基于某變速器的干式雙離合器自調節原理分析

劉培 陳慧巖 李垚 魯佳

（1.北京理工大學車輛傳動重點實驗室）

基于某變速器的干式雙離合器自調節原理分析

劉培 陳慧巖 李垚 魯佳

（1.北京理工大學車輛傳動重點實驗室）

基于某干式雙離合器，采用激光點云掃描技術掃描其膜片彈簧表面，并結合CATIA軟件生成膜片彈簧實體模型。用ANSYS/Workbench軟件分別對實體模型進行有限元分析，得到自由狀態膜片彈簧小端載荷位移曲線，并通過臺架試驗證明了曲線趨勢的合理性。在此基礎上，對干式雙離合器的自調節原理進行了詳細分析。

1 前言

干式雙離合變速器因其無動力中斷、傳動效率高等優點在乘用車上被廣泛應用[1]，但在離合器接合分離過程中，摩擦片因長期交替滑摩會導致磨損。試驗表明，干式離合器在達到240 000 km時約造成3.5 mm的磨損量[2]。摩擦片磨損后，壓盤與摩擦片之間間隙會變大，導致工作時與壓盤接觸的膜片彈簧部分位移增大。一方面，因杠桿比作用而引起接合軸承空行程位移變大，進而使電液模塊中離合器推桿位移變大，使得離合器推桿位移傳感器信號隨之改變，導致其控制策略需不斷適應其參數變化；另一方面，因接合行程變長導致壓盤與摩擦片接合時膜片彈簧小端作用力改變，摩擦片接合力變化，進而離合器轉矩容量改變，增加行車不穩定因素。

通過采用自調節機構，可在離合器工作過程中軸向移動膜片彈簧，推動壓盤減小與摩擦片多余間隙，使得膜片彈簧小端位移與接合力均保持穩定。目前國內對常閉式膜片彈簧自調節機理研究較多，而由于其干式雙離合器本身結構、工作原理完全不同，自調節原理國內較少涉及。本文基于某干式雙離合器，分別進行實物拆解、仿真和試驗等，對其自調節結構原理進行了詳細分析。

2 膜片彈簧工作特性

雙離合器結構如圖1所示。由圖1可知，離合器殼體與中間驅動盤通過鉚釘固連，并各自通過傳動片連接相應壓盤。膜片彈簧安裝在離合器殼體兩側，根據其各自支點位置的不同，可分為推式和拉式兩種。膜片彈簧受感應彈簧和限制塊的作用處于預壓緊狀態，兩個膜片彈簧基本壓平。裝配狀態下，與一般常閉式離合器不同，壓盤與摩擦片因傳動片彈力會保持一定間隙，為常開狀態，稱為常開式雙離合器，該設計可防止控制單元意外斷電時離合器同時接合，保證行車安全。

當推式膜片彈簧小端受到接合軸承推力時，以其調整圈為支點轉動，大端推動連接環，拉動離合器1壓盤向其摩擦片方向移動消除間隙。因限制塊作用，在小端加載到某一閾值時，方可轉動膜片彈簧。這樣，有效減小了其空行程軸向位移，使離合器結構更加緊湊。拉式膜片彈簧無連接環中間過渡，在小端受力到達閾值后，膜片彈簧以大端調整圈為支點轉動，消除間隙進入接合狀態。由于該結構的自調節原理與膜片彈簧本身變形特性密切相關，因此有必要對膜片彈簧小端載荷位移曲線進行分析和驗證。

2.1 有限元分析載荷變形曲線

由于雙離合器中使用的膜片彈簧存在變截面、形狀結構復雜等問題，一般測量分析方法（如A-L算法）誤差較大[3]，但自調節原理與膜片彈簧本身特性密切相關。本文使用三維點云掃描技術，得到膜片彈簧表面3 000余掃描點，導入CATIA軟件，生成膜片彈簧的截面輪廓，通過拉伸得到實體模型,如圖2和圖3所示。

通過測量實物中膜片彈簧小端與支點直徑，并參照文獻[4]中分析方法，使用ANSYS/Workbench軟件對兩個膜片彈簧進行小端位移加載分析。對其進行實體單元網格劃分，在各自支點圓周施加軸向固定位移約束，在小端圓周施加20 mm負向位移約束，開啟靜力大變形效應，可得到自由狀態小端載荷位移曲線如圖4和圖5所示。

由圖4與圖5分析可以看出，兩個膜片彈簧變化趨勢明顯不同。推式膜片彈簧在小端位移約7 mm到達峰值后，小端載荷隨著位移增大而緩慢減小，即表現出較長的負剛度工作區域。結合實物拆解發現，它的碟簧部分厚度明顯小于接合指部分，且內錐高較大，故高厚比較大，分析曲線和這一變截面形狀設計一致。而拉式膜片彈簧小端載荷隨位移變大而不斷增大，始終表現為正剛度工作特性。結合實物拆解，它的厚度無變截面設計，且內錐高較小，這與該曲線趨勢一致。故與推式膜片彈簧不同，在克服預壓緊力后，小端仍需不斷加力來消除空行程。與一般膜片彈簧類似，干式雙離合器中膜片彈簧在磨損后，小端空行程位移增大，這導致離合器接合時小端載荷的變化。由圖4可知，摩擦片磨損后，推式膜片彈簧小端載荷將在一定位移區間內沿曲線減小，約16 mm后沿曲線增大。由后期試驗可知，推式膜片彈簧空行程位移為3 mm，在此區間內小端載荷將持續減小。由圖5可知，拉式膜片彈簧小端載荷則沿曲線持續增大。

2.2 試驗驗證

試驗臺架基于某雙離合器變速器，如圖6所示，將電液模塊內部傳感器、電磁閥及電機控制導線引出，便于控制[5]。通過控制比例電磁閥，采集離合器位移傳感器信號，得到實際工作時膜片彈簧小端的載荷位移關系。

電液控制單元油路如圖7所示，液壓油經過內部電機加壓至6 MPa[6]，通過兩個比例減壓閥（P1和P2）分別進入奇數擋和偶數擋油路，再經下面的比例流量閥進行換擋和離合器接合分離操作。

由試驗已知比例減壓閥的電流線性工作區間為0.4～1.2 A。保持對應比例流量閥C1電流0.75 A全開，通過不斷增加減壓閥P1電流，給膜片彈簧小端加力，得到離合器位移傳感器占空比信號，結合已標定過的離合器位移傳感器占空比與位移關系得到小端位移數據。兩個膜片彈簧工作的載荷位移曲線如圖8和圖9所示。

對于推式膜片彈簧，將流量閥C1電流保持在0.75 A，增加減壓閥電流。當減壓閥P1小于0.58 A時，離合器位移傳感器輸出不變，表示尚未完全克服限制塊接觸力。當減壓閥大于0.58 A時，離合器位移傳感輸出從0迅速升至11.8 mm。比較圖4中小端載荷位移曲線，說明裝配時限制塊預緊力大小約等于圖4中曲線峰值的小端載荷，故在完全克服限制塊接觸力后曲線進入負剛度區間，直到消除摩擦片間隙進入接合狀態。之后進入接合階段，碟簧不再變形，因結合指自身變形，小端位移與電流呈線性關系。空行程中膜片彈簧小端所需受力減小，這與圖4有限元分析曲線特性一致。

對于拉式膜片彈簧，將流量閥C2電流保持在0.75 A，當減壓閥P2小于0.55 A時，因尚未完全克服限制塊接觸力，離合器位移傳感器輸出不變。當減壓閥大于0.55 A時，隨著減壓閥電流繼續變大，位移開始出現較大變化，說明正在克服空行程膜片彈簧阻力；到0.69 A時，位移為11.9 mm。之后曲線趨勢明顯變緩，表示已完全消除間隙進入接合階段，試驗過程與圖5有限元分析曲線趨勢吻合。

3 自調節結構原理分析

3.1 自調節條件分析

如圖10所示，常閉式離合器自調節系統一般由感應彈簧、離合器調整圈、螺旋彈簧組成[7]。調整圈上有斜面齒與離合器殼體上斜面齒配合，并保持一定壓緊力,通過結構設計實現反行程自鎖。如圖11所示，調整圈受到膜片彈簧作用力Ft、螺旋彈簧作用力Fs、摩擦力Ff、以及楔形面支持力FN作用，調整圈與離合器殼體之間動摩擦系數為f，設此時調整圈開始沿斜面向上移動，其受力滿足以下關系式：

整理方程組（1）可得出自調節出現的條件為Ft摩擦片未磨損時，壓盤與摩擦片結合過程中Ft雖減小，但仍大于該閾值，自調節不會出現。從動盤摩擦片磨損后，膜片彈簧空行程位移增大，導致Ft小于該閾值，在螺旋彈簧作用下，調整圈將沿著離合器斜面周向移動；Ft恢復到閾值，調整圈繼續保持穩定。

3.2 膜片彈簧自調節原理分析

由于干式雙離合器中離合器為常開式，其自調節過程分析與一般常閉式不同，但自調節條件類似。在CAITA中對膜片彈簧取側面剖視圖，參考圖1并結合已拆解實物中自調節機構的受力關系可知，空行程時膜片彈簧主要受到小端作用力F1、限制塊作用力Fx、感應彈簧作用力Fg、調整圈作用力Ft等4個力作用。感應彈簧實質是一種蝶形彈簧，存在較大的零剛度區域，故作用力在較大區域內能保持基本不變。分析已拆解離合器發現，推式膜片彈簧的調整圈作用力方向與拉式膜片彈簧相反，這與其自調節過程密切相關，故得到膜片彈簧空行程受力示意圖如圖12和圖13所示。

3.2.1 推式膜片彈簧自調節受力分析

空行程時，推式膜片彈簧連接環與膜片彈簧之間的接觸力較小，可忽略不計，根據圖12可得到膜片彈簧受力關系式：

當小端不斷加載時，限制塊與膜片彈簧之間的作用力Fx逐漸減小至0。此時，推式膜片彈簧作用力處于載荷位移曲線峰值附近，隨后進入負剛度工作區域，小端將以調整圈為支點轉動，大端推動連接環，使壓盤和摩擦片消除空行程而進入接合狀態。由圖4可知，消除空行程過程中F1減小，結合式（2）可知，因Fg基本不變，故Ft減小。若此時摩擦片未磨損，膜片彈簧在Ft減小到閾值前進入接合狀態。摩擦片磨損后，由于小端空行程位移增大，由圖4可知，F1繼續減小，故Ft隨之減小到閾值以下，此時，在螺旋彈簧作用下，調整圈向膜片彈簧移動，Ft隨之增大到閾值并克服螺旋彈簧作用力而穩定。膜片彈簧受調整圈推動而軸向移動，進而通過連接環推動壓盤縮小與摩擦片間隙,完成自調節工作。

3.2.2 拉式膜片彈簧自調節受力分析

空行程時，結合圖13得到拉式膜片彈簧空行程階段受力為：

因感應彈簧作用力在零剛度區間保持恒定，等式左邊將基本不變。隨著小端力F1增大，Fx不斷減小至0。隨后，隨著F1繼續增加，Ft將減小，膜片彈簧以調整圈為支點轉動，推動壓盤消除與摩擦片間隙。正常情況下，膜片彈簧在Ft減小至閾值前進入接合狀態。但當摩擦片磨損時，由圖5可知，膜片彈簧F1增大使得Ft小于閾值。螺旋彈簧作用調整圈向膜片彈簧移動，膜片彈簧受調整圈位移影響而軸向移動，縮小壓盤與摩擦片間隙，以此補償摩擦片的磨損，完成自調節工作。

4 結束語

基于某干式雙離合器，對其膜片彈簧表面進行激光點云掃描，將點云數據導入CATIA軟件處理生成實體模型。結合有限元分析軟件與臺架試驗得到膜片彈簧自由狀態下小端載荷位移曲線，在此基礎上進行干式雙離合器的自調節受力過程分析。分析結果能較好地闡釋干式雙離合器的自調節工作原理，為將來制定雙離合器的接合分離策略打下基礎。

1劉振軍，秦大同，葉明，胡建軍.車輛雙離合器自動變速傳動技術研究進展分析.農業機械學報，2005，36（11）:167～170.

2舍弗勒貿易有限公司.LuK干式雙離合器模塊新技術.現代零部件，2012，9.

3袁旦，李芳，鄭方賜.基于非線性有限元法的膜片彈簧特性曲線計算.浙江工業大學學報，2009，37（3）:350～354.

4吳天，魯統利，吳明翔.雙離合器自動變速器膜片杠桿彈簧載荷-變形特性的有限元分析.汽車技術，2008（5）:11～13.

5李游.干式雙離合器自動變速器控制技術研究:[學位論文].北京：北京理工大學，2012.

6馮永忠.大眾車系OAM直接換檔變速器維修圖冊.北京：機械工業出版社，2010:31～37.

7韋遠飛.自調節離合器膜片彈簧的研究：[學位論文].武漢：武漢理工大學，2007.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2013年11月1日。

Analysis of the Self-adjusting Principle Based on Dry Dual Clutch

Liu Pei,Chen Huiyan,Li Yao,Lu Jia
（State Key Laboratory of Vehicle Transmission,Beijing Institute of Technology）

Use laser point cloud scanning technology to scan surface of diaphragm spring and CATIA software to generate solid models of diaphragm springs based on a dry dual clutch.ANSYS/Workbench is used to make FEA of the solid model,to generate the displacement curves of load at free-state of diaphragm spring small end.Rationality of the curve trend is verified by bench test.On this basis,the self-adjusting principle of dry type dual clutch is analyzed in details.

Transmission,Dry dual clutch,Diaphragm spring,Self-adjusting principle

變速器干式雙離合器膜片彈簧自調節原理

U463.22+1.4

：A

1000-3703（2014）03-0017-04