自动变速器多片湿式离合器热性能优化设计

自动变速器多片湿式离合器热性能优化设计

多段湿检测器是自动检测器中的一个常见元件。为了确保良好的工作性能，国内外科学家对换纸操作进行了大量的优化和可靠性研究。在这项工作中，我们根据结合装置的实际工作环境，建立了一套优化组合的数学模型，并通过动态模拟对优化前后热度指标进行比较，验证了使用优化方法的有效性并提高了自动换动器的性能。1数学模型的构建1.1摩擦片高温烧损的影响因素试验表明,离合器工作在最大发热率和最高温度的情况下会发生摩擦片烧结,通过优化离合器参数对离合器结合过程中的发热率和温升实施控制能够有效地降低其失效率(烧结、磨损或热变形).摩擦片产生高温烧损与以下因素有关:①平衡温度高:与平均最大发热率Lu、一定时间间隔内的接合次数以及润滑油冷却程度(油通过摩擦面流量和润滑油类型)等有关.②瞬间温升过高:与瞬间最大发热率lm和摩擦片的比热容等有关.因此,选择接合终了时刻摩擦面上的平均滑摩功和单位面积最大滑摩功率作为优化设计的目标,进行多目标优化.1.2设计变量的确定根据离合器设计公式及以往资料表明,影响离合器热性能的参数主要包括动摩擦系数f与单位面积压力p0,摩擦片数,离合器内外径,油压上升时间.故确定离合器优化设计的设计变量为[x1,x2,x3,x4,x5]T=[fp0,n,R1,R2,tn]T.1.3面的面积fa约束函数是优化设计中对设计变量限制的附加条件,在换档离合器设计中,主要有4方面的约束:①力学强度方面的约束;②尺寸约束;③换档离合器热性能约束;④车辆整机性能提出的约束.下面具体介绍每个约束的表示及其作用.具体约束如下:1)储备系数β=max(Τstatic)[Τ]=max(Τstatic)μ0Rm[pA]nAeff≥[β](1)式中,Rm=(R1+R2)/2,R1和R2为摩擦面的内半径和外半径;μ0表示静摩擦系数;Aeff表示单个摩擦面的有效面积,满足Aeff=fAA,A为单个摩擦面的面积,fA为一比例系数,用于去除油槽的影响,此处取为0.6;n表示摩擦面的对数;max(Tstatic)表示离合器传递的最大力矩;表示向下取整.2)平均圆周线速度校核公式如下:vm=(R1+R2)2Δω≤[vm](2)式中,Δω表示离合器主动盘和被动盘之间的相对转速.3)摩擦材料的表面比压用于描述摩擦材料承受压强的能力,校核公式如下:pA=FAeff≤[pA](3)式中,F表示压紧力.4)摩擦片外径D与离合器外壳的尺寸有关,设其空间条件为D1～D2,即1-D1/D≥01-D/D2≥0}(4)5)摩擦片最大圆周速度v不应该大于v1(最大圆周速度允许值),即D≤v1×60×103/(π×ne)(5)式中,ne为摩擦片最大转速,r/min.6)摩擦片内外径之比C0应在C01～C02内,即1-C01/C0≥01-C0/C02≥0}(6)7)摩擦面面数n一般不超过确定值n2,大于确定值n1,即为1-n1/n≥01-n/n2≥0}(7)8)摩擦片厚度的取值范围设为h1～h2,则约束条件为1-h1/h≥01-h/h2≥0}(8)9)摩擦片片间距S的约束:1-S1/S≥01-S/S2≥0}(9)10)摩擦片单位面积压紧力p0和摩擦系数f取值范围设为p01～p02和f1～f2,则w=fp0的范围为w1～w2,其中,w1=f1p01,w2=f2p02,因此,约束条件为1-w1/w≥01-w/w2≥0}(10)由式(1)可知fp0≥12βΤemaxπfp0n(D3-d3)}(11)11)接合时间上界约束:tn-[tn]max≤0(12)式中,tn为离合器一次接合所用的时间,[tn]max为给定的接合时间上界.该约束是整机为提高作业效率提出的要求.1.4主要目标优化作为影响离合器热性能的2个主要参数动摩擦系数f与单位面积压力p0是相互制约的.f减小则使摩擦面单位压力p0增加,但是p0的提高即会受摩擦材料性能的限制,又将导致离合器尺寸增大.因此,在保证足够的传扭能力的同时,希望离合器摩擦片摩擦系数f尽量小一些,同时摩擦面单位压力p0也尽量小一些.f,p0作为两个性能参数,有其非常明显的不确定性,因此,这是一个具有模糊性的最佳值求解问题,因此先把fp0作为一个综合指标,记为w,也就是w尽量小.经过以上分析可以看出,离合器设计是一个带有模糊性因素的多目标优化问题.针对离合器设计过程的诸多不确定性,采用模糊理论和主要目标法进行离合器的优化设计,主要思想为:抓住主要目标,兼顾其他要求.以下分2步进行:第1步为主要目标优化,第2步为最佳f和p0优化.将单位面积最大滑摩功率和单位面积平均滑摩功作为主要目标,求解过程中把离合器的转矩容量计算作为整体转化为约束条件,得到主要目标的最小值,然后对f和p0进行模糊优化.具体优化程序流程图如图1所示.该优化问题属于有约束非线性最优化问题,宜采用基于K-T(Kuhn-Tucker)方程解的方法.MATLAB把以上方法定义为fmincon函数,对于离合器主要目标优化,在fmincon函数中提供信息options=optimset(‘LargeScale’,‘off’),使该优化按逐次二次规划法求解,得到离合器主要目标优化最优解X=[fp*0,n*,R*1,R*2,t*n]T.此后就可利用模糊扩展原理及随机方向检索法即可求得摩擦系数和单位压紧力的最优解.2模拟模型的构建2.1过程动态仿真换档离合器的液压控制单元主要由缓冲阀、滑阀、电磁阀组成,其中,缓冲阀的作用是减小换档过程的动载荷,保证良好的换档品质.电磁阀用来控制输出油压及离合器的结合时间,从而保证精确的换档时间控制与较高的换档品质.根据离合器油压单元工作原理,建立起离合器液压执行元件的动态仿真模型,如图2所示.将仿真得到的离合器输入油压曲线与试验曲线作对比,得到的结果见图3,由对比结果可看出,在离合器充油过程的5个阶段中,仿真得到的离合器油压曲线,除一小部分存在偏移外,大部分仿真结果与试验结果相吻合.通过与试验结果的对比,充分验证了仿真模型的精确性及有效性.2.2采用动态组合过程模型根据离合器工作原理及离合器接合与分离时的受力分析建立离合器简易仿真模型,输入条件采用速度驱动方式,离合器仿真模型见图4.2.3性能分析和计算方法根据滑摩功与滑摩功率计算公式,采用离合器模型得到的转矩与转速差曲线,得到离合器单位面积滑摩功率与单位面积滑摩功的动态计算数学模型,如图5所示.仿真得到的摩擦片单位面积滑摩功率及单位面积滑摩功变化曲线如图6所示.图6a表示离合器接合过程中的滑摩功率变化规律,图6b表示滑摩功变化规律.从图中可以看出,滑摩过程中最大发热率大致在接合时间的中点,而滑摩功则在接合过程中是不断增加的.由离合器C3设计公式计算出的离合器主要热性能指标结果见表1.对比仿真结果和计算结果,由于仿真计算中忽略了摩擦力和泄漏等因素,计算结果较仿真结果在时间上略有滞后,滑摩时间略长,滑摩功率略高于仿真计算结果.从各个曲线的变化规律和数值大小来看,仿真计算结果和试验结果吻合,说明所采用的数学模型和仿真计算方法能够反映出系统动态特性,以此为基础进行系统的性能预测和匹配能够为改进设计提供重要参考.3输入转速b应用以上分析采用的优化方法,可以极方便地进行行星变速箱换档离合器优化设计.实例:对某一兵工车辆行星变速箱换档离合器(工程机械)进行优化设计.其输入转矩为2138N·m,输入转速为3472r/min;行星变速箱输出轴上的阻力矩为T2=3597.8N·m.对离合器C3进行优化,表2所示数据是本文所用行星变速箱换档离合器优化设计结果与原设计结果的对比.将以上参数优化后的数值代入离合器动态仿真模型中,得到如图7所示的仿真结果.优化设计的目标确定为摩擦面的单位面积平均滑摩功和单位面积最大滑摩功率之加权和最小.设计结果看出,优化设计结果的目标函数较原设计降低了10%.可见,用该程序进行优化设计,与生