1、 年第期基于干式离合器温度预估及保护控制技术研究孙晓鹏，郑大伟，徐静，李传友，孟建平（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 ）摘要：离合器控制是机械式自动变速器控制的关键部分。离合器扭矩传递特性和温度变化存在一定的耦合关系，因此离合器的温度预估对离合器的传扭特性的研究具有重要影响。若离合器扭矩控制忽略温度的影响，导致对离合器的控制存在偏差，影响离合器的传扭特性。当离合器温度过高或过低时，应该采用相应措施对离合器进行保护。因此对干式离合器的温度预估具有重要的研究和工程实践意义。关键词：机械式自动变速器；干式离合器；温度场中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：孙晓鹏，男，山东
2、省潍坊市人，潍柴动力股份有限公司工程师。引言干式离合器由于热容量较小且散热性能较差，当离合器频繁起步或者换挡时，可能会存在离合器过热的现象，会对离合器转扭特性和使用寿命产生较大的影响。此时为了保证离合器的传扭特性以及离合器使用寿命，应该对离合器进行一定的保护措施，例如对驾驶员的提醒和对挡位的限制等。当在寒冷的条件下，离合器温度过低时，车辆启动时离合器温度对车辆的起步和换挡具有较大的影响，此时应进入冷启动状态，保证车辆能够正常行驶，同时延长离合器使用寿命。对于干式离合器温度场的研究，有些学者和工程人员采用有限元法建立离合器温度模型。优点是温度模型精确度高，但是该方法只适用于对离合器温度的研究的离
3、线仿真，不适合集成在控制器中进行实时计算，这就导致了离合器温度不能有效实时更新，为离合器传扭特性以及过温保护提供数据。本文通过建立离合器温度模型，以经验公式获得的参数作为参考值，通过实车实验不断迭代优化得到更为准确的离合器温度模型。以离合器温度模型得到数值为理论依据，设计了离合器过热或者过冷的保护措施，保证了离合器的传扭特性和使用寿命，同时也保证了起步换挡过程品质。传动系统数学模型的建立建立离合器温度变化模型，首先要建立车辆传动系统的动力学模型，计算车辆行驶过程中的滑摩功，然后通过离合器温度模型计算离合器的温度。图车辆动力学模型如图所示，车辆传动系统是一个多自由度、连续、时变、多部件相互耦合的
4、复杂系统。因此，为了提高运算效率，在保证模型有效的前提下，对传动系统模型作如下简化：、忽略路面、底盘等对传动系统的激励，认为车辆是在良好平直路面行驶。、忽略传动系统扭振和间隙，传动轴、齿轮等作刚性处理。发动机模型发动机是较为复杂的系统，难以用精确的数学表达式来描述发动机的特性，在研究和工程实践中均采用实验获取的数据拟合得到发动机扭矩特性。发动机输出扭矩为发动机节气门开度与发动机转速的函数，即如式/所示：（，）/根据发动机实验获取的数据，通常借助查表、拟合和DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.012内燃机与配件 插值的方法建立发动机扭矩输出特性数学模型。通
5、过拟合得到的发动机稳态输出扭矩特性示意图如图所示。图发动机稳态输出扭矩特性示意图 传动系统动力学模型汽车行驶过程需要由驱动力克服行驶阻力来驱动车辆行驶。对于燃油车辆而言，车辆的动力源为发动机。动力经由发动机、离合器、变速器、传动轴、驱动桥、半轴到车轮。因此发动机扭矩和驱动力之间存在如下关系：/式中，为轮边驱动力，为挡位传动比，为主减速比，为传动系统效率，为车轮半径。行驶阻力由滚动阻力、空气阻力、坡道阻力、加速阻力四部分组成：/其中，滚动阻力为车轮滚动时，轮胎与路面接触产生法向、切向的相互作用力，表达式为：/式中，为车辆质量，为重力加速度，为坡度。汽车行驶过程中受到的空气作用力为空气阻力：/式中
6、，为空气阻力系数，为迎风面积，为车速。重力沿坡道的分力为坡道阻力：/式中，为滚阻系数。汽车加速行驶时，克服质量加速运动时的惯性力为加速阻力：/式中，为加速度。离合器动力及滑摩功计算离合器在接合过程中的热负荷与滑摩过程紧密相关。干式离合器有速差工作状态下的滑摩功率可表示为：（）/式中，为滑摩功率，为发动机转速，为变速器输入轴转速，为离合器传递扭矩。干式离合器温度模型的建立 干式离合器的传热机理根据离合器温度变化与时间的关系，可将离合器温度变化分为两类：稳态传热过程和瞬态传热过程。其中，稳态传热过程为离合器各点温度与时间无关；瞬态传热过程为离合器各点温度与时间相关。常见的传热类型分为热传导、热对流
7、、热辐射三种。热传导为物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导，简称导热。热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生的相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因为各种原因发射出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。本文忽略热辐射带来的热量变化。图干式离合器转热示意图 热流密度离合器摩擦片温升主要是离合器在滑摩过程产生的热量导致的。除此之外，离合器温度主要进行和空气以及机体间的热量交换。根据滑摩功率的表达式，则滑摩热流量为：/式中，为摩擦界面的个数。本文认为离
8、合器压力均布模型，即假设认为在离合器的摩擦界面上，正压力是均匀分布的。热流分配系数目前对于热流分配系数的求解并未有准确的计算方法，大多数研究采用经验公式。常用的计算离合器热流分配系数的公式为：/式中，、分别为摩擦面的导热系数、分别为摩擦面的密度，、分别为摩擦面的比热容。对流换热系数离合器与空气间的对流换热过程的研究较为复杂，因此对其模型进行简化，离合器在接合过程中，与空气间进行换热。对流换热系数与离合器转速、空气状态等诸多因素相关，一般只能得到近似结果，难以完全准确预估，常采用如下经验公式。/式中，为对流换热系数，为空气导热系数，为雷诺数，为摩擦盘直径。综上所述，通过建立的离合器温度模型可知，
9、离合器温度变化分为离合器相对滑动产生的热量和离合器与空气之间对流换热综合影响。故离合器温度变化如下所示：（）/式中，为离合器温度变化值，为壳体内空气温度，为离合器温度，为离合器与空气接触面积，为离合器热容量。下电后，离合器温度会随着时间变化。当初始上电时，离合器的温度初始值由方存储值 和下电时间 确定，上电后根据变速箱油温和发动机冷却液温度平均值作为离合器初始温度参考值，然后与离合器存储温度 计算得到初始温度。/年第期式中，为离合器初始温度参考值，为发动机冷却液初始温度，为变速箱初始温度。（）/式中，为离合器初始温度，为冷却系数。因此在上电初始温度的基础上，加上离合器温度变化值的积分，得到离合
10、器的实时温度，关系如下式所示：/式中，为上电至当前时刻的时间。由上述分析可知，离合器与空气之间的对流换热与离合器温度和空气之间的温度差相关，此项一般难以准确估计；而摩擦界面的热流分配由滑摩功率决定。离合器过温保护措施图离合器过温保护流程图如图所示为离合器在离合器过温时的保护措施。当初始上电时，首先检查离合器温度是否低于阈值，若是，则进入冷启动模式。在冷启动模式下，应该尽可能增加换挡频次，使得离合器温度较快上升，具体措施为通过修正换挡线使车辆尽可能逐级升档，避免跳挡现象，以此增加换挡频次。若出现离合器温度高于阈值，则会进行离合器过热保护，例如限制起步挡位、禁止进入蠕行和脱困模式等措施。若离合器温
11、度在阈值与阈值之间，则为正常模式。离合器温度模型实验验证为了研究在不同离合器转速差和传递扭矩下离合器温度变化，依托项目进行了加速踏板开度在 、起步加速实验，实验结果分别如图、图所示。图 起步加速过程中离合器温度变化图 起步加速过程中离合器温度变化由图可知，在车辆起步时，由于发动机和变速器输入轴之间的速差较大，因此离合器两端的转速差较大，且起步持续时间较长，在离合器发生滑摩时产生大量热量使得离合器温度上升。在起步过程完成后，此时离合器之间无转速差，故热量的交换只存在离合器与空气之间对流换热，此时离合器温度高于空气温度，根据式 可知，当离合器温度大于空气温度时，离合器与空气之间的对流散热使得离合器
12、温度下降。如图所示，当车辆以 加速踏板开度起步时，此时离合器传递扭矩较低，使得离合器滑摩时间较长，约为 ，而 加速踏板开度起步时滑摩时间仅为 。虽然相比 加速踏板开度时，加速踏板开度下离合器传递扭矩更大，但是滑摩持续时间更短。忽略离合器滑摩过程与空气间对流散热，综合而言，加速踏板开度下的离合器温度上升更小。结论本文建立了发动机模型、车辆行驶动力学模型以及离合器温度模型，并对离合器温度变化影响因素进行了分析。通过建立离合器温度嵌入式模型，对离合器温度模型进行了实车验证，验证结果可靠，对于离合器传扭特性以及离合器温度过低或者过高离合器的保护措施提供了数据支撑。参考文献：向永乐 干式双离合自动变速器频繁动作（起步和换档）温升研究 重庆理工大学，朱一博 干式离合器摩擦盘边界热流反演及温度场重构 重庆大学，王勐基于 的干式离合器热模型研究 重型汽车，（）：程铖，陈俐离合器温度场计算中摩擦热流密度模型的比较研究 机械传动，（）：熊玉杰 干式离合器摩擦片温度模型研究 北京理工大学，林晓华干式离合器摩擦转矩模型研究北京理工大学，