油液温度对湿式离合器充油特性的影响研究
关万俊1, 马彪1, 陈漫1, 李耿标1, 朱礼安2
1.北京理工大学 车辆传动国家重点实验室, 北京 100081
2.江麓机电集团有限公司, 湖南 湘潭 411100

作者简介:关万俊(1989—),男,满族,辽宁抚顺人,硕士研究生,主要从事湿式离合器油压控制和车辆动力学的研究工作。

摘要

湿式离合器是履带式车辆中的重要部件,对控制车辆输出动力的大小起着至关重要的作用。由于车辆的使用功率较大,工作环境复杂,换挡频繁,液压油的温度随着离合器结合次数的增加会发生变化,从而造成液压油液黏度的变化,导致湿式离合器充油特性的变化。

关键词: 离合器; 温度; 充油特性
中图分类号:TH137;U262.32 文献标志码:B 文章编号:1000-4858(2015)02-0017-03
Study on the Influence of Oil Temperature on Charge Characteristic of Wet Clutch
GUAN Wan-jun1, MA Biao1, CHEN Man1, LI Geng-biao1, ZHU Li-an2
1. National Key Laboratory of Vehicular Transmission, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081
2.Jianglu Machinery Group Co., Ltd., Xiangtan, Hunan 411100
Abstract

The wet clutch is an important part in tracked vehicle, and it plays an important role in controlling the amount of the output torque. As the vehicle with big power usually works in complex environment and shifts frequently, the temperature of the oil changes with the multiple frictions of the clutches, and then the viscosity of the oil changes, which results in the change of oil charge characteristic.

Key words: clutch; temperature; oil charge
引言

湿式离合器是车辆中的重要部件, 对车辆的起步和换挡过程都起着重要的作用, 近年来随着双离合器式自动变速器的发展, 离合器接合的准确性更是至关重要[1]

关于离合器的充油特性, 国内外学者已经进行了一些相关的研究。冯能莲[2]分析了摩擦片间隙和充油道直径的影响, 建模过程也未考虑管路液阻液容。张静[3]分析了蓄能器对充油特性的影响。邹绵意分析了油液含气量对湿式离合器充油特性的影响。

本研究在考虑油道液阻、液感以及外啮合齿轮式液压泵容积效率、油液可压缩性的条件下, 在MATLAB/Simulink中建立了某履带式装甲车辆的湿式离合器充油系统仿真模型, 分析了不同油液温度对离合器充油特性的影响。

1 离合器充油系统建模

离合器的充油系统主要由液压泵、溢流阀、电液开关阀、离合器几部分构成, 齿轮泵旋转提供压力油, 通过控制开关阀改变节流面积, 进而改变流入离合器活塞腔的压力和流量, 其结构原理图如图1所示。

对于上述液压系统, 液压泵为定量泵, 且转速保持不变, 因此泵的输出流量为定值, 考虑管道容腔液容且忽略管道内泄漏时, 根据液体的连续性, 可得:

Qp=Qc+Qv+Qy(1)

式中: Qp为液压泵输出流量; Qc为离合器充油流量; Qv为溢流阀流量; Qy为管道容腔由液压缩引起的变化。

图1 离合器充油系统图

其中, 当主油路油压为ps时:

Qy=Vyβe·dpsdt(2)

式中: Vy为管道容腔的容积, β e为纯液压油的容积弹性模量, 忽略油液中的含气影响[4]

β=βmax(1-e-0.4-2e-2p)(3)

式中: β max为油液最大体积弹性模量, 1700 MPa。

1.1 液压泵

采用的供油泵为定排量液压泵, 其流量方程为:

Qp=npVpη(4)

式中: np为液压泵驱动电机转速; Vp为液压泵排量; η 为液压泵容积效率。

其中, η 的计算通过修正如下式[5]:

η=0.9-CsxS-Δpβ-Cst(5)

式中: Cs、Cst为分别为液压泵的层流泄漏系数和紊流泄漏系数, 分别取值为Cs=1.05× 10-8, Cst=0; x为液压泵的变量系数, 表示工作排量占最大排量的百分比, 对于定量泵, 则x=1; β 为液压油的弹性模量; Δ p为液压泵进出口压差; S、σ 为无量纲参数, 且:

S=μωpΔp(6)

σ=ωpVmax132Δpρ127

式中: μ 、 ρ 为分别为液压油动力黏度和密度, ω p为液压泵角速度, Vmax为液压泵最大排量。

1.2 溢流阀模型

选用锥阀式直动式溢流阀, 当系统的压力超过溢流压力时开始溢流, 其他时间阀关闭。按照薄壁节流小孔计算, 因此可得:

当ps< pk 时, Qv=0时:

当ps≥ pk

Qv=Cdxπdsinα2(ps-p0)ρ8

式中:pk为安全阀开启压力, 取值一般大于调定压力的90%, 取pk=1.35MPa; Cd为阀口流量系数, 取0.62; d3为阀口平均直径, 6.3mm; α 为阀芯半锥角, 90° ; x为阀口开度, 在不考虑惯性力与阻尼力的情况下, 阀口开度为:

x=(ps-pk)πd324k9

式中: k为安全阀弹簧刚度, 12.920 N/mm。

1.3 离合器模型

根据离合器活塞的受力, 忽略活塞密封圈的摩擦力, 则动力学方程为:

pcAc+Fω=mcx¨c+ccx˙c+ks(λ0+xc)(10)

式中:Fω 为油液离心力产生的动压力。

FL=π4ραwω2(R22-R12)211

式中: α w为滞后系数, 一般取0.8~0.95[6] ; R1、R2为离合器油缸活塞的内、外半径; ω 为离合器油缸的旋转速度, 静态时为0; mc为活塞等效质量; cc为阻尼系数; ks为回位弹簧刚度; λ 0为弹簧初始压缩量。

进入离合器油缸中的流量与油压的关系如下式:

Qc=Acxc+Vc0βe1·dpcdt+Acx˙c+Ql12

式中: Q1为卸压孔流量, 在低速下旋转油压相对于控制油压比重较小, 予以忽略。计算如式(13):

Ql=πd24128μL2pc13

式中: d2为卸压孔直径; μ 为油液的动力黏度; L2为泄压孔长度。

1.4 油道的液阻、液感

忽略油道内的泄漏, 考虑油道的液阻液感对油压的影响, 则:

LdQcdt+RQc=pR-pc14

式中:

液感:

L=ρlA=4ρlπd215

液阻:

R=128μlπd416

式中: d为油道直径; l为油道长度; μ 、 ρ 为油液动力黏度和密度; pR为阀的出口油压。

1.5 换挡阀

换挡阀采用电磁开关阀, 通过控制电流的通断大小来改变节流口的大小, 这里我们将开口面积固定为阀的最大开口值, 根据阀口流量公式, 则有:

Qc=CdAx2Δpρ=CdAx2(ps-pR)ρ17

式中: Cd为阀口流量系数, 为0.62; Ax为阀开口面积, 为39.3mm2

2 仿真分析

根据式(1)~(17), 基于MATLAB/Simulink建立了仿真模型, 对充油过程进行了动态仿真, 离合器的仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

根据油液黏度随温度变化的实验数据并经过数据三次多项式拟合, 可得黏度随温度变化的函数如式(18)[7]:

μ=-0.00089499×T3+0.21818×T2-17.856×T+510.79(18)

仿真中, 取油液温度变化为20 ℃、40 ℃、60 ℃, 仿真结果如图2所示, 图中取0.25 s为坐标原点, 仿真结果如图2所示。

图2 不同温度下的充油特性

通过仿真, 我们发现, 离合器的充油特性受温度的影响主要表现在第二阶段, 随着温度升高, 转折点时间依次为0.1919 s、0.22 53 s、0.2578 s, 即随着温度升高, 充油第二阶段的时间几乎为线性增加。

3 结论

本研究建立了包含泵效率、液阻、液容的湿式离合器充油模型。通过仿真分析得出如下结论:

(1) 随着温度升高, 油液黏度降低, 离合器充油过程中第二阶段时间变长, 油压上升变缓;

(2) 对换挡离合器油压特性需要精确控制时, 应考虑不同油液温度对油压特性的影响。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 荆崇波, 苑士华, 郭晓林. 双离合器自动变速器及其应用前景分析[J]. 机械传动, 2005, 29(3): 56-58. [本文引用:1]
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[3] 张静, 李和言, 马彪, 张海岭. 蓄能器对换挡离合器充油过程仿真研究[J]. 液压与气动, 2013, (3): 96-99. [本文引用:1]
[4] 李和言. 综合传动液压转向换挡离合器结合过程动态特性研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2004. [本文引用:1]
[5] McCand lish D, Dorey R. The Mathematical Modeling of Hydrostatic Pumps and Motors[J]. Proceedings of Institution of Mechanical Engineers, 1984, 198(10): 165-174. [本文引用:1]
[6] 胡宏伟. 湿式自动离合器结合过程特性的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2008. [本文引用:1]
[7] 马彪, 邹绵意, 李和言, 关万俊. 油液混气对湿式离合器充油过程的影响[J]. 液压与气动, 2014, (5): 60-65. [本文引用:1]