不同因素對汽車傳動離合器接合過程影響分析

李盛福

（廣西工業職業技術學院汽車工程系，廣西 貴港 537100）

1 引言

機械傳動車輛的動力傳遞換擋的過程，伴隨著離合器的不斷接合和分離，此過程的快慢直接影響到系統動力傳遞的穩定性和相關零部件的使用壽命[1]。同時，離合器的接合過程也受到車輛載荷環境的影響，如車輛坡度、載重條件等。保證離合器平穩高效快捷的實現接合，同時整個過程中能量消耗較少，是平穩高效換擋過程所要達到的。因此，對離合器的接合過程進行分析，獲取不同因素對其影響規律，可有效解決設計過程中的相關問題，具有重要應用價值。

學者對此進行一定研究：文獻[2]針對離合器過渡過程的平穩性和接合元件熱負荷進行分析，以此作為指標開展換擋品質評價；文獻[3]基于AMESim 建立整個傳動系統的動態模擬仿真模型，分析換檔過程的影響因素及規律；文獻[4]，通過識別汽車行駛環境和駕駛員意圖，對控制參數進行自動調整，實現差異化的換檔控制；文獻[5]建立了基于系統控制和人機交換的換擋模型，提升控制模型分析的精準度。

針對離合器接合過程的特點，對滑摩狀態和接合狀態進行分析，建立系統的動力學模型；從滑摩功和沖擊度兩個方面對離合器接合過程進行評價，獲取影響換擋品質評價指標的因素；根據動力模型和數學模型，基于Simulink 建立離合器接合過程的分析模型；研究不同坡度及載重對接合過程評價指標的影響，獲取各因素的影響規律，為設計分析提供參考。

2 離合器接合過程分析及建模

車輛起步時離合器接合分三個過程：一是主從動片完全分離狀態，此時離合器不傳遞扭矩；二是主從動片滑摩狀態，此時離合器主從動片有轉速差，以動摩擦的形式傳遞扭矩；三是主從動片完全接合狀態，此時離合器主從動片轉速相同，以靜摩擦的形式傳遞扭矩[6]。

2.1 離合器接合過程動力學模型

車輛傳動系統中包含多個環節，為了對離合器進行更好地分析，需要將傳動過程進行一定的簡化[7]。其簡化后的動力學模型，如圖1 所示。

圖1 離合器滑摩狀態模型Fig.1 Model of Clutch Slipping State

圖2 離合器完全接合狀態模型Fig.2 Clutch Fully Engaged State Model

2.2 離合器接合過程評價指標

離合器的接合過程需要保證平穩、快捷及高效，因此要求整個過程沖擊小、耗能低，實現二者的平穩協調。因此，離合器最優控制就是以在合理的沖擊度下使滑摩功最小，車輛的換擋品質就可從沖擊度和滑摩功兩個方面來評價。

2.2.1 沖擊度

車輛沖擊度定義為j，它可以用車輛的加速度變化率來表示，這樣可以把其他因素，如路狀況、車速大小等因素排除在外。其表達式為：

對于某一具體車而言，其中自動變速器傳動比ig、液力變矩器轉速比i0、摩擦片間摩擦因數μ、摩擦副個數z、摩擦片有效作用半徑Rc、s、動力傳遞系統效率ηT、摩擦片與從動片的初始間隙δ、轉矩M、輪胎半徑r都是定值，故沖擊度j只會隨離合器工作壓力變化變化而改變，要實現對離合器沖擊度的控制，只需對離合器工作油壓進行控制[9]。

2.2.2 滑摩功

滑摩功是由于離合器的主動從片有轉速差，導致摩擦產生的大量熱。它反映了離合器接合過程中機械能轉化為熱量的多少，滑摩功越大表明產生的熱量也就越多，摩擦片的溫升也就越厲害，摩擦片的受損也就越嚴重[10]。離合器的滑摩功主要產生于起步階段、滑摩階段、趨于同步階段。其表達式為：

式中：t—離合器接合時間；

Tc—接合力矩；

（ωe-ωc）—主從動片角速度差。

分析上式可知，可合理控制離合器接合時間、接合力矩（與工作油壓有關）、主從動片轉速差來控制滑摩功的大小。

2.3 基于Simulink 離合器動力學建模

基于Simulink 建立離合器系統的分析模型，如圖3 所示。

圖3 離合器系統Simulink 模型Fig.3 Simulink Model of the Clutch System

圖中模型包含有發動機模塊、滑摩狀態模塊、同步狀態模塊、邏輯判斷模塊、油壓模塊、離合器扭矩計算模塊、沖擊度模塊、滑摩功模塊等。

3 各因素對離合器接合過程的影響

3.1 起步坡度的影響

在礦用車使用的環境中上下坡是常見的工況，因此對車輛在不同的坡度下起步的研究就顯得非常重要。現取坡度為0°、5°和10°來研究正常起步情況下不同坡度起步對離合器接合過程的影響。

3.1.1 對摩擦片角速度影響

平地、5°和10°坡度下起步所對應的摩擦片角速度曲線圖，如圖4 所示。

圖4 起步對摩擦片角速度影響Fig.4 Influence of Starting on the Friction Plate Angular Velocity

對比圖4 可以看出，相同的起步意圖下，隨著坡度的增加，離合器的接合角速度由100rad/s→80rad/s→60rad/s 逐漸減小，而接合時間由2.8s→3s→3.2s 逐漸增大，若繼續增加，則離合器的角速度將達不到最低轉速，使發動機熄火，導致車輛不能正常起步。

3.1.2 不同坡度對滑摩功影響

平地、5°和10°坡度下起步所對應的摩擦片滑摩功曲線圖，如圖5 所示。對比圖5 可以看出，相同的起步意圖下，隨著坡度的增加，整個接合過程中，滑摩功呈現出逐漸增大的趨勢。

圖5 不同坡度對滑摩功影響Fig.5 Influence of Different Slopes on Sliding Friction Work

3.1.3 不同坡度對沖擊度影響

平地、5°和10°坡度下起步所對應的摩擦片沖擊度曲線圖，如圖6 所示。由三圖對比可以看出：整個接合過程中，從動片角速度從0 逐漸增加，最后與主動片完全一致，這個過程中，沖擊度先從0 迅速增加，后又降低至0，整個過程波動較大；隨著坡度的增加，從動片接合過程開始的時間逐漸增加；而整個過程的沖擊度都小于10m/s3，滿足國際標準的要求。

圖6 不同坡度對沖擊度影響Fig.6 Impact of Different Slopes on Impact

圖7 對摩擦片角速度影響Fig.7 Effect on Angular Velocity of Friction Plate

3.2 起步載重的影響

3.2.1 對摩擦片角速度影響

礦用車輛空載和滿載情況下起步時離合器摩擦片所對應的角速度曲線圖，如圖7 所示。對比二者可以看出當車輛載重增加時，離合器接合時間增加，而最終接合的角速度則逐漸減小。這是因為當車重增加時，離合器從動軸的等效轉動慣量會增加，從動片的角速度變化率就會變小，接合時間就會變長，最終接合速度也會變小。這與重載起步時，反應時間比輕載起步時的反應時間長是相一致的。

3.2.2 不同載重對滑摩功影響

礦用車輛空載及滿載情況下起步時離合器摩擦片所對應的滑摩功曲線圖，如圖8 所示。

圖8 不同載重對滑摩功影響Fig.8 Effect of Different Load on Sliding Friction Work

由圖中可以看出隨著車重的增大，滑摩功也會不斷增加，根據車輛承載受力平衡，則阻力也較大，整個過程中，離合器傳遞扭矩較大，導致整個過程中的接合時間和滑摩功也都有所增加。

3.2.3 不同載重對沖擊度影響

礦用車輛空載及滿載下起步時離合器摩擦片所對應的沖擊度曲線圖，如圖9 所示。

圖9 不同載重對沖擊度影響Fig.9 Impact of Different Load on Impact

對比兩圖可以看出：整個接合過程中，從動片角速度從0 逐漸增加，最后與主動片完全一致，這個過程中，沖擊度先從0 迅速增加，后又降低至0，整個過程波動較大；隨著載重的增加，從動片接合過程開始的時間未發生明顯變化，而沖擊度的最大值則有所增大，但都小于國際標準10m/s3的要求。

4 結論

根據離合器接合狀態的不同建立動力學模型，從滑摩功和沖擊度兩個方面對離合器接合過程進行評價，根據其表達式得到影響換擋品質評價指標的因素；基于Simulink 建立離合器接合過程模型；研究不同起步坡度及載重的影響，由分析結果可知：

（1）隨著油門開度和油門變化率的逐漸增大，離合器接合角速度和接合時間都有所增大，接合過程產生的滑摩功也不斷增多；

（2）隨著起步坡度的增大，離合器接合角速度逐漸減小，接合時間逐漸增大，接合過程產生的滑摩功也不斷增多；

（3）隨著起步載重的增大，離合器接合角速度逐漸減小，接合時間逐漸增大，接合過程產生的滑摩功也不斷增多。