：

1）圖3為離合器液壓缸輸入壓力、變形體積及移動距離仿真圖，從圖中可以看出：電磁閥輸入電流與流動面積呈正比，響應(yīng)時間較快。液壓缸輸入壓力與電磁閥輸入信號大小有關(guān)，液壓缸變化體積在1.9S趨于穩(wěn)定，活塞移動位移量也趨于穩(wěn)定。

圖3 離合器液壓缸輸入壓力、變形體積及移動距離仿真圖

2）圖4為汽車離合器輸入軸轉(zhuǎn)速及控制信號仿真圖，離合器輸入信號隨電磁閥開度變化而變化，0~2S離合器液壓缸內(nèi)壓力增大，離合器控制信號跟隨增大，通過離合器內(nèi)部阻尼作用（阻尼信號仿真信號圖形如圖5所示），輸入轉(zhuǎn)速在2S后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，輸出轉(zhuǎn)速同時從0達(dá)到－792rev/min穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。液壓缸活塞運動速率與電磁閥輸入信號一致，電磁閥反應(yīng)靈敏，部分工作時間內(nèi)存在波動。

圖4 汽車離合器輸入軸轉(zhuǎn)速及控制信號仿真圖

圖5 汽車離合器內(nèi)部阻尼信號仿真圖

4 結(jié)論

1）利用AMESIM 軟件的強大功能，對汽車無級變速器的離合器系統(tǒng)進行建摸，合理參數(shù)設(shè)置和仿真，得出較為理想的液壓缸位移仿真曲線、離合器控制信號仿真曲線及液壓缸活塞位移、壓力、變形體積等仿真曲線。

2）根據(jù)汽車生產(chǎn)制造廠的離合器實際參數(shù)設(shè)置，仿真了離合器工作過程，其中仿真回位彈簧力與實際設(shè)計參數(shù)一致，比較分析了改變元件參數(shù)對仿真曲線的影響。