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林晓华
, 赵亦农
北京理工大学 机械与车辆学院, 北京 100081
LIN Xiaohua, ZHAO Yinong
中图分类号: U467.495
文献标识码: A
文章编号: 1006-7167(2017)05-0048-05
通讯作者:
收稿日期: 2016-09-1
网络出版日期: 2017-05-20
版权声明: 2017 《实验室研究与探索》编辑部 《实验室研究与探索》编辑部 所有
基金资助:
作者简介:
作者简介:林晓华(1990-),男,福建建瓯人,硕士生,主要研究方向为干式离合器摩擦转矩模型。Tel.:18811769528; E-mail:linxiaohua789@163.com
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摘要
在自动干式离合器中,获得精确的摩擦转矩对提高离合器的控制效果有着重要影响。而摩擦转矩的精确度很大程度上依赖于摩擦系数的精确度。因此为了研究干式离合器摩擦片的摩擦系数与压力、转速和滑磨过程中摩擦片表面温度的关系,设计了干式离合器摩擦片摩擦系数测试台架。该台架由机械系统、伺服电动机控制系统和数据采集系统组成。机械系统由底座、减速机和弹簧等组成,主要实现压力的手动调节功能;伺服电动机控制系统由触摸屏、PLC控制器和伺服电动机驱动器等组成,主要实现电动机转速和转向的控制;数据采集系统由单片机和计算机等组成,实现所有数据的采集和显示功能。经实验验证,该台架可以实现压力和转速的控制并完成压力、转速、摩擦转矩、摩擦片表面温度和摩擦系数的同步采集,在干式离合器摩擦系数影响因素的研究中起到了重要作用。
关键词：
Abstract
For automatic dry clutches, it is important to obtain the accurate friction torque to improve the control effect of the clutch. And the precision of the friction torque is largely dependent on the precision of the friction coefficient. So in order to analyze the relationship among friction coefficient, clamping force, rotate speed and surface temperature of dry clutch plates, a friction coefficient measurement bench is designed. The bench is made up of the mechanical system, the servo-motor control system and the data acquisition system. The mechanical system is composed of a base, a speed reducer, a spring and so on, it is mainly to achieve the manual pressure adjustment. The servo motor control system consists of a touch screen, a PLC controller, a servo motor drive and so on, it is mainly to achieve the control of the motor speed and direction. The data acquisition system consists of a single-chip, a computer and so on, it is to achieve the function of data acquisition and display. The experiments showed that the bench had the functions of controlling clamping force and rotate speed, and it could also collect signals of clamping force, rotate speed, friction torque, surface temperature and friction coefficient synchronously. The bench plays an important role in the friction coefficient research.
Keywords：
在装配有AMT和干式DCT的车辆中,干式离合器的控制效果对汽车的动力性、经济性和平顺性都有很大的影响[1-3]。要实现干式离合器的良好控制,对离合器当前传递的摩擦转矩进行精确的计算是必不可少的。由离合器摩擦转矩的计算公式[4]可知,要获得精确的离合器摩擦转矩,离合器摩擦片与其对偶件的摩擦系数是无法忽略的因素。摩擦系数有很多影响因素:摩擦材料的种类、摩擦片表面粗糙度、表面温度、相对滑动速度和压力等都会对摩擦系数产生影响[5-6]。从离合器的实际使用工况、摩擦片厂的生产经验和相关文献[7-12]的分析中得出离合器摩擦片摩擦系数的3个主要影响因素:转速差、压力和摩擦片表面温度。为了分析上述3个参数对摩擦系数的影响,本文设计了干式离合器摩擦片摩擦系数测试台架。
如图1所示,该台架主要由伺服电动机、摩擦盘、压盘、带ADC和串口的单片机、PLC控制器等组成。台架以伺服电动机为动力源,带动摩擦盘转动;压盘固定在滑动导轨的滑块上,并由减速机等传动件驱动;压力信号由压块与右压盘之间的力传感器采集;温度信号由热电偶采集;电动机转速与转矩信号则从伺服电动机驱动器中采集。由此即可根据电动机转矩、压力以及摩擦片的等效摩擦半径计算出摩擦系数[4]:
式中:Tc为电动机扭矩;F为压力;Rc为摩擦片等效摩擦半径;Z为摩擦面的数量;R为摩擦片大端半径;r为摩擦片小端半径。
通过所测数据,可以进一步得到摩擦系数随转速、压力和摩擦片表面温度的变化情况。按照功能的不同可以将台架细分为机械系统、电动机驱动系统和数据采集系统。
台架的机械系统主要由图1中的传动轴、摩擦盘、石棉隔热层、摩擦片、左压盘、弹簧、右压盘、压块、手轮、蜗轮蜗杆减速机、丝杆螺母滑台、滑动导轨和台架底座组成。传动轴左端通过联轴器与伺服电动机输出轴相连,右端通过平键与摩擦盘相连以保证周向定位,并通过顶丝保证轴向定位。摩擦片(见图2)通过高温结构胶黏贴在摩擦盘上,在摩擦片与摩擦盘之间黏贴一层石棉隔热层(见图3),使得摩擦片与摩擦盘之间近似保持绝热条件。滑动导轨固定在台架底座上,左压盘和右压盘固连在导轨的两个滑块上。两压盘用弹簧连接,保证压力传递过程存在弹性环节,使得压力可以逐步增加。K型热电偶埋在左压盘上,位置位于压盘与摩擦片接触区附近。力传感器固定在右压盘上,丝杆螺母滑台固定在台架底座上,压块与滑台的螺母固连,蜗轮蜗杆减速机的输出轴通过联轴器与滑台的丝杆相连,输入轴则与手轮相连。滑台一方面可以将丝杆的转动转化为螺母的移动;另一方面又起到反向锁止的作用,保证手轮释放后压力可以继续保持。减速机在省力的同时还可以进一步加强反向锁止作用。
实验过程中,手动旋转蜗轮蜗杆减速机上的手轮,减速机输出轴带动滑台的丝杆转动,从而带动压块移动,压块进一步推动右压盘、弹簧和左压盘移动,使得左压盘与摩擦盘上的摩擦片接触。经上述步骤,完成压力的施加过程。
台架针对的测量对象是离合器摩擦片,因此以长春一东离合器厂生产的DS430N1离合器摩擦片为摩擦材料。由于一般的离合器摩擦片沿径向上各点的线速度不同,导致了各点的滑磨功和热流密度并不相同,由有限元和传热学相关计算公式[13-16]可知,摩擦片各点的温度不相同。为了得到离合器摩擦片表面温度与摩擦系数的关系,将DS430N1摩擦片加工为内外径之比为0.8的摩擦圆环。由于摩擦圆环内外径之比较大,摩擦片各点的滑磨线速度较为接近,各点的温度基本相同。
对离合器从动盘进行热分析(见图4)可知,离合器摩擦盘在滑磨过程中,近似为轴对称传热,摩擦片与从动盘本体的接触面的热边界条件可以等效为绝热条件。为了模拟该情况,在台架上将摩擦片与摩擦盘之间增加一层石棉隔热层。
经理论分析和有限元计算(见图5)可知,温度场的分布是连续的,所以摩擦片与压盘接触面的温度理论上是相同的。因此台架通过K型热电偶直接测量压盘上的温度,并将其作为摩擦片的表面温度。
电动机驱动系统的主要功能是对电动机转速进行设置。硬件(见图1)包括伺服电动机、伺服电动机驱动器、PLC控制器和触摸屏。其中触摸屏的作用是充当电动机控制界面(见图6),该控制界面使用触摸屏配套的组态软件进行编写。
PLC控制器完成对伺服电动机转速和转向的控制。根据台架的设计目标,电动机控制程序需要完成如下功能:电动机启停设置、电动机转向设置、电动机转速设置和电动机匀加减速设置。具体的电动机控制流程如图7所示。从触摸屏中输入控制电动机所需的信号并传递给PLC控制器,PLC控制器根据电动机控制程序将脉冲信号发送给伺服电动机驱动器,伺服电动机驱动器再根据编码器信号对电动机转速进行闭环控制。
数据采集系统需要完成压力信号、温度信号、转速信号和转矩信号的实时采集和显示工作。其中硬件系统(见图8)主要由多通道恒压源、压电式力传感器、电压隔离变送器、K型热电偶、伺服电动机驱动器、单片机和计算机组成。恒压源给压电式力传感器和电压隔离变送器供电,并在单片机的AD转换过程中作为参考电压保证转换精度。力传感器输出的微弱电压信号经电压隔离变送器放大并传给带单片机,单片机通过ADC采集模拟信号并转换为数字信号,最后通过串口通信传给计算机。K型热电偶、电压隔离变送器和单片机组成温度测量系统。摩擦片表面的温度信号由K型热电偶采集,经电压隔离变送器和单片机传给计算机。该测温系统使用前需要先经过恒温箱的标定。在热电偶冷端温度为25 ℃的条件下,将热电偶热端放入恒温箱中进行标定,所得数据经拟合得到温度T与温度测量系统输出值X的关系:
由此可得图9,并且由式(3)所得的温度值T与恒温箱的温度值Tm之间的均方根误差RMSE=2.43 °C,可以满足台架对温度的精度要求。伺服电动机驱动器可以实时输出电动机转矩信号和电动机转速信号,该信号依旧经单片机传递给计算机。
数据采集系统的软件系统(见图10)包含两部分内容。一部分是单片机上的AD采集程序和串口通信程序;另一部分是计算机上使用LabVIEW进行编写的数据采集程序,主要包括:串口通信程序、各传感器的数据识别程序以及数据存储程序。
经上述设计过程,得到干式离合器摩擦片摩擦系数测试台架(见图11),使用该台架在压力为50 N,转速为100 r/min条件下测量摩擦系数。在同样的速度和压力条件下,使用UMT摩擦磨损仪测量该摩擦片的摩擦系数,对照实验所用设备和材料见图12。将两个测量结果进行对比,结果(见图13)显示两者较为接近,并且两者的均方根误差RMSE=0.033 4,误差较小。该台架可以满足摩擦系数的测量要求。
干式离合器摩擦片摩擦系数测试台架主要分为机械系统、电动机控制系统和数据采集系统。该台架可以模拟离合器摩擦片的实际使用情况,实现压力和转速的调节功能,还可以采集并实时显示转速、压力、扭矩、温度和摩擦系数的变化规律。台架的性能经过了测试验证,在干式离合器摩擦系数影响因素的研究中起到了重要作用。
The authors have declared that no competing interests exist.
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AMT车辆离合器自动控制策略优化 [J].DOI:10.3969/j.issn.1005-9830.2013.05.015 URL [本文引用: 1] 摘要
为了提高自动机械变速器(AMT)车辆起步过程中的离合器自动控制效果,该文对传统的离合器自动控制策略进行了优化。基于起步过程中的动力传动系受力分析,结合实验数据,指出了AMT传统的起步过程难以兼顾平稳性和快捷性的控制难点。为此,进一步细化起步过程控制阶段,将滑摩阶段分为前后两段,优化了滑摩阶段后段的控制策略,提出分离离合器以减小同步点处冲击度的控制策略,实现了起步过程平稳性和快捷性的一致。实车实验验证了控制策略的可行性。
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自动机械传动系统起步过程中离合器的自适应控制策略研究 [J].
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干式DCT换挡控制的研究 [J].DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2015.07.024 URL [本文引用: 1] 摘要
对干式DCT进行了介绍,对单个离合器接合过程及两个离合器配合进行了分析,建立了EASY5仿真模型,并对离合器接合过程进行了仿真分析,得到不同控制策略下离合器活塞位移及传递扭矩的特性曲线。同时通过台架试验,验证了仿真模型的准确性。对不同控制策略下的换挡品质进行了对比,结果表明：变速接合优于匀速接合,为以后控制规律及策略的制定提供了参考。
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汽车干式双离合器接合过程动力学与控制的研究 [D]. |
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高速干摩擦实验技术与材料摩擦特性研究 [D]. |
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摩擦因数对微型汽车起步抖动影响的研究 [J].
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摩擦系数对AMT起步的影响研究 [D].
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粉体材料动摩擦系数的实验研究 [D].
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金属摩阻材料间摩擦系数与滑动速度关系的研究 [J].
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DCT换挡过程膜片弹簧离合器滑摩状况的研究 [D]. |
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Computation of surface temperatures and energy dissipation in dry friction clutches for varying torque with time [J].DOI:10.1007/s12239-014-0076-9 URL Magsci 摘要
This paper describes an investigation of the energy dissipated and the surface temperature at any instant of dry friction clutch assuming torque being a function of time during the slipping. The equations of the thermal loads, total energy dissipated and relative velocity between contact surfaces are presented. Two-dimensional axisymmetric heat conduction problem of dry friction clutch is modeled mathematically and solved numerically using the finite element method to determine the temperature distribution during a single engagement assuming uniform wear between the contact surfaces. The comparison is made between temperature field assuming the torque varying with time and when it’s constant with time. Moreover, the effects of slipping time and dimensionless thickness of the pressure plate λ are to be investigated as well.
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The correction factor for rate of energy generated in the friction clutches under uniform pressure condition [J].URL 摘要
Abstract Most of failures in friction clutches occur due to excessive heat generated between contact surfaces during the slipping; for that reason the equation of rate of energy generated is considered the essential element in the design process for friction clutches to obtain temperature field and thermal stresses, and then to estimate the lifecycle. High temperatures produce high thermal stresses at contact area. When the clutch continues working under these conditions, this brings about several disadvantages such as: surface cracks and permanent distortions, and likely this might lead to failure before excepted lifetime of the clutch. Therefore, if there is an error, however small might appear to be, in the equation of thermal load due to the assumption, the final results will be greatly affected. The accumulative errors during repeated engagements and the value of error produced by equation of thermal load will be unacceptable for design. This paper present the correction factor for the thermal load equation derived from the equation of motion for two-inertia system when the pressure is assume uniform on the contact surfaces.
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Analysis of thermal load for dry clutch under the frequent launching condition [C]// |
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