基于AMESim的汽车无级变速器湿式离合器的系统仿真

程 越

（宁波大红鹰学院，宁波 315175）

0 引言

汽车金属带式无级变速器——CVT是当代最先进的汽车变速器之一，CVT使发动机输出功率和路面行驶阻力达到动态匹配，可以使发动机在最经济的区域工作，与自动变速器相比显示出惊人的节油效果，成为取代AT的最佳的传动形式，CVT通过自动连续改变速比，可实现发动机——变速器——道路载荷的最佳匹配，使车辆具有最佳燃油经济性和动力性。本文利用AMESim的仿真环境建立湿式离合器的仿真模型，对离合器的主要结构参数进行仿真研究，设置了离合器各部件参数，得到离合器的工作曲线，为离合器的多样化设计提供了依据。

1 汽车离合器的功用与分类

离合器是汽车传动系中直接与发动机连接的部件，起着保证汽车平稳起步、传动系换挡时工作平顺和防止系统过载的重要任务。离合器的工作原理为离合器的主动部分和从动部分借接触面间的摩擦作用，或是用液体作为传动介质(液力偶合器)，或是用磁力传动(电磁离合器)来传递转矩，使两者之间可以暂时分离，又可逐渐接合，在传动过程中又允许两部分相互转动。

汽车离合器有摩擦式离合器、液力变矩器(液力偶合器)、电磁离合器等几种。摩擦式离合器

又分为湿式和干式两种。目前用于汽车无级变速器的起步装置主要有液力变矩器、电磁离合器以及湿式多片离合器；而湿式多片离合器以成本低、结构简单、控制容易等优点在汽车无级变速器上得到了广泛应用。

2 AMESim 软件简介

AMESim （ Advanced Modeling Environment forperforming Simulations of engineering systems）软件是由法国IMAGINE公司推出的综合系统仿真软件。主要用于工程系统的建模、仿真和动态性能分析，并且具有完全图形界面，仿真功能强大。根据流体、机械、控制、电磁等不同专业领域的结合，为汽车、液压及航天航空等工行研发部门提供了完善的仿真环境。

AMESim的主要特点是采用图形化的物理建模方式，用户不用建立系统的数学模型，直接面对图形用户界面进行仿真模型的扩充或改变；该软件的仿真范围广泛，实现了多学科领域的建模和住址。具有数学方程式、方块图级、基本元素级和元件级四个层次的建模模式；具有动态仿真、稳态仿真、间断仿真、连续仿真和批处理仿真多种仿真运行模式。另外AMESim还提供与ADAMS、MATLAB等软件的接口，通过与这些软件的联合以进行更复杂的混合领域仿真，为用户提供了标准化、规范化和图形化的二次开发平台。

3 汽车无级变速器的湿式多片离合器数学建模

本文的仿真对象是某汽车制造厂家研制的汽车金属带式无级变速器。主要对无级变速器的湿式多片离合器进行分析和仿真。

3.1 离合器建模的相关理论

离合器主、从动片间传递的摩擦力矩是由离合器主、从动摩擦片间的正压力确定的。而对该压力的控制是通过对液压缸进行控制来实现。某汽车生产厂无级变速器的倒档离合器机械结构如图1所示。

由于三通阀控制差动液压缸常用作机液位置系统的动力元件；根据压力控制阀的工作原理，液压缸控制腔的流量连续性方程为：

式中：Pc为液压缸控制腔的控制压力；Cip为液压缸内部泄漏系数；Ah为液压缸控制腔的活塞面积；Vc为液压缸控制腔的容积。

式中：V0为液压缸控制腔的初始容积。

假定活塞位移量小，即 =V0，则Vc≫V0。液压缸控制腔的流量连续性方程可以转化为

其增量的拉普拉斯变换式为

液压缸的活塞和负载的力平衡方程为：

式中：Pc为液压缸控制腔的控制压力；Ps为供油压力；Ar为活塞杆侧的活塞有效面积；mt为活塞和负载的总质量；xp离合器液压缸活塞回位膜片弹簧的位移；Bp为黏性阻尼系数；K为负载弹簧刚度；FL为任意外负载力。

其增量的拉普拉斯变换式为

3.2 离合器软件仿真分析

汽车无级变速器的湿式多片离合器是根据液压控制回路原理建立了该液压回路的简化力学模型。在AMESim软件的参数模式当中，将离合器内的各类模型参数化，对液压缸、缸径、活塞杆径、行程、粘滞摩擦系数等，包括液压油的类型等参数都均以参数形式确定，本文根据实际研发产品的模型尺寸以及研发过程的实验数据进行输入数据。

打开 AMESim软件，在Sketch 模式下，调用液压库、液压元件设计库、机械库、汽车传动库、信号库建立如图2所示的离合器系统模型，通过输入信号控制液压泵和电磁阀的开度，从而控制离合器的液压缸的压力大小。点击submodel 模式按钮，为每个元件选择所需要的最简单的子模型。

进入参数模式，对仿真模型中每个元件设置所需要的参数。液压缸参数设置为外径136mm，内径为104mm，液压缸弹簧刚度为1000 N/mm，活塞重量0.7kg；离合器摩擦片数量为6片，离合器片外径为50 mm，内径为35 mm，库仑摩擦系数为0.1，离合器阻尼比为0.25。

图1 倒档离合器结构图

图2 汽车离合器AMESim仿真模型图

设置仿真结束时间为10s，通信间隔时间为0.1 s，传真结果如下：

1）图3为离合器液压缸输入压力、变形体积及移动距离仿真图，从图中可以看出：电磁阀输入电流与流动面积呈正比，响应时间较快。液压缸输入压力与电磁阀输入信号大小有关，液压缸变化体积在1.9S趋于稳定，活塞移动位移量也趋于稳定。

图3 离合器液压缸输入压力、变形体积及移动距离仿真图

2）图4为汽车离合器输入轴转速及控制信号仿真图，离合器输入信号随电磁阀开度变化而变化，0~2S离合器液压缸内压力增大，离合器控制信号跟随增大，通过离合器内部阻尼作用（阻尼信号仿真信号图形如图5所示），输入转速在2S后达到稳定状态，输出转速同时从0达到－792rev/min稳定转速。液压缸活塞运动速率与电磁阀输入信号一致，电磁阀反应灵敏，部分工作时间内存在波动。

图4 汽车离合器输入轴转速及控制信号仿真图

图5 汽车离合器内部阻尼信号仿真图

4 结论

1）利用AMESIM 软件的强大功能，对汽车无级变速器的离合器系统进行建摸，合理参数设置和仿真，得出较为理想的液压缸位移仿真曲线、离合器控制信号仿真曲线及液压缸活塞位移、压力、变形体积等仿真曲线。

2）根据汽车生产制造厂的离合器实际参数设置，仿真了离合器工作过程，其中仿真回位弹簧力与实际设计参数一致，比较分析了改变元件参数对仿真曲线的影响。