基于CFD的離合器回油過程仿真研究

鄧達(dá)泰 熊飛 朱林培 段德昊

摘 要：文章采用CFD技術(shù)對某離合器進(jìn)行回油過程液壓缸壓力及活塞位移進(jìn)行分析，并對比了活塞摩擦力和油溫對回油過程的影響，分析結(jié)果表明：活塞摩擦力增大會(huì)導(dǎo)致液壓缸內(nèi)壓力降低，但對活塞的關(guān)閉時(shí)間影響較小;低溫下由于油的粘度較大，對離合器活塞關(guān)閉時(shí)間會(huì)有較大影響。通過CFD分析可以為離合器回油參數(shù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：離合器;回油過程;CFD仿真

中圖分類號：U463.211 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）12-109-04

Abstract： Using CFD technology to analyze the hydraulic cylinder pressure and piston displacement of a clutch during unloading process， and compare the impact of piston friction and oil temperature on the unloading process. The analysis results show that the increase of piston friction will cause the pressure in the hydraulic cylinder to decrease. However， it has little effect on the closing time of the piston. Because of the high viscosity of the oil at low temperature， it will have a great influence on the closing time of the clutch piston. CFD analysis can provide guidance for the design of clutch unloading parameters.

Keywords： Clutch; Unloading process; CFD simulation

CLC NO.： U463.211 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-109-04

前言

離合器是汽車動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵部件，通過離合器的分離與結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)檔位的切換。而離合器的分離與結(jié)合，是通過液壓系統(tǒng)控制供油過程和卸油過程來實(shí)現(xiàn)的。合理的供油和卸油壓力控制，可以保證換擋的平順性和汽車的動(dòng)力性能。

鑒于液壓系統(tǒng)的壓力控制對離合器的分離與結(jié)合影響非常重要，因而液壓系統(tǒng)的壓力控制對離合器動(dòng)作的影響一直受到廣泛關(guān)注。任永強(qiáng)等[1]采用ADAMS軟件對DCT離合器的分離結(jié)合時(shí)間進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明正壓力的變化與換擋時(shí)間有直接的聯(lián)系。馬彪[2]建立了換擋離合器的充油過程數(shù)學(xué)模型，采用Matlab中Simulink進(jìn)行了仿真，獲得了充油流量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了建模方法和仿真的準(zhǔn)確性。張靜等[3]在考慮液阻、液感、液容的前提下，建立了換擋離合器以及各液壓元件在充油過程中的動(dòng)態(tài)模型，并利用Simulink對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。

在目前離合器動(dòng)態(tài)過程的研究中，油液的壓力對離合器的作用主要是通過經(jīng)驗(yàn)公式或一維仿真獲得，并沒有考慮供油管內(nèi)油流狀態(tài)對壓力的影響。因而本文采用CFD方法對離合器分離回油過程進(jìn)行仿真，以獲得活塞摩擦力和油溫對離合器回油過程的影響，并為離合器分離時(shí)間的評估提供參考。

1 物理模型

本文所研究的離合器是一個(gè)由三片摩擦片組成的濕式離合器，該離合器使用波形彈簧作為離合器的分離彈簧，離合器活塞行程為1.6mm，如圖1為離合器的截面圖。在該離合器的液壓缸底部有一個(gè)油孔，液壓油可以通過油孔進(jìn)出液壓缸。離合器的供油和回油管道是相同的，油管連接離合器的液壓缸和液壓控制單元，如圖2所示。

2 三維仿真計(jì)算方法

2.1 活塞運(yùn)動(dòng)的處理方法

如圖3為離合器活塞在回油過程中的受力示意圖，離合器活塞在彈簧力Fs的作用下，把液壓缸內(nèi)的液壓油壓進(jìn)油管內(nèi)，在活塞的壓縮過程中，油液由于受壓，會(huì)產(chǎn)生抵抗力Foil以阻止活塞的運(yùn)動(dòng)，另外由于活塞與活塞缸之間存在相對運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向相反的動(dòng)摩擦力Fm。

活塞的運(yùn)動(dòng)速度與其受力密切相關(guān)，因而在仿真的時(shí)候，需要充分考慮活塞的受力，并通過求解活塞的運(yùn)動(dòng)方程來獲得活塞運(yùn)動(dòng)的加速度及速度。

由于活塞運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格產(chǎn)生壓縮和變形，因而對活塞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行CFD仿真，需要使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行處理。本文研究的活塞液壓缸為軸對稱模型，因而可以對液壓缸位置劃分規(guī)則的六面體網(wǎng)格（如圖4），以提高動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算的速度和精度。

2.2 仿真條件及方法

仿真使用Dexron-VI潤滑油進(jìn)行，離合器正常工作下，油溫為90°，該溫度對應(yīng)的油密度和粘度分別為804kg/m3和0.0059Pa s。仿真分析取101325Pa作為參考壓力，計(jì)算結(jié)果均以相對壓力表示。

為了簡化計(jì)算，本文的仿真分析基于如下假設(shè)進(jìn)行：

1）假設(shè)初始時(shí)刻離合器處于結(jié)合狀態(tài)，液壓缸內(nèi)部初始壓力為12bar。在離合器卸油瞬間，離合器油道液壓控制單元閥門完全開啟，離合器油道出口暴露在環(huán)境壓力中，即出口相對壓力為0Pa。

2）由于液壓油在極短時(shí)間內(nèi)會(huì)受到較大的壓力變化，因而需要考慮油液的壓縮性，取油體積模量為1.7e+9Pa[4]。

3）活塞受到靜摩擦力與動(dòng)摩擦力相等。

3 仿真分析結(jié)果

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)下的活塞回油過程分析

對該離合器，活塞開關(guān)的行程為1.6mm，設(shè)計(jì)的彈簧剛度為800N/mm。單片波形彈簧在安裝時(shí)候預(yù)壓縮量為0.78mm，在離合器結(jié)合時(shí)候，單片波形彈簧總壓縮量為1.31mm，所以可以獲得離合器分離時(shí)候彈簧初始推力為1048N。設(shè)計(jì)工況下工作油溫和活塞摩擦阻力為分別取90°C和100N。

如圖5、圖6和圖7分別為設(shè)計(jì)參數(shù)下的活塞回油過程液壓缸壓力、活塞受到合力和活塞行程隨時(shí)間變化。從圖中可以看到，整個(gè)卸油過程可以分為4個(gè)階段：

階段1：卸油初期的壓力迅速下降階段。大概在0～0.0005s，由于油管出口突然暴露在1個(gè)大氣壓中，液壓缸內(nèi)油壓迅速下降，此時(shí)活塞彈簧力Fs小于靜摩擦力Fm和回油阻力Foil的合力，活塞靜止不動(dòng)。

階段2：液壓缸油壓劇烈波動(dòng)階段。大概在0.0005s至0.004s，油壓開始在1.4bar上下振蕩，由于此時(shí)油壓波動(dòng)較大，此時(shí)活塞彈簧力Fs、靜摩擦力Fm和回油阻力Foil的合力變現(xiàn)出較大的波動(dòng)，但總體是彈簧力較大，所以活塞開始往關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)。

階段3：活塞受力平衡階段。0.004s至活塞關(guān)閉前，油液壓力在線性下降，活塞合力在0上下輕微波動(dòng)，活塞位移也幾乎是線性增加。

階段4：關(guān)閉后液壓缸壓力突降階段。活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)后，速度突然變?yōu)?，但油液由于慣性繼續(xù)往液壓缸外流，導(dǎo)致液壓缸內(nèi)油壓突降，產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。

3.2 活塞摩擦力對回油過程影響

摩擦力的變化會(huì)直接影響到活塞的受力大小，從而影響離合器的關(guān)閉時(shí)間長短。為了分析摩擦力對活塞回油過程的影響，分別取表1不同摩擦力進(jìn)行分析。

如圖8為不同活塞摩擦力對液壓腔內(nèi)壓力的影響對比。當(dāng)活塞摩擦力為250N時(shí)，其液壓缸內(nèi)油壓要較活塞摩擦力為100N的小約0.2bar，而活塞摩擦力為400N液壓缸內(nèi)壓力也要較摩擦力250N時(shí)候小0.2bar，說明摩擦力增加會(huì)導(dǎo)致液壓缸內(nèi)壓力降低。

但油壓的變化對活塞的關(guān)閉時(shí)間影響較小，如圖9所示，活塞摩擦阻力為100N時(shí)，活塞完全關(guān)閉時(shí)間為0.038s，而當(dāng)活塞摩擦力為250N時(shí)，完全關(guān)閉時(shí)間為0.039s，當(dāng)活塞摩擦力增大到400N時(shí)候，完成關(guān)閉時(shí)間為0.064s。活塞摩擦力400N較100N摩擦力增大了4倍，但關(guān)閉時(shí)間僅增大68%。

從上述結(jié)果可以看到，摩擦力的增加導(dǎo)致回油阻力減少，但活塞在過程中受到的合力變化并不大，所以對活塞關(guān)閉時(shí)間的影響不大。

3.3 油溫變化對回油過程影響

離合器回油設(shè)計(jì)的工作溫度一般較高，如該離合器，設(shè)計(jì)油溫為90°C。但在實(shí)際工況中，偏離工作油溫的情況也是經(jīng)常出現(xiàn)的，如常溫或低溫環(huán)境下啟動(dòng)汽車，因而需要考慮偏離工作溫度的離合器回油情況。

在本文的研究中，對比幾個(gè)典型的工作溫度，對比工況如下表2所示：

對比分析結(jié)果如圖10所示，油溫為20°C時(shí)候，活塞完全關(guān)閉時(shí)間為0.0638s，要比90°油溫下的關(guān)閉時(shí)間長0.026s，但總體來說時(shí)間還是很短，對離合器分離時(shí)間影響很小。當(dāng)油溫為-20°C時(shí)候，由于油粘度太大，活塞完全關(guān)閉時(shí)間需要0.52s，該時(shí)間要較90°C工作油溫的關(guān)閉時(shí)間大10倍以上，因而在低溫下，離合器的換擋時(shí)間會(huì)變長，需要關(guān)注低溫下的換擋情況。

4 結(jié)論

（1）通過CFD分析方法可以獲得離合器分離過程中液壓缸油壓變化或活塞關(guān)閉時(shí)間，可以為離合器回油參數(shù)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

（2）活塞摩擦力對離合器活塞關(guān)閉時(shí)間有影響，但在正常的摩擦力范圍內(nèi)，對活塞關(guān)閉時(shí)間影響不大。

（3）-20°C低溫下，油的粘度較大，會(huì)顯著增加活塞關(guān)閉時(shí)間，因而需要關(guān)注低溫下離合器分離時(shí)間變成對換擋過程的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 任永強(qiáng)，張軍，劉凱.DCT離合器分離結(jié)合時(shí)間仿真分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（10）：36-38.

[2] 馬彪.車輛動(dòng)力換擋離合器充油過程動(dòng)態(tài)特性仿真[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000， 20（2）：188-192.

[3] 張靜，李和言，馬彪，等.蓄能器對換擋離合器充油過程影響研究[J]. 液壓與氣動(dòng)， 2013（3）：96-99.

[4] 陳飛，馬彪，李耿標(biāo)，等.離合器液壓供油系統(tǒng)壓力脈動(dòng)特性研究[J]. 機(jī)床與液壓，2017（19）：8-14.