用于干式離合器的溫度-摩擦綜合建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于離合器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于干式離合器來說，由于在工作過程中不能如濕式離合器一樣采取有效的強(qiáng)制 冷卻措施，故而在頻繁換擋工況下，離合器會經(jīng)常工作在較高的溫度范圍內(nèi)。而高溫的工作 環(huán)境，尤其是離合器摩擦面的溫度會嚴(yán)重影響離合器系統(tǒng)的工作特性，例如摩擦系數(shù)，摩擦 片的膨脹度，膜片彈簧的彈簧剛度等，因此會影響離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的能力，并且會直接導(dǎo)致 離合器磨損的增加。溫度過高時(shí)，離合器可能由于局部過熱導(dǎo)致的熔結(jié)或粘結(jié)而失效，直接 影響車輛行駛安全性。
[0003] 同時(shí)，離合器的主要作用就是通過其分離、滑磨以及接合來切斷或者傳遞動(dòng)力，離 合器是車輛系統(tǒng)中應(yīng)用摩擦作用的典型部件之一，汽車起步和換擋過程的舒適性更是依賴 于對離合器摩擦扭矩的大小及變化過程的合理、精確控制。而離合器的摩擦過程是一個(gè)復(fù) 雜的動(dòng)態(tài)過程，且溫度對摩擦表面的摩擦特性有很大的影響，對于換擋控制來說，若不考慮 溫度補(bǔ)償，很難保證好的換擋質(zhì)量。建立反映離合器復(fù)雜摩擦特性和過程的模型對離合器 的研究有重要的意義。
[0004] 因此，建立干式離合器的溫度模型，以及受溫度影響且可反映摩擦動(dòng)態(tài)特性的干 式離合器綜合模型，不僅可以為離合器的溫度保護(hù)提供依據(jù)，有利于對離合器磨損和剩余 壽命的預(yù)測，從而保證離合器的可靠性，更可以為離合器的控制策略的制定提供指導(dǎo)意義。 對于考慮溫度及復(fù)雜摩擦特性的離合器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，便于對離合器控制量做出 修正來提高離合器控制精度，以及控制器的參數(shù)調(diào)整預(yù)開發(fā)，同時(shí)對應(yīng)用于AMT，DCT自動(dòng)變 速器的干式離合器及其控制系統(tǒng)開發(fā)也具有重要意義。
[0005] 由于離合器工作時(shí)在封閉殼體內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，使得離合器總成上安裝測量主從部分 溫度的傳感器十分困難，測量壓緊的摩擦表面的溫度更為困難，同時(shí)，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩?zé)o法 直接測得，利用模型觀測器的方法獲取離合器溫度和傳遞轉(zhuǎn)矩是合理且經(jīng)濟(jì)的選擇。目前 為了解決實(shí)際離合器控制中對離合器溫度和摩擦動(dòng)態(tài)信息的需求問題，許多專家和企業(yè)在 仿真建模方法設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了努力，針對于離合器的建模問題已經(jīng)提出了一些方法。
[0006] 目前對于AMT干式離合器溫度的研究較少，對DCT干式離合器溫度建模有以下研 究： 中國專利公開號CN10277513A，公開日2012年11月14日，專利申請?zhí)枮椋?201210143103.4,專利申請名稱為"用于干式雙離合器變速器的熱模型"。專利申請中描述 了一種確定干式雙離合器機(jī)構(gòu)溫度的方法，包括對第一離合器和第二離合器以及中心飛 輪、離合器殼體內(nèi)溫度的熱力建模，其熱力建模方案主要基于對熱傳導(dǎo)，熱對流的數(shù)學(xué)建 模。由于實(shí)際的離合器器件在不同的溫度下熱特性系數(shù)有較大變化，而這種方法并沒有反 映此部分的熱力特性，故而可能影響其模型精度。
[0007] 目前對于反映離合器動(dòng)態(tài)摩擦特性建模的研究較少。中國專利公開號 CN103790999A，公開日2014年05月14日，專利申請?zhí)枮椋?01310163575.0,專利申請名稱為 "估算車輛的干式離合器的傳動(dòng)扭矩的方法"。該方法通過對離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作，讓離 合器從接合到逐漸釋放使離合器發(fā)生滑動(dòng)并保持滑動(dòng)狀態(tài)，利用本狀態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置和動(dòng) 力源扭矩相同的特性，來更新扭矩轉(zhuǎn)速T-S曲線，用于對離合器傳遞轉(zhuǎn)矩控制。本方法的優(yōu) 點(diǎn)是估算方法簡單易實(shí)現(xiàn)，局限是更新后T-S曲線依然不能反映滑磨過程中不同滑磨時(shí)刻 由于溫度所引起的離合器轉(zhuǎn)矩特性的變化，難以較完整地反映離合器的摩擦特性。
[0008] 以上專利均是單獨(dú)對離合器的溫度或者摩擦力矩進(jìn)行建模，未能直接充分考慮二 者之間相互影響關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是考慮AMT干式離合器在不同工作狀態(tài)下的主要熱過程，以及受溫 度影響的動(dòng)態(tài)摩擦過程，提供一種基于AMESim高級建模與仿真平臺的用于干式離合器的溫 度-摩擦綜合建模方法。
[0010] 本發(fā)明將離合器整體模型分成離合器工作狀態(tài)判斷模塊、離合器熱量產(chǎn)生模塊以 及離合器動(dòng)態(tài)摩擦模塊； ① 離合器工作狀態(tài)判斷模塊:離合器的工作狀態(tài)判斷模塊輸入為離合器主動(dòng)部分轉(zhuǎn)速 ，從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速g，以及由執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的離合器主從動(dòng)盤之間的范圍為〇~1的壓緊力 信號，〇表示無壓緊力作用，1表示最大的壓緊力信號，巧,的大小與離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位 置有關(guān)，通過對離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制來實(shí)現(xiàn)對巧,的調(diào)整； ② 離合器熱量產(chǎn)生模塊：設(shè)離合器滑磨時(shí)的滑磨功無損失地全部轉(zhuǎn)化成熱能，在 4~fy的滑磨時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的熱量?為：
故而產(chǎn)生的熱流量表示為：
熱量產(chǎn)生模型的輸入為：，離合器滑磨狀態(tài)信號，以及由離合器動(dòng)態(tài)摩擦模 型輸出的離合器傳遞轉(zhuǎn)矩輸出為; ③ 離合器熱量交換模塊:是由滑磨熱量分配;離合器殼內(nèi)空氣與飛輪、壓盤、離合器殼 的對流換熱;離合器飛輪及壓盤軸向熱傳導(dǎo);離合器殼體與外部空氣對流及輻射換熱;離合 器內(nèi)空氣溫度估計(jì)五個(gè)子模型構(gòu)成： a、滑磨熱量分配子模型:結(jié)合式（1M2)得，在一個(gè)滑磨過程內(nèi)傳遞到飛輪和壓盤的總 熱量均如下式所示：
飛輪和壓盤得到的滑磨熱流量表示為：
式中分別表示壓盤和飛輪在滑磨時(shí)間^~內(nèi)產(chǎn)生的總熱量，分別 表示二者的滑磨熱流量； b、 離合器殼內(nèi)空氣與飛輪、壓盤、離合器殼的對流換熱子模型： 根據(jù)牛頓冷卻定律，對流換熱強(qiáng)度，即熱流量表示為：
式中，?，(?分別為飛輪和殼內(nèi)空氣對流換熱熱流量，以及壓盤和殼內(nèi)空氣對流換熱熱 流量;分別為飛輪和殼內(nèi)空氣的強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)以及壓盤和殼內(nèi)空氣的強(qiáng)迫對流 換熱系數(shù)，·4，Λ分別為殼內(nèi)空氣與飛輪、壓盤的換熱面積，分別為飛輪和壓盤的摩 擦表面溫度，t,為殼內(nèi)空氣溫度； c、 離合器飛輪及壓盤軸向熱傳導(dǎo)子模型： 導(dǎo)熱截面i相距^的兩點(diǎn)之間的熱流量為：
式中，么表示飛輪軸向熱傳導(dǎo)熱流量;炫為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，心，心分別為飛輪近摩 擦面溫度與遠(yuǎn)摩擦面處的溫度； d、 離合器殼體與外部空氣對流及輻射換熱子模型： 對流換熱熱流量表示為：
式中，?表示離合器殼體和殼外空氣對流換熱熱流量，g為二者的強(qiáng)迫對流換熱系 數(shù)，為為二者對流換熱面積，為殼外空氣溫度； 得到離合器殼體與離合器殼外部空氣的輻射換熱熱流量：
式中，?表不離合器殼體和殼外空氣福射換熱熱流量，__為福射系數(shù)，正比于殼體材料 黑度和輻射換熱面積，cr = s:.6:7:=ncrs?r / _:2 /J：4為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)； e、 離合器內(nèi)空氣溫度估計(jì)子模型： 殼內(nèi)空氣溫度由下式計(jì)算得到：
式中，I，為離合器殼內(nèi)空氣初始溫度，為離合器殼內(nèi)空氣質(zhì)量,??為空氣 比熱容，是空氣的熱交換熱量； ④離合器動(dòng)態(tài)摩擦模塊： 由lugre建模方法，搭建的離合器動(dòng)態(tài)摩擦模型表達(dá)如下：
其中，V為廣義的速度，在這里-ιΓ?|代表離合器主從動(dòng)部分的相對運(yùn)動(dòng)速 度，Ζ為接觸面之間的鬃毛平均物理偏移量，是反映 stribeck效應(yīng)的模型，為摩 擦力矩，是鬃毛的等效剛度，是鬃毛等效阻尼系數(shù)，是粘性摩擦系數(shù)。
[0011] 本發(fā)明離合器工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)過程為:首先判斷輸入壓緊力是否大于零，&小于 零則表明兩滑磨面之間無擠壓作用力即兩滑磨面無接觸，輸出離合器的狀態(tài)為分離;相反 如果/大于零，繼續(xù)判斷離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差的絕對值是否大于零， 等于零，則表明離合器主從動(dòng)盤已經(jīng)達(dá)到相同的轉(zhuǎn)速，輸出離合器狀態(tài)為完全 接合，反之表明離合器主從動(dòng)盤之間有轉(zhuǎn)速差，輸出離合器狀態(tài)為滑磨。
[0012] 本發(fā)明強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)/&由下式計(jì)算得來：
(7) 式中的為Nussel數(shù)，其值表示空氣與飛輪之間對流換熱的強(qiáng)烈程度U為空氣熱傳 導(dǎo)系數(shù)，為空氣與飛輪之間換熱特征長度。
[0013] 本發(fā)明強(qiáng)迫對流換熱過程N(yùn)ussel數(shù)表示為：
式中$為普朗特?cái)?shù)，圪叫做雷諾茲常數(shù)，表示氣體的慣性和黏度。
[0014] 本發(fā)明強(qiáng)迫對流換熱，其熱流量表示為：
式中，表示離合器殼體和殼內(nèi)空氣對流換熱熱流量;為二者的強(qiáng)迫對流換熱系 數(shù)，4?為二者對流換熱面積，?α為離合器殼體溫度。
[0015] 本發(fā)明離合器摩擦模型中g(shù)⑩>)表示如下：
(17) 式中:T為由離合器熱量交換模型得到的摩擦面溫度，Vs:為stribeck效應(yīng)速度。
[0016] 本發(fā)明溫度對的影響由下式表示：
(18) 式中，爲(wèi)為初始黏性摩擦系數(shù)，爲(wèi)為黏性表面潤滑狀態(tài)系數(shù)，f為黏性摩擦溫度衰減系 數(shù)，7\為黏性表面特征溫度。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是： 1)本發(fā)明所述的建模方法采用了汽車廠商廣泛應(yīng)用的高級建模與仿真軟件AMESim作 為平臺，進(jìn)行建模方法研究和仿真驗(yàn)證，利于方法的應(yīng)用和推廣。
[0018] 2)本發(fā)明所述的一種基于AMESim的干式離合器溫度-摩擦建模方法充分考慮了離 合器不同工作狀態(tài)下的關(guān)鍵熱過程，以及與之相互影響的離合器的動(dòng)態(tài)摩擦特性，將離合 器整體模型分成離合器工作狀態(tài)判斷模塊、離合器熱量產(chǎn)生模塊、離合器熱量交換模塊以 及離合器動(dòng)態(tài)摩擦模塊，采用模塊化建模的策略，對每一部分包含的子模型都進(jìn)行詳細(xì)建 模，清晰直觀地描述了離合器的特性。
[0019] 3)從本發(fā)明所述的技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)來看，基于不同的結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)設(shè)置，本發(fā) 明所述的干式離合器建模方法可以應(yīng)用于干式AMT離合器及干式DCT離合器系統(tǒng)，具備一定 的通用性。
[0020] 4)本發(fā)明所述干式離合器溫度-摩擦建模方法所提供的AMESim離合器溫度-摩擦 綜合模型能夠充分反映離合器的溫度及摩擦動(dòng)態(tài)變化情況，從而為以此模型為基礎(chǔ)的估 計(jì)、控制器開發(fā)和控制參數(shù)預(yù)調(diào)整等各種研究奠定良好的基礎(chǔ)，對離合器的設(shè)計(jì)，分析和改 進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義及應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0021] 圖1是AMT干式離合器結(jié)構(gòu)示意簡圖； 圖2是離合器溫度-摩擦模型建?？蚣苁疽鈭D； 圖3是干式離合器主要熱交換過程示意圖； 圖4a是干式離合器溫度-摩擦AMESim模型中離合器信號輸入模型圖； 圖4b是干式離合器溫度-摩擦AMESim模型中離合器工作狀態(tài)判斷模型圖； 圖4c是干