液力变矩器锁止离合器性能及滑差控制

1、2004年2月第27卷第2期重庆大学学报JOurnaIOfChOnggingUniversityFeb.2004VOI.27 NO.2文章编号：1000-582X（2004）02-0001-05液力变矩器锁止离合器性能及滑差控制胡建军，秦大同，蒋小华（重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400030）摘 要：闭锁离合器滑差控制技术的应用，解决了燃油经济性和行驶平顺性的矛盾，大大地提高了液力自动变速器的性能。文章论述了锁止离合器结构，摩擦片摩擦材料，并对锁止离合器结合过程中扭矩传递随结合时间的变化特性进行了详尽的分析。文中还对滑差控制的工作原理做了系统的阐述，指出通过滑差控制可以使汽车的燃油经

2、济性得到较大的改善。关键词：锁止离合器；结构；滑差控制中图分类号：Th132文献标识码：A 液力变矩器出现于1906年，是船舶工业发展过程中的产物。由于其具有对外界负载的自动适应性，更适合于地面行驶车辆的要求。上个世纪30年代，瑞典的里斯豪姆与英国利兰汽车公司的史密斯合作，创立了三级液力变矩器，并成功应用于公共汽车上，随后又用于其它车辆。然而，液力变矩器存在着效率不够高的问题。从上个世纪50年代起，装备液力自动变速器（AT）的汽车开始增多，由于自动变速器的效率低于手动变速器，使得装备自动变速器的汽车存在燃油经济性较差的问题，从而限制了它的发展。为了解决液力变矩器效率低的问题，汽车界的工程技术人

3、员做了大量的工作。上个世纪60年代的研究重点是采用多元件工作轮来提高液力变矩器的效率。70年代末80年代初开始使1用闭锁离合器来提高液力变矩器在高速时的效率。90年代后，随着电子技术的大量应用，液力变矩器的发展进入了一个新的时期，世界各著名汽车公司的液力自动变速器几乎都采用了闭锁离合器滑差控制技术，通过对闭锁离合器摩擦片上压紧油压的调节，实现闭锁离合器微小滑差的精确控制。当闭锁离合器存在微小滑差而非完全闭锁时，一部分动力经液力传动，另一部分经闭锁离合器机械传动。闭锁离合器不完全闭锁可以大幅度降低传动系统的振动和噪声，使闭锁领域得到充分的扩展。滑差控制时闭锁离合器的滑差量很小，所以摩擦损失也很少

4、。闭锁离合器滑差控制技术的应用，解决了燃油经济性和行驶平顺性的矛盾，大2-3大地提高了AT的性能。1 滑差控制锁止离合器1.1 滑差控制锁止离合器的结构目前的液力变矩器种类很多，其锁止离合器的结构也不尽相同，但就锁止离合器的结构型式来说主要有两种：一种置于液力变矩器壳体内部，称为内置式；另一种置于液力变矩器壳体的外部，称为外置式。文中讨论的液力变矩器锁止离合器是指内置式锁止离合器。对锁止离合器进行滑差控制已成为提高液力变矩器综合传动效率的一个有效途径。图1为具有滑差控4。变速器电子制功能的锁止离合器及其控制油路控制单元通过电流信号控制电子压力控制阀（EDS），并产生一个比例压力，流向锁止离合器

5、的压力由与摩擦面所传递扭矩成比例的调节阀来调节，变矩器壳与锁止活塞之间的油液被挤出，从而使变矩器壳与锁止5。活塞连为一体，将扭矩传递给变速器1.2 锁止离合器的工作过程当前的车用液力变矩器锁止离合器大多采用内置式的湿式离合器，这种锁止离合器通常是在液力变矩器封装焊接之后就成了不可拆卸的整体，所以对这种锁止离合器性能的可靠性及寿命较普通的湿式离合器就有更严格的要求。摩擦材料的摩擦系数是影响湿式离合器性能的一个因素。然而，在温度上升后，摩擦材料依然能维持与结合面的吸附和良好贴合的能力则显收稿日期：2003-12-10基金项目：国家自然科学基金资助项目（50122151）；（50205027）作者简

6、介：胡建军（1973-），男，四川达州人，重庆大学博士后，主要从事车辆自动变速传动研究工作。重庆大学学报 2004年R用广泛。为了获得更好的耐热性，后来又在KeviarO离合器中添加了芳香尼龙纤维作为添加剂，使离合器7的表面能承受更高的温度。滑差控制型锁止离合器的摩擦材料主要采用的是两种类型的碳基摩擦材料。其中一种是类似于纤维素和Keviar的摩擦材料，图l 具有滑差控制功能的锁止离合器及控制油路得更为重要。了解摩擦材料的这些重要的性质，将有助于理解离合器在油液中的工作情况。l.2.l 锁止离合器的摩擦材料首先离合器的摩擦材料要能吸附自动变速传动油ATF），并要能在离合器及其对偶表面间储存油液

7、。这也是很多摩擦片上有孔的原因，如图2所示6。其次，摩擦材料要能吻合与之配合作用的表面（钢质的液力变矩器前盖）。这样才能提高离合器形成超薄油膜的能力，以产生在结合前传递扭矩所必需的油膜。另外，摩擦材料必须能在温度升高的情况下保持上述性能。图2 带孔的碳素纤维摩擦盘锁止离合器的摩擦材料有多种。传统的铜基粉末冶金材料在早期的“结合分离”型锁止离合器中应但碳的含量更高；另一种就是GM在l998年开发的由碳素纤维编织成基体的摩擦材料8。由于这种碳的组织具有很好的热传导性，通过把热量传递给锁止活塞进行散热，它能承受比KeviarRO的摩擦材料更高的温度，在滑动时对摩擦衬面的影响很小。这些性能使得碳基的摩

8、擦材料，特别是碳素纤维编织成的摩擦材料尤其适用于脉宽调制式（PWM）的滑差控制锁止离合器9-l0。l.2.2 湿式离合器的扭矩传递湿式离合器在结合过程中，会产生冲击。图3是离合器的压紧油压、滑转速度和扭矩随结合过程的变化情况7。图3 离合器的压紧油压、滑转速度和扭矩随结合过程的变化趋势从图中可以看出，离合器的结合过程可明显地分为3个阶段。第l阶段，是离合器结合的起始阶段，此时的离合器摩擦副间间隙很大。离合器类似于粘性联轴器，所有的扭矩都靠ATF的剪切力来传递。第2阶段，摩擦副间间隙迅速减小。尽管在这个阶段扭矩依然是通过ATF来传递，然而是通过另一种方式（约束流体的剪切）来实现的。第3阶段，离合

9、器摩擦副表面接触，开始通过静摩擦传递扭矩。通过对上述过程的分析，可以得出摩擦材料的摩擦系数在离合器结合过程的第l阶段和第2阶段是无关紧要的。只是在向第3阶段转变的很短时间内，摩擦系数才起到了作用。实际上，所谓的冲击现象就是在动摩擦传动和静摩擦传动之间转换时不同的摩擦系数造成摩擦力矩的突变。这种“滑动结合”和“结合滑动”状况，或者说这种“结合状态”是可以预测（第27卷第2期 胡建军等： 液力变矩器锁止离合器性能及滑差控制11-13和控制的，因此这种结合冲击也是可以控制的。离合器结合过程中会产生热量，热量主要是由离第2阶段和第3阶段的起始阶段合器结合第1阶段、油液的剪切造成的。众所周知，高温是离合

10、器的“第一杀手”。如果散热设计不合理，系统就会失效，甚至会造成灾难性的后果。ATF是影响湿式离合器性能好坏的一个很重要的因素。1.2.3 ATF以混用或相互替代的。在过去的几十年中，对ATF的性能要求在不断提高。ATF用于自动变速器中，作为能量传递介质、润滑介质和热传递介质，实现了对自动变速器的润滑、冷却、动力传递、温度控制和平顺变速。ATF需要具备如下的性能要求：1）适宜的高温粘度、较高的粘度指数和优良的低温性能；2）优良的抗氧化性能；3）相匹配的静、动摩擦特性；4）稳定的摩擦耐久性能；5）良好的换档感觉14。表1 不同类型的ATF基础油性能项目溶剂精制油石蜡基环烷基加氢油合成油粘度指数高低

11、高很高橡胶溶胀性较差好很差很差氧化安定性好相当差很好极好氧化沉淀物低高低极低低温流动性（脱蜡后）好好很好极好ATF是由基础油加上添加剂调配而成，基础油对ATF的粘度、低温流动性、热氧化安定性等都有着显著的影响。表1为不同类型的ATF基础油性能。在选择ATF基础油中，高温粘度和低温流动性是最先考虑的基本条件。ATF各项性能的平衡主要靠添加剂来实现，所用的添加剂主要有粘度指数改进剂、清洁分散剂、抗氧化剂、防锈剂、抗腐剂、抗泡剂、密封材料溶胀剂、摩擦改进剂、金属减活剂和红色染料等。ATF配方的研制非常复杂，正确合理选用添加剂并平衡每一种添加剂的效能和对其它性能影响的关系，是成功调配ATF所必须掌握的

12、关键技术。对于滑差可控锁止离合器，其ATF应该使离合器具有如图4所示的摩擦性能15-17。目前汽车上用的ATF有多种规格，不同的厂商所采用的ATF规格根据其变速器的具体要求而不同。如GM采用的DEXRON!，FORD采用的MERCON"，Toyota采用的ATFTypeT-!，Chrysier的ATF+4，还有Aiiison公司的AiiisonC-4和Caterpiiiar公司的TO-4等等18。值得注意的是这些油品不是都可图4 滑差可控变矩器离合器摩擦系数值的要求随着汽车轻量化的趋势，冷却系统尺寸的缩小使冷却能力降低。发动机功率的不断增大，变矩器不得不吸收更多的扭矩，因而产生更多的

13、热量传到变速器里。滑差控制锁止离合器的滑差使摩擦片和对偶钢片之间产生了极高的温度，足以很快使普通的ATF失效19。而且，汽车制造商开始考虑到其产品对环境的长期影响，这就需要延长ATF的使用里程。因此，变速器需要更高性能的ATF。合成油在更宽的温度范围内表现出了更稳定的性能20，其寿命也因此得以提高。所以，合成油很好地满足了自动变速器的对ATF提出的要求，是ATF的发展方向。2 液力变矩器锁止离合器的滑差控制滑差控制对于减少汽车的燃油消耗来说是一项很有效的技术。滑差控制是通过改变闭锁离合器摩擦片的压紧油压来实现的，通过控制闭锁离合器摩擦片的压紧力大小控制闭锁离合器的滑差量。为了精确地控制闭锁离合

14、器的结合油压，目前都采用了电子控制。图5为具有滑差控制功能液力变矩器的汽车传动系模型。当变矩器锁止离合器结合时，变矩器的输入轴和输出轴就处于锁止状态，有效地减少了液力变矩器的能量损失。然而，闭锁离合器锁止也带来了不良后果，因为由发动机燃油燃烧时产生的转矩波动引起的噪音和振动会直接传递到汽车的传动系中，降低了乘坐的舒适性、汽车的操纵性和传动系的寿命。另一方面，当锁止离合器分离时，尽管因为液力变矩器的工作而产生了部分能量损失，但却有效阻隔了发动机转矩波动向传动系的传递。因此，传统的闭锁离合器在高车速区域结合而在其它车速区域分离。因为只有在高车速区域时，发动机的转矩波动才不那么明显。图5 具有滑差控

15、制功能液力变矩器的汽车传动系模型重庆大学学报 2004年滑差控制系统的研究开展了这么多年，其研究的目标主要集中在：1）获得较大幅度燃油经济性的改善；2）获得优越的操纵性能；3）获得高度的可靠性。为了实现这些目标，相关科研人员正在进行以下的工作：1）具有优良控制性能的液压控制装置的开发；2）具有优良的响应和鲁棒性的反馈控制算法的研究；3）液力变矩器锁止离合器摩擦衬面和高摩擦性能的ATF的开发。滑差控制系统在预先给定的滑差量的情况下结合锁止离合器。在这种情况下，动力通过两条路径传递到变速器，其中一部分动力由液力变矩器（液力传动）传递，另一部分由锁止离合器（机械传动）来传递，液力传动与机械传动的分配

16、比例由锁止离合器的滑差量来决定。改变锁止离合器的滑差量能调节动力的分配比例，其变化范围可以从完全结合到完全分离。滑差控制系统设计的重点是反馈控制器的设计。加反馈控制器后整个闭环控制系统的目标是：通过改变电磁阀占空比来改变闭锁离合器的结合油压，从而跟踪目标滑差量（使实际滑差量等于目标滑差量）。目前的反馈控制器因设计目标的不同而有多种方法。有PID反馈控制器，有应用了“2-Riccati”公式的 控制器等等。图6为一种在线控制方法。由于其模型辨识时间很短，所以其控制器的计算效率很高，系统响应很快21。图6 滑差控制原理图滑差控制系统根据汽车的行驶工况，实现较理想的动力传递分配比例，以此来平衡能量损

17、失和振动及噪声之间的关系。尤其是该系统能极大地改善在低车速区域的动力传动效率，因此使改善燃油经济性成为可能。图7为具有滑差控制功能的五档自动变速中型轿车在不同工况下的燃油节省情况（与没有滑差控制功能的同类汽车相比）。图7 燃油节省率从图中可以看出，城市工况的燃油节省最为显著。应用了滑差控制的变速器在高速时锁止离合器完全结合，所以在高速公路上的节油效果并不明显。然而在城市道路上，由于汽车频繁换档和加减车速，特别是在加速过程中，应用了滑差控制的变速器传动效率有了较大改善。这是因为没有滑差控制功能的汽车在换档和加速过程中，由于锁止离合器的完全分离，转而采用纯液力传动而产生很大的能量损失。图8为锁止离

18、合器结合、滑差控制和分离时传动系的振动与发动机转速之间的关系22I。锁止离合器采用滑差控制后，液力变矩器能有效地吸收发动机的扭矩波动。在提高传动效率的同时，传动系的振动强度得到了有效的控制。图8 传动系振动评价3 结 语碳素纤维摩擦材料在液力变矩器闭锁离合器中的应用，以及更高性能ATF的研制及使用，大大提高了锁止离合器的性能。液力变矩器锁止离合器的滑差控制是今后AT轿车的一个重点发展方向。目前，国内在这方面的研究工作还处于起步阶段，国外开展的主要工作是开发性能更高的反馈控制器，研制性能更好的摩擦材料和ATF等等。液力变矩器锁止离合器滑差控制技术的采用，在保留液力传动的优点的同时，提高了整车的燃

19、油经济性。在石油能源危机和大力倡导环境保护的今第27卷第2期 胡建军等： 液力变矩器锁止离合器性能及滑差控制天，这种控制技术显示出了很大的应用价值和发展前景。参考文献：1 朱经昌，魏宸官，郑慕侨，等.车辆液力传动（上、下）M.北京：国防工业出版社，1982.2 葛安林.车辆自动变速理论与设计M.北京：机械工业出版社，1993.3 HIROSHINAKABE.TorgueConvertertheShapeoftheBiadedWheeisthatDeiiverSubarusExceiientDrivingPer-formanceJ.Subarunews.SNS2002，0202：1-2.4 周云

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30、ptionisachieved.Keywords：iock-upciutch；structure；siipcontroi（编辑 成孝义）液力变矩器锁止离合器性能及滑差控制作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：胡建军， 秦大同， 蒋小华重庆大学,机械传动国家重点实验室,重庆,400030重庆大学学报(自然科学版)JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)2004,27(2)6次1.BOB WARNKE The Converter Clutch Learning Curve 19992.Automatic T

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