车用空载湿式离合器高速碰摩带排动力学行为与控制方法

It is found in experiments that the rub-impact between friction plate and steel plate is easy to appear in high-speed no-load wet clutch, which results in the increasing of the drag torque. So, it has a large effect on the efficiency and reliability of transmissions. Traditional models mainly focus on the drag torque caused by oil viscous friction at low speed, but they can’t be used to interpret the occurrence of rub-impact between friction pairs. In the project, the pressure characteristics of oil-gas two-phase fluid between friction pairs is analyzed, and the stiffness and damping function is studied by small perturbation method to obtain the fluid forces. The elastic deformations and energy loss in the process of rub-impact between friction plate and steel plate is analyzed to establish the rubbing function of friction pairs. On this basis, fluid force, rub-impact force, friction, and gyroscopic moment in three degrees of freedom are analyzed to establish the fluid-solid coupling rubbing model. Then, the nonlinear motion responses of the friction pairs rubbing system are analyzed and the rules of nonlinear rub-impact dynamics are revealed. Finally, the parameter optimization model which taking minimization of rub-impact torque as the optimization objective is established. Based on the results of optimal design of wet clutch’s parameters, a friction reduction method, which is verified by experiments, is proposed. The results of this project can be used to guide the design of high speed wet clutch with low drag torque, which is of great significance for reducing power loss and improving reliability and power density of high speed wet clutch.

实验发现高速空载工况下湿式离合器易出现摩擦片和钢片之间的碰撞摩擦，由此引起离合器带排转矩的急剧增大，高速带排对传动装置的效率和可靠性造成重大影响。传统模型着重于油液粘性摩擦引起的带排转矩问题，无法解释高速工况下的碰摩带排现象。项目通过推导分析摩擦副间隙旋转流场的油气两相流压力特性，采用小扰动法研究间隙流场的刚度和阻尼方程，获取间隙流场的流体力；通过分析摩擦片与钢片碰撞过程中的弹性变形与能量损失，构建摩擦副的碰撞接触力和摩擦力方程；在此基础上，考虑流体力、碰撞力、摩擦力以及旋转摩擦副的陀螺力矩等，建立多摩擦副流固耦合碰摩动力学模型，分析摩擦副非线性运动的分岔和混沌特征，揭示非线性碰摩规律；最后，以碰摩转矩最小为目标构建摩擦副参数优化设计模型，通过优化分析提出高速带排减摩方法。项目研究成果可用于指导低带排转矩湿式离合器设计，对降低湿式离合器功率损耗，提高传动装置功率密度和可靠性有着重要意义。

湿式离合器作为换挡核心部件，广泛应用于重载军用车辆、工程机械传动装置以及乘用车自动变速箱中。由于离合器钢片和摩擦片沿轴向处于运动欠约束状态，因此在由加工误差和装配精度等引起的不平衡离心力的作用下，高速时钢片和摩擦片会出现沿轴向的移动和摆动，当其运动幅值超过间隙宽度时，就会出现钢片和摩擦片的碰撞摩擦，使带排转矩大幅提升。带排转矩会引起离合器的功率损失，降低了离合器的传动效率，同时还会造成润滑油和摩擦副温度升高，缩短离合器的使用寿命，因此降低高速碰摩带排转矩对提高离合器性能和可靠性有着重要意义。.项目先是分析了湿式离合器摩擦副间隙流场的气体析出机理，并采用均相流理论，建立了间隙流场油气两相流粘度与密度模型，研究得到了间隙旋转流场油气两相流压力分布特性；进而考虑由间隙流场压力引起的流体作用力、由摩擦副碰摩引起的碰摩力等影响，研究获得了摩擦片/钢片沿轴向和摆动方向所受的力和力矩，构建了包含流体刚度和阻尼的摩擦副流固耦合碰摩动力学模型；在此基础上，研究得到了碰摩前后钢片和摩擦片的运动姿态，并分析获得了工作转速、润滑流量、摩擦副间隙等因素对摩擦副运动姿态的影响规律，揭示了碰摩发生机理，进而确定了通过提高间隙流场分离力来抑制碰撞的技术思路；最后建立了以高速空载湿式离合器总带排转矩最小为目标，以摩擦片表面油槽结构、槽型形线参数以及摩擦副间隙等为设计变量，以摩擦副内/外径尺寸等为约束的离合器摩擦副参数优化设计模型，并通过研究参数优化设计模型的数值解法，实现了对摩擦副参数的优化设计，形成了高速空载湿式离合器碰摩带排转矩抑制方法。.项目取得的摩擦副流固耦合碰摩动力学规律、高速湿式离合器带排减摩方法等研究成果，已在某重型车辆湿式离合器设计上得到应用，大幅提高了湿式离合器的工作线速度。此外项目成果也能用于指导民用汽车DCT变速箱或AT变速箱的离合器设计，具有较好的应用前景。