干式雙離合器在頻繁換擋工況的溫度場研究

鄭 欣 蔡龍生 陳 俐

(上海交通大學汽車電子控制技術國家工程實驗室,上海 200240)

0 前言

干式雙離合器換檔時為避免動力中斷,兩個離合器在切換過程中存在轉速差,從而導致離合器摩擦片產生大量的滑摩功[1]。由于干式雙離合器空間狹小,散熱條件差,大量的熱量聚集在干式雙離合器模塊中,造成了干式雙離合器溫度的上升。而離合器摩擦片的磨損隨壓盤溫度的升高而增大,摩擦片磨損急劇增加,這也影響了干式雙離合器變速器的控制精度。因此控制溫升幅度問題是改善干式雙離合器承載能力和控制精度的關鍵之一。

對干式雙離合器溫度場的研究很多,但是大部分的建模只局限于摩擦片本身,沒有詳細的討論其他因素對溫度場的影響。本文考慮在頻繁換擋工況下,選取了不同熱流密度曲線下、不同空氣層厚度、摩擦片邊緣突起、強制散熱這四個變量,來研究此四個變量對干式雙離合器溫度場的研究,從而得到一些改善干式雙離合器溫度場的具體措施。

1 干式雙離合器物理模型

干式雙離合器自動變速器是由兩個干式離合器分別控制奇數檔和偶數檔的自動變速器,通過兩個離合器的交替結合進行檔位的切換。半徑較大的離合器為奇數檔動力傳遞路徑,而半徑較小的離合器為偶數檔動力傳遞路徑。

干式雙離合器有很多種結構型式,其中較常見的結構,如圖1所示。它由從動盤、壓盤、膜片彈簧、扭轉減振器及分離機構等組成。

為了研究熱量在整個雙離合器模塊中的傳遞情況,獲得溫度場分布,將離合器摩擦片簡化成為一個尺寸相同的環形圓盤;由于膜片彈簧、扭轉減震器等部件在干式雙離合器模塊中并不主要起導熱作用,而且占用空間比較少,在這樣的條件下,簡化這些部件。此時獲得干式雙離合器模塊簡化模型。為清晰展示內部結構,將簡化后的干式雙離合器進行了剖切。

圖1 干式離合器結構簡圖Fig.1 Structure of DCT

圖2 干式雙離合器模型簡圖Fig.2 Simplified model of DCT

根據JB/T 9190-1999標準選擇干式雙離合器模塊摩擦片以及壓盤的尺寸,同時設計空氣層厚度。

根據文獻[2],在論文中干式雙離合器摩擦片材料屬性參數見表2：

2 干式雙離合器傳熱模型

將離合器盤片表面溝槽等的影響忽略不計,可以將雙離合器模塊簡化成為軸對稱結構形式,這樣雙離合器模塊溫度場只與徑向位置r和摩擦盤片厚度方向位置z有關,而與周向位置無關[3]。則將雙離合器盤片放在柱坐標中分析。在r-θ平面內可以認為是各向同性的;在z方向由于存在離合器的結合以及分離過程,可以認識是各向異性。由于離合器經常分離以及結合,這表明整個熱傳導過程不斷變化,亦即這是一個非穩態熱傳導過程。

表1 干式雙離合器基本尺寸Table 1 Dimensions of dry dual clutch

表2 摩擦片材料屬性Table 2 Material properties of friction plate

并作如下假設：

1)作用在摩擦表面上的正壓力均勻分布,保證摩擦面的磨損是均勻的,進而摩擦產生的熱量在摩擦面上均勻分布;

2)摩擦副各部分材質均勻,物性參數在接合過程中不變化;

3)摩擦副產生的熱量與摩擦副表面的導熱量平衡;

4)忽略輻射散熱以及摩擦表面的潤滑油吸熱;

5)由于對稱性,摩擦盤在沿厚度方向的中點處導熱量為零;

6)摩擦副的熱傳導可簡化為軸對稱三維非穩態模型。

對于任何傳熱模型而言,必須滿足熱力學第一定律,即能量守恒定律。在任一時間間隔內能量守恒關系為[4,5]：

式中,Q—熱量;W—做功;Δ U—系統內能;ΔKE—系統動能;ΔPE—系統勢能。

對于大多數工程傳熱問題：Δ K E=ΔPE=0

通常考慮沒有做功：W=0,則Q=Δ U;

由以上分析有三維非穩態模型傳熱數學方程：

其中：T—熱力學溫度;t—時間;λ—導熱系數;ρ—導熱物體密度;c—導熱物體比熱容;Φ?—內熱源生成熱

3 仿真分析

理論換擋規律的設計是以定油門開度下的發動機穩態特性為依據,并以油門開度和車速作為換擋時機的控制參數。而汽車的實際加減速工況均是油門開度的動態變化過程,且油門開度的變化速度取決于駕駛員的駕駛意圖。如果駕駛員突然變化油門開度,由于汽車的較大慣性,車速的變化相對于油門開度的變化存在較大的滯后,從而使實際工作點立刻躍變而超過升擋線或降擋線,從而引起汽車意外換擋。當油門開度劇烈變化頻繁發生,則表現為頻繁換擋[6]。

在仿真過程中,模擬DCT由空檔起步至一檔,接著迅速進行升檔至二檔,然后又降檔至一檔的過程。

3.1 在不同熱流密度曲線條件下對溫度場的影響

參照文獻[7],雙離合器自動變速系統在30%油門下,車速約30km/h附近一檔升二檔的換檔過程仿真曲線,分離離合器C1的初始壓力為 5.5M pa,結合離合器C2的初始壓力為0 Mpa。

利用其雙離合器分離結合時序以及發動機與雙離合器速度特性曲線,使用條件設計DCT由空檔起步至一檔,接著迅速進行升檔至二檔,然后又降檔至一檔的過程。

依據在離合器在工作過程中摩擦表面產生的熱流密度[8]：

得到熱流密度的曲線(a)。

簡化在文獻[7]中的雙離合器分離結合時序曲線,將曲線簡化成線性變化,設計簡化壓力情況下的熱流密度曲線(b)。

在空檔起步階段(0～0.8 s),離合器-1在壓力作用下與壓盤接觸,由于轉速差的存在,這個階段產生滑摩功;而此時的離合器-2依然斷開。此時由于轉速較低,可以看到滑摩功率較小。從(0.8 s～1.8 s)階段,此時離合器-1與壓盤完全結合,處于一檔工況,同時也在升速。

在升檔階段(1.8 s～2.8 s),離合器-2開始進入滑摩0.2 s之后,離合器-1開始出現滑摩。在離合器-2滑摩至2.6 s時候,此時與壓盤同步,0.2 s之后,離合器-1完全脫開,進入二檔工況行駛。

在降檔階段(3 s～3.8 s),工作情況正好與升檔階段相反。

在整個過程中,監測離合器片的溫度,以及雙離合器截面的溫度。

圖4 熱流密度曲線Fig.4 Heat flux curve

圖4中,實線代表在完整壓力變化情況(a)下得到的熱流密度曲線;而虛線代表在簡化壓力情況(b)下得到的熱流密度曲線;不同顏色代表不同的離合器摩擦片。在兩種條件下進行仿真,獲得不同離合器溫度以及殼體中空氣溫度曲線。

3.1.1 離合器摩擦片圓心處的溫度變化曲線

在圖5中,由于在空檔起步階段,轉速較低,此時產生的滑摩功較少,故而在相同條件下,此時溫度上升速度較慢。

圖5 摩擦片溫度Fig.5 Temperature of friction plate

在0.8 s～1.8 s階段,此時摩擦片-1與壓盤結合,無滑摩功產生;但是由于在摩擦片-1摩擦片內部熱量開始向其他盤片擴散,可以看到摩擦片-2溫度緩慢上升。

在升檔階段,由于摩擦片-2摩擦片在1.8 s速度從0開始上升,因此與壓盤的轉速差相較于起步階段大,因此反應在離合器摩擦片溫度曲線上此時溫度迅速上升,且峰值較大。

在降檔階段,摩擦片-1從3 s開始進入滑摩狀態,此時摩擦片-1摩擦片溫度開始升高。之后摩擦片-2進入滑摩階段,溫度亦開始進一步的升高。

同時對比不同熱流密度條件下的離合器摩擦片的溫度情況,可以看到離合器摩擦片溫度曲線在兩條熱流密度曲線下的變化趨勢基本相同,但是在峰值熱流密度較大條件下,離合器摩擦片溫度峰值亦較高。

3.1.2空氣溫度變化曲線

監測的空氣位于離合器-2接觸面平面,遠離半徑方向2 mm處。以下空氣溫度都是離半徑2 mm處。

從圖6可以看到,在開始進行升檔階段,由于產生的熱流密度較小,空氣層溫度變化緩慢;空氣溫度劇烈變化是在離合器-2摩擦片滑摩階段進行的,這主要是由于這一階段從一檔升到二檔,產生大量的滑摩功,促使溫度劇烈上升;由于在簡化壓力曲線情況下的熱流密度較大,可以看到在簡化壓力變化情況下,空氣監測點的溫度峰值在熱流密度峰值時候達到最高,且較完整壓力情況下溫度高出6%;隨后隨著熱流密度下降,空氣層溫度開始下降。

圖6 空氣溫度Fig.6 Temperature of air

在2.2 s左右空氣層監測點溫度達到峰值后,由于空氣層與殼體之間的溫度差加大,此時傳遞出去的熱量大于空氣層吸收的熱量,這樣溫度開始下降。

3.1.3 截面處溫度場云圖

圖7 溫度場分布Fig.7 Temperature contours of model at selected time

3.2 不同空氣層厚度對溫度場影響

在不同厚度空氣層對溫度場分布的影響時候,模型中的空氣層厚度分別為3 mm(a)以及10 mm(b)。

3.2.1離合器摩擦片圓心處的溫度變化曲線

從上圖中可以看到,在這個過程中,接觸面的溫度基本沒有變化,但是觀察截面溫度云圖會發現整個截面的溫度有明顯不同。空氣層厚度較大的條件下,在摩擦面以外的地方溫度下降比較迅速。

由于監測的離合器摩擦片位置位于整個摩擦片的圓心處,在這個地方的散熱條件惡劣,對于不同厚度的空氣層模型而言,在這個地方的散熱條件基本一樣.因此在不同空氣層厚度條件下,雙離合器摩擦片圓心處的溫度基本不變。

但是由于空氣層厚度較大的情況下,空氣與摩擦片以及壓盤發生對流,由于空氣的量增加,這樣在相同條件下能夠吸收更多的能量。當然由于空氣層較小的熱容量,在繼續加大厚度的時候,發現導熱情況反而變得惡劣了。

圖8 溫度場分布Fig.8 Temperature contours of model at selected time

圖9 摩擦片溫度Fig.9 Temperature of friction plate

3.2.2空氣溫度變化曲線

從圖10可以看到,空氣層監測點溫度劇烈變化是在離合器-2摩擦片滑摩階段進行的。由于這一階段有較多的熱流密度施加在模型上;同時,由于空氣層厚度為3 mm情況下由于空氣厚度較少,在這樣條件下,能夠及時將由雙離合器模塊傳導來的熱量傳導給殼體進行散熱,使得其溫度在整個過程中處于一個較低的狀態。而對于空氣層厚度為10 mm模型,在這樣在相同條件下能夠吸收更多的能量,卻沒有能夠及時傳導出去,所以在厚度較大的條件下監測點處溫度高出17%。

圖10 空氣溫度Fig.10 Temperature of air

3.2.3截面處溫度場云圖

圖11 溫度場分布Fig.11 Temperature contours of model at selected time

觀察截面溫度云圖會發現整個截面的溫度有明顯不同。空氣層厚度較大的條件下,在摩擦面以外的地方溫度下降比較迅速。這也是空氣層厚度較大條件下溫度上升較快原因。

3.3 摩擦片邊緣突起對溫度場的影響

基于不同熱流密度條件下的熱流密度曲線(a),設計模型中的離合器摩擦片為側壁均布6個厚度為1 mm的小凸臺。以與不同熱流密度條件下仿真條件相同的設置進行計算。

圖12 溫度場分布Fig.12 Temperature contours of model at selected time

3.3.1離合器摩擦片圓心處的溫度變化曲線

圖13 摩擦片溫度Fig.13 Temperature of friction plate

在上圖中,實線所示的溫度曲線為摩擦片為普通柱面時候的溫度曲線,虛線所示的溫度曲線為摩擦片側面均布6個小凸臺時候的溫度曲線。

從這些數據情況可以看到,在摩擦片側面均布小凸臺時候的溫度較普通柱面時候的溫度有較多的降低,尤其是在高速且有較大速度差的時候溫度下降更加迅速。這是由于摩擦片的轉動,通過小凸臺擾動周圍的空氣帶走了更多的熱量,而且在高速時候這樣的作用更加明顯。

3.3.2空氣溫度變化曲線

監測的空氣位于clutch-2接觸面平面,遠離半徑方向2 mm處。

圖14 空氣溫度Fig.14 Temperature of air

從上圖可以看到,空氣在摩擦片側面均布小凸臺時候的溫度較普通柱面時候的溫度有上升28%,尤其是在高速且有較大速度差的時候溫度升高更加迅速。這主要是由于摩擦片的轉動,通過小凸臺擾動加速了周圍的空氣與摩擦片的熱交換,更多的熱量通過對流聚集在空氣層中,這樣空氣層的溫度升高。同時也看到,在摩擦片脫開和結合的時候,空氣層溫度下降亦十分明顯。而這時條件相對于柱面平滑時候唯有凸起在擾動空氣層。

3.4 強制散熱條件下入口處不同速度對溫度場影響

基于不同熱流密度條件下的熱流密度曲線(a),對模型設置主動速度入口以及壓力出口,同時速度入口的空氣速度為2 m/s。

3.4.1離合器摩擦片圓心處的溫度變化曲線

在上圖中,實線所示的溫度曲線為自然對流條件下的溫度曲線,虛線所示的溫度曲線為強制散熱條件下的溫度曲線。從這些數據情況可以看到,在強制散熱條件下的溫度較自然對流條件下的溫度有10%的降低,尤其是在沒有滑摩功產生條件時候溫度下降更加迅速。

3.4.2空氣溫度變化曲線

監測的空氣位于摩擦片-2接觸面平面,遠離半徑方向2 mm處。

從上圖可以看到,空氣溫度在強制散熱條件下,溫度出現下降,但是摩擦片-2滑摩導致溫度升高的時候,這樣的效果并不明顯。

3.5 不同轉速差對溫度場的影響

基于不同熱流密度條件下的熱流密度曲線(a),對模型中的壓盤以及離合器摩擦片設置遍歷時間的轉速,分析結果。

圖15 摩擦片溫度Fig.15 Temperature of friction plate

圖16 空氣溫度Fig.16 Temperature of air

3.5.1離合器摩擦片圓心處的溫度變化曲線

圖17 摩擦片溫度Fig.17 Temperature of friction plate

在上圖中,實線所示的溫度曲線為忽略轉速對溫度影響時候的溫度曲線,虛線所示的溫度曲線為對模型中的壓盤以及離合器摩擦片設置轉速條件下的溫度曲線。

從這些數據情況可以看到,在壓盤以及離合器摩擦片設置轉速條件下的溫度有較多的降低,尤其是在沒有滑摩功產生條件時候溫度下降更加迅速。可以看到,對于DCT部件來說,當部件轉動擾動空氣時候,能夠帶走相當量的熱量,減少摩擦片的溫升。

3.5.2空氣溫度變化曲線

監測的空氣位于摩擦片-2接觸面平面,遠離半徑方向2 mm處。

圖18 空氣溫度Fig.18 Temperature of air

從這些數據情況可以看到,在壓盤以及離合器摩擦片設置轉速條件下空氣溫度上升。可以看到,對于DCT部件來說,當部件轉動擾動空氣時候,空氣和轉動部件的對流作用加劇,空氣層得到更多的熱量,加速空氣溫度上升。

4 結論

從仿真結果及分析可知,在頻繁換擋工況條件下,干式雙離合器自動變速器在30%油門下,5s內汽車由空檔起步至一檔,接著迅速升檔至二檔,然后又降至一檔的過程中,摩擦片溫度上升170K;在選擇的兩條熱流密度條件下,整個離合器部件溫度較平緩變化條件下高12%;在仿真模型中,摩擦片邊緣均布6個1 mm厚度的凸起時,摩擦片中心溫度有10%降低;強制對流條件下,風速為2 m/s時,摩擦片中心溫度降低10%。

[1]J.C.Wheals,A.Turner,K.Ramsay,A.O'Neil J.Bennett and Haiping Fang.Double Clutch Transmission(DCT)using Multiplexed Linear Actuation Technology and Dry Clutches for High Efficiency and Low Cost[J].SAE 2007-01-1096.

[2]Shuangmei Zhao et al.Behavior of a Composite Multidisk Clutch Subjected to Mechanical and Frictionally Excited Thermal Load[J].Wear 264(2008)1059-1068.

[3]M ansouri.M,Holgerson.M,Khonsari.M.M etc.Thermal and Dynamic Characterization of Wet Clutch Engagement with Provision for Drive Torque[J].ASME Journal of Tribology,200l,123(4)：313 ：323.

[4]蔣孝煜.有限元法基礎[M].北京.清華大學出版社,1992.

[5]張朝暉.ANSYS熱分析教程與實例解析[M].北京：中國鐵道出版社,2007.

[6]何忠波,白鴻柏,楊建春.AMT車輛頻繁換擋的消除策略[J].農業機械學報,2006.7.

[7]楊 昭.雙離合器自動變速器動力學建模及仿真研究[D].長春：吉林大學,2007.

[8]胡宏偉.濕式自動離合器接合過程特性的研究[D].杭州：浙江大學,2008.