高速湿式换挡离合器排油阀临界开启和关闭压力研究

娄伟鹏， 郑长松,2， 李和言,2， 陈建文， 张周立， 马源

(1.北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081；2.北京电动车辆协同创新中心， 北京 100081；3.江麓机电集团有限公司， 湖南 湘潭 411100； 4.北京特种车辆研究所， 北京 101102)

高速湿式换挡离合器排油阀临界开启和关闭压力研究

娄伟鹏1， 郑长松1,2， 李和言1,2， 陈建文3， 张周立1， 马源4

(1.北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081；2.北京电动车辆协同创新中心， 北京 100081；3.江麓机电集团有限公司， 湖南 湘潭 411100； 4.北京特种车辆研究所， 北京 101102)

为了解决湿式离合器在高转速下分离时活塞腔内的油液无法完全排出的问题，对所设计的离心式排油阀进行研究。在受力分析的基础上建立了排油阀的数学模型，分析了排油阀中钢球的运动过程，搭建了具有排油阀的湿式离合器测试系统，对排油阀的临界开启和关闭压力进行了实验研究。仿真和实验结果表明：离合器在高转速下分离时，排油阀能有效排出活塞腔内的油液；排油阀的临界开启和关闭压力均会随着阀体倾角α和钢球半径rb的增大而增大；根据该变化规律，提出了通过临界开启压力的最小值和临界关闭压力的最大值确定α和rb取值范围的计算方法。

兵器科学与技术； 综合传动装置； 高速湿式离合器； 排油阀； 运动规律； 临界开启压力； 临界关闭压力

Abstract: For the imperfect discharge of oil in the piston chamber during the rotation of wet clutch at a high speed, a centrifugal oil discharge valve structure is researched. A mathematical model of oil discharge valve is established based on the force analysis, and the movement process of steel ball in oil discharge valve is analyzed. A test system for wet clutch system with oil discharge valve is developed. The critical open and close pressures of the oil discharge valve are studied through experiment. The simulated and experimental results show that the oil discharge valve can effectively discharge the remaining oil in the piston chamber when the wet clutch separates at a high speed, and the critical open and close pressure features of the oil discharge valve are obtained. The critical open and close pressures increase with the increase in the tilting angle of valve body,α, and the radius of steel ball,rb. According to the changing feature, a computing method for calculatingαandrbfrom the minimum value of critical open pressure and the maximum value of critical close pressure is proposed.

Key words: ordnance science and technology; integrated transmission; high speed wet clutch; oil discharge valve; motion law; critical open pressure;critical close pressure

0 引言

大功率履带式装甲车辆的综合传动装置趋向于高功率密度的发展趋势，而高功率密度意味着高转速，对于综合传动装置中的湿式离合器而言，在高转速下分离时，离合器的高速旋转会使活塞腔内的油液难以通过进油道全部排出，残留油液由于离心油压产生对活塞的作用力，导致离合器分离不彻底，出现滑磨[1-3]。因此，快速排出活塞腔内的油液以消除离心油压的作用，对解决离合器高转速下的分离问题和提高离合器的使用寿命具有重要意义[4-5]。

目前，离合器主要有泄压孔和平衡油缸等两种消除离心油压的结构[6]。其中：泄压孔会造成较多的流量损失，易受到油液污染的影响[7]；平衡油缸会导致离合器操纵的油路复杂[8]。对于离心式排油阀结构：在离合器分离时，排油阀能够及时开启，将活塞腔内的油液排出，消除离心油压对活塞的作用力，使离合器快速分离；在离合器结合时，排油阀能够及时关闭，减少充油过程中的流量损失和建立压力时间。因此，排油阀的精确设计能够有效提高离合器的使用寿命和减少变速箱的功率损失。

图1 排油阀结构图Fig.1 Structure diagram of oil discharge valve

石彦辉等[8]在考虑油液阻抗系数的基础上建立了排油阀的数学模型。梁玲等[9]从排油阀受力分析的角度初步确定排油阀的结构尺寸，并通过某型变速箱计算实例进行了验证。卞学良[10]在梁玲等[9]的基础上，提出了排油阀工作性能的评价指标。Song等[11]考虑油液压力和钢球的离心力作用，分析了钢球的运动过程，并对排油阀的阀体锥面进行了优化设计。

本文依据排油阀的工作过程，综合考虑油液压力、离心力、油液黏性作用力以及壁面摩擦力等因素，从受力分析的角度建立了排油阀工作的数学模型，分析了排油阀中钢球的运动过程，得到了排油阀开启和关闭的临界压力变化规律，并通过实验验证了模型的有效性，为离合器排油阀的设计提供了理论参考依据。

1 基本结构和工作原理

排油阀的基本结构如图1所示，图中Rv为排油阀中心旋转半径，R0为进油道中心旋转半径，ra为阀体容腔半径，rb为钢球半径，α为阀体倾角。排油阀由阀体、钢球和挡板组成，整个排油阀总成安装在离合器缸套上，与离合器一同围绕输出轴旋转。排油阀主要有两个工作位置，分别为开启和关闭位置。在离合器充油过程中，排油阀的初始位置为开启位置，当控制油通过进油道进入活塞腔，使腔内压力达到一定值时，油液对钢球的压力能够克服钢球受到的离心力，推动钢球由开启位置运动到关闭位置，堵住泄油孔，减小流量损失，阻断油液泄漏，使离合器迅速结合；在放油过程中，操纵换挡阀切断控制油，当活塞腔内的压力低于一定值时，油液对钢球的压力不足以克服钢球受到的离心作用力，钢球由关闭位置运动到开启位置，排油阀开启，活塞腔内的残余油液从排油阀排出，消除油液的离心油压对活塞的作用力，使离合器迅速、完全地分离。

2 动力学模型

钢球的受力分析如图2所示。由图2可知，钢球受到的作用力有油压对钢球前后端的作用力F1和F3、油液对钢球的黏性作用力Fτ、稳态液动力Ff、离心作用力Fc、阀体壁面对钢球的摩擦力f、上下半球的离心油压作用力Fv、壁面对钢球的支持力N、钢球重力G以及浮力Fρ10个作用力。其中钢球的重力G和浮力Fρ远小于钢球所受到的压力F1、F3和离心力Fc，为简化计算，忽略钢球的重力G和浮力Fρ. 图2中：p0为活塞腔内的静压力；p1为钢球前端静压力；p3为钢球后端静压力；pL为排油阀中心处的离心油压；pa为大气压力；Ae为油液压力的有效作用面积；q1为排油阀进口流量；q2为流过钢球与阀体锥面间的流量；q3为排油阀出口流量。

图2 钢球受力分析图Fig.2 Force analysis of steel ball

2.1 钢球受力分析

2.1.1 钢球前后端的油压作用力Fp

根据文献[9]，钢球前端的静压强p1和离心油压pL同时作用于图2中的阴影部分，因此钢球的实际受力面积为Ae，则油液压力对钢球的作用力Fp可以表示为

Fp=F1-F3=(p1+pL)Ae-(p3+pL)Ae.

(1)

排油阀处的离心油压pL可以表示为

(2)

式中：ρ为油液密度；ω为离合器旋转角速度。

油液流经排油阀时，流量与压力的关系具体表示为

(3)

式中：i=1，2，3；Ai分别表示排油阀进口横截面积、钢球与排油阀体之间的最小通流面积以及排油阀出口横截面积；Δpi为节流孔前后端的压力差；Cd为流量系数。

2.1.2 油液黏性对钢球的作用力Fτ

由于油液具有黏性，当油液绕流过钢球时，油液与钢球表面的附面层会对钢球产生黏性作用力。此力的计算可参照黏性流体绕流球体的计算公式[12]，将球体表面的切向应力τrθ在来流方向沿球面积分，可得油液对钢球的黏性作用力Fτ如下：

(4)

2.1.3 钢球的离心力Fc

离心力通过钢球球心沿径向向外,可表示为

(5)

式中：ρs为钢球密度。

2.1.4 离心油压在竖直方向的作用力Fv

由于离心油压呈抛物线规律分布，在上下半球之间会产生压差作用力，将离心油压分别沿上下半球面积分，得到离心油压对钢球在竖直方向的压差作用力如下：

(6)

2.1.5 稳态液动力Ff

钢球对油液的流动方向和速度产生约束，进而造成油液动量发生变化，由此产生稳态液动力[13]：

(7)

2.2 排油阀通流面积

排油阀在工作过程中，钢球受到的主要作用力为其前后端的压差作用力，而钢球与阀体锥面之间的通流面积对钢球前后端压力差会产生极大的影响。因此，准确表示出钢球与排油阀体锥面之间的最小通流面积，对于提高模型的准确性具有重要意义。

以阀体锥面母线延长线的交点为原点，建立如图3所示的直角坐标系。

图3 阀体锥面与钢球的坐标系图Fig.3 Coordinate system of valve body cone and ball

如图3(a)所示，阀体的圆锥面由锥面方程表示为

(8)

如图3(b)所示，钢球以Oc(xc,yc,0)为球心的球面方程表示为

(9)

排油阀钢球与阀体锥面之间的最短距离AB通过联立锥面方程(8)式与球面方程(9)式并求1阶导数得到，具体表示如下：

(10)

AB=OcB-rb，

(11)

式中：OcB为球心到锥面的最短距离；AB为钢球表面到阀体锥面的最短距离。

将图4中阴影部分的面积划分为无数个类似于AEFB的小梯形微元，每一个微元面积可以表示为

(12)

图4 最小通流面积A2的几何关系图Fig.4 Geometric diagram of minimum flow area A2

排油阀最小通流面积A2通过对微元dA的积分表示为

(13)

式中：xm为钢球球心在x轴方向的移动距离，

(14)

s为钢球沿阀体壁面的位移。

2.3 钢球动力学分析

对钢球的质心即球心做受力分析，钢球的平动运动由通过质心的合力产生，转动运动由通过质心的合力矩产生。

钢球的平动加速度分别表示沿水平方向和竖直方向的加速度：

(15)

式中：m为钢球质量。

钢球的转动角加速度λ表示如下：

(16)

式中：Mz为钢球的合外力矩；J为钢球的转动惯量。

通过上述分析，钢球的加速度a表示如下：

a=ae+ar，

(17)

式中：ae为钢球沿阀体壁面的平动加速度；ar为钢球沿阀体壁面的转动加速度。

3 结果与分析

3.1 钢球运动过程

根据第2节中建立的排油阀动力学方程，在Matlab/Simulink中搭建排油阀的运动模型，对钢球的运动过程进行动态仿真，仿真参数如表1所示，排油阀关闭过程中钢球沿阀体壁面的速度v、位移s、排油阀通流面积A2和泄漏流量qd的变化如图5所示。

从图5中可以看出，将钢球靠近挡板的位置作为初始位置，在排油阀关闭的工作过程中，钢球的运动分为两段，分别是沿平面和沿锥面的运动。从 (17) 式中可以看出，钢球以平动和转动耦合的运动方式从靠近挡板的初始位置运动到关闭位置处，将泄油孔堵住。在运动过程中钢球的运动速度逐渐增大，在关闭位置处速度降为0，钢球沿阀体壁面的位移s为0.47 mm，在平面处，排油阀的通流面积A2和泄漏流量qd保持不变；在锥面处，随着钢球的运动，通流面积A2和泄漏流量qd均在逐渐减小并最终降为0，即排油阀关闭。

表1 仿真参数

图5 钢球运动过程仿真曲线Fig.5 Simulated results of motion process of ball

随着排油阀通流面积A2的逐渐减小，钢球前后端的压力差逐渐增大，但泄漏流量qd逐渐减小，即排油阀通流面积A2对泄漏流量qd的影响显著。说明在排油阀设计过程中，通过调节容腔半径ra、钢球半径rb和阀体倾角α等结构参数来改变排油阀通流面积A2，可以有效地改变通过排油阀的油液泄漏流量。

3.2 临界压力

排油阀的临界开启和关闭压力是评价排油阀工作性能的重要指标。排油阀的临界开启压力是指当活塞腔内的压力低于此临界压力时，排油阀开启。临界关闭压力是指当活塞腔内的压力高于此临界压力时，排油阀关闭。临界开启压力是衡量离合器在分离过程中排油阀放油能力的指标。临界开启压力越大，在离合器分离过程中，排油阀能够在较大的压力下开启并排出活塞腔内的油液，减小离心油压对活塞的作用力。临界关闭压力是衡量离合器在结合过程中排油阀流量损失的指标。临界关闭压力越大，在离合器结合过程中，通过排油阀的流量损失越大。

根据2.1节中钢球的受力分析，分别对排油阀在关闭和开启位置处做受力平衡分析，得到排油阀临界开启和关闭压力，具体表示为

(18)

(19)

式中：po和pc分别表示排油阀的临界开启和关闭压力；μg为钢球的滚动阻力系数。

当排油阀在结构上保证拥有足够的通流能力时，通过测量排油阀泄油孔处的流量和活塞腔内的压力，能准确地反映排油阀的临界开启和关闭压力特性。但由于受到离合器包箱空间狭小和缸套旋转的限制，无法安装传感器，因此本文将压力和流量传感器安装在离合器进油道前，通过测量离合器活塞腔内压力和流量的突变来判断排油阀的开启和关闭，具体测试系统如图6所示。在综合传动装置中，离合器的最高转速达到4 660 r/min，设置实验转速范围为0～5 000 r/min，油温控制在80～90 ℃，流量传感器的量程为1.2～20 L/min,压力传感器的量程为0～6 MPa，各参数均符合综合传动的实际应用范围。

图6 实验装置图Fig.6 Experimental system

测量排油阀临界开启和关闭压力时，通过改变比例减压阀的电压值调节控制油压，并实时监测压力和流量的变化。如图7所示，在某一转速下测量临界开启压力时，排油阀处于关闭状态，当逐渐降低比例电磁阀电压时，压力和流量均逐渐下降，但当活塞腔内的压力低于0.25 MPa时，控制油的流量由1.55 L/min骤增至4.15 L/min，这是因为排油阀的开启导致活塞腔内的油液迅速排出，因此认为0.25 MPa为排油阀在该转速下的临界开启压力。相应地，排油阀的初始状态为开启状态，输入逐渐升高的比例电磁阀电压，依据排油阀的突然关闭会使控制油流量骤然减小的原理，测量排油阀的临界关闭压力。依据此步骤，分别测量排油阀1 500～5 000 r/min的临界开启和关闭压力如表2所示。

从图8中可以看出，临界开启和关闭压力的实验值和仿真值的变化趋势一致，临界开启和关闭压力均随着转速的增加而增加。具体分析如下：

1)转速越高，临界开启压力越大，说明离合器在高转速下分离时，排油阀能在较高的压力作用下开启并将活塞腔内的油液排出，消除离心油压对活塞的作用力，使离合器迅速分离，排油阀的这种变化趋势有助于解决离合器在高转速下的快速分离问题。同时，排油阀的临界关闭压力也会增加，从而在离合器充油过程中增加控制油的流量损失。

图7 临界开启压力测量过程实验图Fig.7 Test process of critical open pressure

参数离合器转速/(r·min-1)2000250030003500400045005000po/MPa0.080.110.120.150.200.250.30pc/MPa0.120.160.180.260.310.420.61

图8 临界开启和关闭压力实验验证Fig.8 Test verification of open and close pressures

2)从表2可以看出：排油阀的临界关闭压力pc始终高于临界开启压力po，保证了排油阀在关闭后能够稳定可靠地工作；随着转速的增加，临界开启和关闭压力之间的差值也逐渐增加，由2 000 r/min的0.04 MPa增加到5 000 r/min的0.31 MPa，从而增加了排油阀工作的可靠性。

综上所述可知，当转速低于1 500 r/min时未能采集到临界关闭压力，当转速低于2 000 r/min时未能采集到临界开启压力，这是因为受传感器精度的限制，在低转速下临界压力低、流量变化小，难以采集到流量突变点。而本文模型可以预测低转速下的临界压力，在工程计算中是可接受的。通过实验验证了模型的有效性，表明该模型能反映排油阀的临界开启和关闭压力，可用于研究不同参数对排油阀临界开启和关闭压力的影响规律。

3.3 影响因素分析

分析(18)式和(19)式可以看出，钢球的离心力Fc和tanα为临界开启和关闭压力的主要影响因素，而钢球的离心力Fc与钢球半径rb呈三次方关系，即调节钢球半径rb和阀体倾角α可以显著改变排油阀的临界开启和关闭压力。下面重点讨论阀体倾角α和钢球半径rb对排油阀临界开启和关闭压力的影响规律。

3.3.1 阀体倾角α

在离合器转速为2 000 r/min、偏心距为2 mm的工况下，仿真得到排油阀临界开启和关闭压力随阀体倾角α的变化曲线(见图9)。图9中的活塞腔内总压力包括该转速下的离心油压和油液静压，ps,max为回位弹簧压紧时所对应的活塞腔总压力。

由图9可见，临界开启压力po和临界关闭压力pc均随阀体倾角α的增大而增大。临界开启压力越大，在离合器放油过程中越能更早地开启排油阀，使活塞腔内的油液排出；但临界关闭压力也会增加，在离合器充油过程中延长建立压力的时间，甚至会导致无法建立结合压力。同时，当阀体倾角α较大时，临界开启和关闭压力之间的差值较小，工作的可靠性降低，即当压力出现波动、活塞腔内的压力低于临界开启压力时，会导致排油阀开启，影响离合器的正常工作。

图9 临界开启和关闭压力随阀体倾角的变化曲线Fig.9 Change of open and close pressures with tilting angle of valve body

3.3.2 钢球半径rb

在离合器转速为2 000 r/min、阀体倾角为45°、偏心距为2 mm的工况下，仿真得到排油阀开启和关闭的临界开启和关闭压力随钢球半径rb的变化曲线，如图10所示。由图10可见，随着钢球半径的增大，临界开启和关闭压力均在增大。同时，临界开启和关闭压力之间的差值也随着钢球半径的增大而增大，临界开启和关闭压力之间的差值越大，排油阀越不易受到压力波动的影响，工作的可靠性越高。

图10 临界开启和关闭压力随钢球半径的变化曲线Fig.10 Change of open and close pressure with ball radius

在工程应用中，应根据离合器的常用工作转速和结合压力设计不同结构的排油阀。在离合器分离过程中，为了使排油阀能够克服离心油压的作用力，将排油阀中心线处的离心油压pL作为临界开启压力po的最小值来确定最小阀体倾角αmin和最小钢球半径rb,min；在离合器结合过程中，为了减少换挡过程中的流量损失和换挡时间，将离合器结合时回位弹簧完全压紧的压力ps,max作为临界关闭压力pc的最大值来确定最大的阀体倾角αmax和最大钢球半径rb,max.

结合阀体倾角α和钢球半径rb对临界开启和关闭压力的影响规律，可对结构参数的设计进一步分析如下：工作在高转速下的离合器，如综合传动中3轴的离合器，可以在上文所确定的结构参数范围内选择较大的阀体倾角α和钢球半径rb，以提高排油阀的临界开启压力和工作的可靠性；工作在低转速下的离合器，如综合传动中1轴的离合器，可以选择较小的阀体倾角α和钢球半径rb，以减少充油过程的流量损失。

4 结论

本文针对湿式离合器在高速下分离不彻底的问题，对所设计的排油阀进行研究，从受力分析的角度建立了排油阀工作的数学模型，应用数值解析的方法计算了排油阀的最小通流面积，提高了模型精度，分析了钢球运动过程，得到了开启和关闭压力变化规律，并通过实验进行了验证。本文的主要贡献和结论如下：

1) 通过仿真和实验研究，得到了实验验证的排油阀临界开启和关闭压力的计算公式，分析了临界开启和关闭压力随着转速增加而增加的变化规律，该变化趋势有助于解决离合器在高转速下的快速分离问题。

2)在排油阀工作过程中，钢球以滚动与滑动耦合的运动方式实现排油阀的开启和关闭；运动过程分为沿平面和沿锥面的运动；通过改变通流面积A2可以有效改变通过排油阀的油液泄漏流量。

3)分析了阀体倾角α和钢球半径rb对排油阀开启和关闭特性的影响规律。结果表明，临界开启和关闭压力均会随着阀体倾角α和钢球半径rb的增大而增大；根据该变化规律，提出了通过临界开启压力的最小值和临界关闭压力的最大值确定阀体倾角α和钢球半径rb的取值范围计算方法，为排油阀的工程设计提供了理论参考。

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ResearchonCriticalOpenandClosePressuresofanOilDischargeValveforHighSpeedWetShiftingClutch

LOU Wei-peng1, ZHENG Chang-song1,2, LI He-yan1,2, CHEN Jian-wen3, ZHANG Zhou-li1, MA Yuan4

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicle in Beijing, Beijing 100081, China;3.Jianglu Electromechanical Co., Ltd., Xiangtan 411100, Hunan，China; 4.Beijing Institute of Special Vehicle, Beijing 101102, China)

TJ810.3+21

A

1000-1093(2017)09-1665-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.09.001

2017-01-13

国家国防科技工业局基础产品创新科研项目 (VTDP-3503)

娄伟鹏(1991—)，男，硕士研究生。E-mail:bitlwp@163.com

郑长松(1975—)，男，副教授。E-mail:zhengchangsong@bit.edu.cn