基于AMEsim离合器参数对自动变速箱液压系统影响分析

2022-12-30程新龙

机械设计与制造 2022年12期

程新龙，高琳，陈希

（1.安阳职业技术学院汽车学院，河南安阳 455000；2.安阳市中等职业技术学校，河南安阳 455000）

1 引言

离合器是自动变速箱的重要组成部分，离合器的打开和闭合可以有效实现动力传递路径的变化，进而实现不同档位的传动比[1]。而组成离合器的结构较多，不同的参数选取对离合器性能和变速箱性能产生重要影响，同时离合器液压控制系统也直接影响整个变速箱的换挡品质。因此，研究离合器结构设计及其控制系统的影响，对自动变速箱研究具有重要意义。

国内外学者对此进行了一定的研究：文献[2]基于模糊控制系统，对变速箱的辅助自动控制系统进行分析，增加下坡或弯道行驶时，实现适时降速换辅助，提升整车行驶安全；文献[3]对自动变速箱的传动系统进行分析，获取不同离合器组合模式下，不同档位的传递效率；文献[4]基于AMEsim模型，对比不同的负载和油门开度变速箱的传递效率；文献[5]针对变速箱的离合器档位进行结构优化，获取最佳配合形式。在相关研究的基础上，对离合器内部结构参数的影响进行分析，为优化设计提供参考。

针对液力机械自动变速器传动系统和液压控制系统进行分析，对湿式离合器结构进行分析，根据离合器所需传递扭矩要求，对摩擦片、活塞缸等关键参数进行设计；对前建档离合器的液压控制系统进行分析，基于AMEsim 搭建系统的分析模型，分析换挡时活塞缸内油压变化、液压油流量及活塞位移等；分析离合器活塞行程、液压缸直径及弹簧刚度参数对离合器液压系统的影响；为优化设计提供参考。

2 液力机械自动变速器结构分析

2.1 变速器系统

液力机械自动变速器由液力变矩器与动力换挡的辅助变速装置组成，主要结构包括：液力变矩器、缓速器、离合器、行星齿轮减速机构和液力控制系统等，如图1所示。

图1 液力机械自动变速器结构Fig.1 Structure of the Hydraulic Mechanical Automatic Transmission

自动变速器的传动结构简图，如图2 所示。选择某一档位时，只需闭合相应的离合器就可实现相应的档位。根据系统结构简图，对不同档位相应离合器的开闭情况设计[6]，如表1所示。

图2 自动变速器传动结构简图Fig.2 Schematic Diagram of Transmission Structure

表1 不同档位的离合器开闭表Tab.1 Clutch Opening and Closing Table of Different Gears

L1：前进档离合器Z5：五档离合器Z4：四档离合器Z3：三档离合器Z2：二档离合器Z1：一档离合器X：表示离合器结合

从表中可以看出，虽然实现一个档位要有两个操纵元件同时结合，但是在顺序换档时，在两个操纵元件中，可以把一个保留不动，而只改变一个操纵件即可，这样可以减少操纵换档动作，保证换档平稳，这对自动变速器来说是有利的[7]。

2.2 不同档位离合器结构

自动变速器的档位离合器为湿式多片离合器，其中三、四档位离合器的尺寸相同，结构与二档离合器的结构相似。而前进档离合器与五档离合器的结构尺寸相同[8]。前进挡、一档及二档离合器结构图，如图3所示。

图3 不同档位离合器结构Fig.3 Clutch Structure in Different Gears

前进档多片离合器的结构示意图，如图3（a）所示。主要由离合器壳体、活塞、钢片、摩擦片、后板、离合器毂、输出轴、输入轴、油道、回位弹簧等组成。图3（b）为一档多片离合器的结构示意图，主要由离合器片，离合器活塞、回位弹簧组成，可看出此处离合器活塞是安装在变速器壳体上，因此一档离合器的各部分都不是旋转的，此时不需考虑离心力的问题。离合器活塞的内外边缘同样各有一密封涨圈。由于一档离合器需要传递扭矩大，离合器活塞的有效面积也比较大，同时离合器片的个数也较多[9]，钢片9个，摩擦片8个。此处的回位弹簧也采用圆周内侧均布置，回位弹簧30个。

2.3 前进挡离合器参数设计

2.3.1 离合器转矩

设计时，首先应设定离合器所能传递最大扭矩。同时还要考虑路面状况，当附着系数过低时，车辆所能传递的最大扭矩是由最大附着力决定的。此处车辆起步时，主动轮上所能提供的最大扭矩TM：

式中：Fp—摩擦面上的压力；μ—摩擦片间摩擦因数；Rc—有效作用半径；z—摩擦副个数，z＝m＋u－1；m—摩擦片个数，m＝z／2；u—从动片个数，u＝z／2＋1。

2.3.3 摩擦片尺寸

由式（3）可知，离合器所能传递的摩擦转矩与摩擦片有效作用半径Rc为、摩擦副个数z、摩擦因数μ、摩擦面上压力Fp有关。

其中摩擦面上压力Fp由控制系统决定的，摩擦因数μ与所选择摩擦片材料有关，现可先确定离合器有效半径Rc和摩擦副个数z。离合器有效半径Rc可根据摩擦转矩相等的原则，最后可积分求得：

式中：R0—摩擦片外半径；Ri—摩擦片内半径。

由式可知，z和Rc越大，离合器能传递的扭矩就越大。摩擦副太多会增加离合器间隙，活塞的行程就会增大，这易导致离合器结合时间长，同时摩擦副过多也会导致压力分布不均匀致局部压力过大；而摩擦片的径向尺寸过大，摩擦片的圆周速度就会过大，局部产生的热量也就会越多，容易产生摩擦件烧坏等现象。摩擦片的内外径比值c的取值也很重要，c值取的过大，内外半径越接近，要传递一定的转矩，摩擦片的径向尺寸就要求很大，还会产生过多的热；而c的取值过小，内外半径相差过大，内外半径处产生的滑摩热就会相差越大，从而温差就会很大，容易产生翘曲和裂纹[10]；同时内外半径的磨损程度也不同，缩短离合器片的使用寿命。离合器的内外半径可由式（5）、式（6）求得：

2.3.4 活塞及油缸尺寸的确定

如果活塞是旋转的，活塞的直径取值过大，则油缸中液压油会产生很大的离心压力，在进油时会增大摩擦片上的压力，需要回油时会增大回复力，因此要求回位弹簧有很大的刚度，就会增大进油时的进油油压，对液压泵和液压系统提出较高要求。而活塞直径取值过小则要求的供油油压过大，对液压系统也不利。在挤压摩擦片时，回位弹簧的阻力远小于工作压力，在此时可忽略不计。活塞缸的外径为：

式中：D0—离合器活塞外径；pg—液压油的工作油压；f—密封件滑摩时产生的阻力，此处取f=0.03Fp；d—活塞的内径；Δp—排油所需压力。

2.4 离合器液压控制系统

离合器液压系统主要包括压力控制部分和冷却润滑部分，自动变速器换挡过程与液压系统紧密相关：控制器对换挡液压控制阀发出指令，使其改变液压阀出口压力。控制阀的出口端与离合器的液压油腔相通，控制阀出油口油压即为离合器活塞端面承受的压力值，离合器压力盘承受的压力发生改变，实现湿式离合器的结合与分离。液压油经液压泵出口流向每个离合器的控制阀，单个离合器的液压控制系统，如图4所示。

图4 离合器液压控制系统Fig.4 Clutch Hydraulic Control System

润滑系统中，由于只是进行润滑和冷却，对油压的要求不是太高，只需满足密封泄漏和沿程压力损失即可，油压不需太高。因此齿轮泵8 有两个齿轮泵，一个高压泵用来给离合器控制系统供油，一个低压泵是为了向离合器的机械结构进行冷却润滑而供油。

3 液压控制系统分析

由图2变速器动力传递简图可知各离合器与行星齿轮排连接方式，使用AMEsim对车辆传动系统进行建模，模型，如图5（a）所示。根据所述离合器液压控制系统原理，利用AMEsim软件对变速器前进挡离合器充油−放油过程进行建模，如图5（b）所示。

图5 系统模型Fig.5 System Model

图5（b）为自动变速器前进挡离合器液压控制系统AMEsim模型，前进挡换挡阀为电信号控制。换挡阀通电后，换挡阀芯向左移动，液压油由P→A方向进入活塞缸内，推动活塞杆与运动；断电后，换挡阀在弹簧力作用下向右移动，活塞缸内液压油在弹簧力作用下由A→T返回油箱。

3.1 离合器充-放油过程活塞缸内各参数变化

对模型进行分析，得到离合器充−放油过程中活塞缸内各参数变化。活塞缸充−放油过程中活塞缸内油压变化曲线，如图6（a）所示。活塞缸内液压油流量变化曲线图，如图6（b）所示。活塞缸内液压油流量变化曲线图，如图6（c）所示。

图6 活塞缸各参数变化Fig.6 Changes of Various Parameters of the Piston Cylinder

图6（a）可以看出，当电磁阀通电后，在换挡阀打开初期，由于缸内无油液填充，活塞缸内油压上升比较缓慢，当一定量的液压油进入活塞缸内充满活塞后，缸内油压快速上升，在安全阀的控制下油压保持在一定的油压下；断电后，在缸内弹簧力的作用下，液压油返回油箱，缸内油压迅速下降。

由图6（b）可以看出，换挡阀通电后，活塞缸内流量迅速增大，当缸内液压油压力达到一定要求后，活塞缸内液压油不再增加，缸内流量降为0；断电后，液压油在弹簧力作用下返回油箱，液压油流量迅速增大。由图6（c）可以看出，在液压油作用下，活塞杆的位移逐渐增大，推动离合器摩擦片移动消除间隙，活塞缸内油压达到最大值后停止运动；断电后，在弹簧力的作用下活塞杆返回原位。