油液溫度對(duì)濕式離合器充油特性的影響研究

， 　， 　， ， (.北京理工大學(xué) 車輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　0008； .江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司， 湖南 湘潭　400)

引言

濕式離合器是車輛中的重要部件，對(duì)車輛的起步和換擋過程都起著重要的作用，近年來隨著雙離合器式自動(dòng)變速器的發(fā)展，離合器接合的準(zhǔn)確性更是至關(guān)重要[1]。

關(guān)于離合器的充油特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一些相關(guān)的研究。馮能蓮[2]分析了摩擦片間隙和充油道直徑的影響，建模過程也未考慮管路液阻液容。張靜[3]分析了蓄能器對(duì)充油特性的影響。鄒綿意分析了油液含氣量對(duì)濕式離合器充油特性的影響。

本研究在考慮油道液阻、液感以及外嚙合齒輪式液壓泵容積效率、油液可壓縮性的條件下，在MATLAB/Simulink中建立了某履帶式裝甲車輛的濕式離合器充油系統(tǒng)仿真模型，分析了不同油液溫度對(duì)離合器充油特性的影響。

1　離合器充油系統(tǒng)建模

離合器的充油系統(tǒng)主要由液壓泵、溢流閥、電液開關(guān)閥、離合器幾部分構(gòu)成，齒輪泵旋轉(zhuǎn)提供壓力油，通過控制開關(guān)閥改變節(jié)流面積，進(jìn)而改變流入離合器活塞腔的壓力和流量，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

對(duì)于上述液壓系統(tǒng)，液壓泵為定量泵，且轉(zhuǎn)速保持不變，因此泵的輸出流量為定值，考慮管道容腔液容且忽略管道內(nèi)泄漏時(shí)，根據(jù)液體的連續(xù)性，可得：

Qp=Qc+Qv+Qy

(1)

式中：Qp為液壓泵輸出流量；Qc為離合器充油流量；Qv為溢流閥流量；Qy為管道容腔由液壓縮引起的變化。

圖1　離合器充油系統(tǒng)圖

其中，當(dāng)主油路油壓為ps時(shí)：

(2)

式中：Vy為管道容腔的容積，βe為純液壓油的容積彈性模量，忽略油液中的含氣影響[4]。

β=βmax(1-e-0.4-2e-2p)

(3)

式中：βmax為油液最大體積彈性模量，1700 MPa。

1.1　液壓泵

采用的供油泵為定排量液壓泵，其流量方程為：

Qp=npVpη

(4)

式中：np為液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速；Vp為液壓泵排量；η為液壓泵容積效率。

其中，η的計(jì)算通過修正如下式[5]：

(5)

式中：Cs、Cst為分別為液壓泵的層流泄漏系數(shù)和紊流泄漏系數(shù)，分別取值為Cs=1.05×10-8，Cst=0；x為液壓泵的變量系數(shù)，表示工作排量占最大排量的百分比，對(duì)于定量泵，則x=1；β為液壓油的彈性模量；Δp為液壓泵進(jìn)出口壓差；S、σ為無量綱參數(shù)，且：

(6)

(7)

式中：μ、ρ為分別為液壓油動(dòng)力黏度和密度，ωp為液壓泵角速度，Vmax為液壓泵最大排量。

1.2　溢流閥模型

選用錐閥式直動(dòng)式溢流閥，當(dāng)系統(tǒng)的壓力超過溢流壓力時(shí)開始溢流，其他時(shí)間閥關(guān)閉。按照薄壁節(jié)流小孔計(jì)算，因此可得：

當(dāng)ps

當(dāng)ps≥pk時(shí)：

(8)

式中：pk為安全閥開啟壓力，取值一般大于調(diào)定壓力的90%，取pk=1.35 MPa；Cd為閥口流量系數(shù)，取0.62；d3為閥口平均直徑，6.3 mm；α為閥芯半錐角，90°；x為閥口開度，在不考慮慣性力與阻尼力的情況下，閥口開度為：

(9)

式中：k為安全閥彈簧剛度，12.920 N/mm。

1.3　離合器模型

根據(jù)離合器活塞的受力，忽略活塞密封圈的摩擦力，則動(dòng)力學(xué)方程為：

(10)

式中：Fω為油液離心力產(chǎn)生的動(dòng)壓力。

(11)

式中：αw為滯后系數(shù)，一般取0.8～0.95[6]；R1、R2為離合器油缸活塞的內(nèi)、外半徑；ω為離合器油缸的旋轉(zhuǎn)速度，靜態(tài)時(shí)為0；mc為活塞等效質(zhì)量；cc為阻尼系數(shù)；ks為回位彈簧剛度；λ0為彈簧初始?jí)嚎s量。

進(jìn)入離合器油缸中的流量與油壓的關(guān)系如下式：

(12)

式中：Q1為卸壓孔流量，在低速下旋轉(zhuǎn)油壓相對(duì)于控制油壓比重較小，予以忽略。計(jì)算如式(13)：

(13)

式中：d2為卸壓孔直徑；μ為油液的動(dòng)力黏度；L2為泄壓孔長(zhǎng)度。

1.4　油道的液阻、液感

忽略油道內(nèi)的泄漏，考慮油道的液阻液感對(duì)油壓的影響，則：

(14)

式中：

液感：

(15)

液阻：

(16)

式中：d為油道直徑；l為油道長(zhǎng)度；μ、ρ為油液動(dòng)力黏度和密度；pR為閥的出口油壓。

1.5　換擋閥

換擋閥采用電磁開關(guān)閥，通過控制電流的通斷大小來改變節(jié)流口的大小，這里我們將開口面積固定為閥的最大開口值，根據(jù)閥口流量公式，則有：

(17)

式中：Cd為閥口流量系數(shù)，為0.62；Ax為閥開口面積，為39.3 mm2。

2　仿真分析

根據(jù)式(1)～(17)，基于MATLAB/Simulink建立了仿真模型，對(duì)充油過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，離合器的仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

根據(jù)油液黏度隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并經(jīng)過數(shù)據(jù)三次多項(xiàng)式擬合，可得黏度隨溫度變化的函數(shù)如式(18)[7]：

μ=-0.00089499×T3+0.21818×T2

-17.856×T+510.79

(18)

仿真中，取油液溫度變化為20 ℃、40 ℃、60 ℃，仿真結(jié)果如圖2所示，圖中取0.25 s為坐標(biāo)原點(diǎn)，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同溫度下的充油特性

通過仿真，我們發(fā)現(xiàn)，離合器的充油特性受溫度的影響主要表現(xiàn)在第二階段，隨著溫度升高，轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)間依次為0.1919 s、0.22 53 s、0.2578 s，即隨著溫度升高，充油第二階段的時(shí)間幾乎為線性增加。

3　結(jié)論

本研究建立了包含泵效率、液阻、液容的濕式離合器充油模型。通過仿真分析得出如下結(jié)論：

(1) 隨著溫度升高，油液黏度降低，離合器充油過程中第二階段時(shí)間變長(zhǎng)，油壓上升變緩；

(2) 對(duì)換擋離合器油壓特性需要精確控制時(shí)，應(yīng)考慮不同油液溫度對(duì)油壓特性的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]荊崇波，苑士華，郭曉林.雙離合器自動(dòng)變速器及其應(yīng)用前景分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2005,29(3)：56-58.

[2]馮能蓮，鄭幕僑，馬彪.動(dòng)力換擋離合器充/放油特性仿真研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001,17(2)：68-71.

[3]張靜，李和言，馬彪，張海嶺.蓄能器對(duì)換擋離合器充油過程仿真研究[J].液壓與氣動(dòng)，2013,(3)：96-99.

[4]李和言.綜合傳動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向換擋離合器結(jié)合過程動(dòng)態(tài)特性研究[D].北京：北京理工大學(xué),2004.

[5]McCandlish D,Dorey R.The Mathematical Modeling of Hydrostatic Pumps and Motors[J].Proceedings of Institution of Mechanical Engineers,1984,198(10):165-174.

[6]胡宏偉.濕式自動(dòng)離合器結(jié)合過程特性的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[7]馬彪，鄒綿意，李和言，關(guān)萬俊.油液混氣對(duì)濕式離合器充油過程的影響[J].液壓與氣動(dòng)，2014,(5):60-65.