自動(dòng)變速器多片濕式離合器熱性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

多段濕檢測(cè)器是自動(dòng)檢測(cè)器中的一個(gè)常見(jiàn)元件。為了確保良好的工作性能，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)換紙操作進(jìn)行了大量的優(yōu)化和可靠性研究。在這項(xiàng)工作中，我們根據(jù)結(jié)合裝置的實(shí)際工作環(huán)境，建立了一套優(yōu)化組合的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬對(duì)優(yōu)化前后熱度指標(biāo)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了使用優(yōu)化方法的有效性并提高了自動(dòng)換動(dòng)器的性能。1數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建1.1摩擦片高溫?zé)龘p的影響因素試驗(yàn)表明,離合器工作在最大發(fā)熱率和最高溫度的情況下會(huì)發(fā)生摩擦片燒結(jié),通過(guò)優(yōu)化離合器參數(shù)對(duì)離合器結(jié)合過(guò)程中的發(fā)熱率和溫升實(shí)施控制能夠有效地降低其失效率(燒結(jié)、磨損或熱變形).摩擦片產(chǎn)生高溫?zé)龘p與以下因素有關(guān):①平衡溫度高:與平均最大發(fā)熱率Lu、一定時(shí)間間隔內(nèi)的接合次數(shù)以及潤(rùn)滑油冷卻程度(油通過(guò)摩擦面流量和潤(rùn)滑油類型)等有關(guān).②瞬間溫升過(guò)高:與瞬間最大發(fā)熱率lm和摩擦片的比熱容等有關(guān).因此,選擇接合終了時(shí)刻摩擦面上的平均滑摩功和單位面積最大滑摩功率作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo),進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化.1.2設(shè)計(jì)變量的確定根據(jù)離合器設(shè)計(jì)公式及以往資料表明,影響離合器熱性能的參數(shù)主要包括動(dòng)摩擦系數(shù)f與單位面積壓力p0,摩擦片數(shù),離合器內(nèi)外徑,油壓上升時(shí)間.故確定離合器優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量為[x1,x2,x3,x4,x5]T=[fp0,n,R1,R2,tn]T.1.3面的面積fa約束函數(shù)是優(yōu)化設(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)計(jì)變量限制的附加條件,在換檔離合器設(shè)計(jì)中,主要有4方面的約束:①力學(xué)強(qiáng)度方面的約束;②尺寸約束;③換檔離合器熱性能約束;④車輛整機(jī)性能提出的約束.下面具體介紹每個(gè)約束的表示及其作用.具體約束如下:1)儲(chǔ)備系數(shù)β=max(Τstatic)[Τ]=max(Τstatic)μ0Rm[pA]nAeff≥[β](1)式中,Rm=(R1+R2)/2,R1和R2為摩擦面的內(nèi)半徑和外半徑;μ0表示靜摩擦系數(shù);Aeff表示單個(gè)摩擦面的有效面積,滿足Aeff=fAA,A為單個(gè)摩擦面的面積,fA為一比例系數(shù),用于去除油槽的影響,此處取為0.6;n表示摩擦面的對(duì)數(shù);max(Tstatic)表示離合器傳遞的最大力矩;表示向下取整.2)平均圓周線速度校核公式如下:vm=(R1+R2)2Δω≤[vm](2)式中,Δω表示離合器主動(dòng)盤和被動(dòng)盤之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速.3)摩擦材料的表面比壓用于描述摩擦材料承受壓強(qiáng)的能力,校核公式如下:pA=FAeff≤[pA](3)式中,F表示壓緊力.4)摩擦片外徑D與離合器外殼的尺寸有關(guān),設(shè)其空間條件為D1～D2,即1-D1/D≥01-D/D2≥0}(4)5)摩擦片最大圓周速度v不應(yīng)該大于v1(最大圓周速度允許值),即D≤v1×60×103/(π×ne)(5)式中,ne為摩擦片最大轉(zhuǎn)速,r/min.6)摩擦片內(nèi)外徑之比C0應(yīng)在C01～C02內(nèi),即1-C01/C0≥01-C0/C02≥0}(6)7)摩擦面面數(shù)n一般不超過(guò)確定值n2,大于確定值n1,即為1-n1/n≥01-n/n2≥0}(7)8)摩擦片厚度的取值范圍設(shè)為h1～h2,則約束條件為1-h1/h≥01-h/h2≥0}(8)9)摩擦片片間距S的約束:1-S1/S≥01-S/S2≥0}(9)10)摩擦片單位面積壓緊力p0和摩擦系數(shù)f取值范圍設(shè)為p01～p02和f1～f2,則w=fp0的范圍為w1～w2,其中,w1=f1p01,w2=f2p02,因此,約束條件為1-w1/w≥01-w/w2≥0}(10)由式(1)可知fp0≥12βΤemaxπfp0n(D3-d3)}(11)11)接合時(shí)間上界約束:tn-[tn]max≤0(12)式中,tn為離合器一次接合所用的時(shí)間,[tn]max為給定的接合時(shí)間上界.該約束是整機(jī)為提高作業(yè)效率提出的要求.1.4主要目標(biāo)優(yōu)化作為影響離合器熱性能的2個(gè)主要參數(shù)動(dòng)摩擦系數(shù)f與單位面積壓力p0是相互制約的.f減小則使摩擦面單位壓力p0增加,但是p0的提高即會(huì)受摩擦材料性能的限制,又將導(dǎo)致離合器尺寸增大.因此,在保證足夠的傳扭能力的同時(shí),希望離合器摩擦片摩擦系數(shù)f盡量小一些,同時(shí)摩擦面單位壓力p0也盡量小一些.f,p0作為兩個(gè)性能參數(shù),有其非常明顯的不確定性,因此,這是一個(gè)具有模糊性的最佳值求解問(wèn)題,因此先把fp0作為一個(gè)綜合指標(biāo),記為w,也就是w盡量小.經(jīng)過(guò)以上分析可以看出,離合器設(shè)計(jì)是一個(gè)帶有模糊性因素的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題.針對(duì)離合器設(shè)計(jì)過(guò)程的諸多不確定性,采用模糊理論和主要目標(biāo)法進(jìn)行離合器的優(yōu)化設(shè)計(jì),主要思想為:抓住主要目標(biāo),兼顧其他要求.以下分2步進(jìn)行:第1步為主要目標(biāo)優(yōu)化,第2步為最佳f和p0優(yōu)化.將單位面積最大滑摩功率和單位面積平均滑摩功作為主要目標(biāo),求解過(guò)程中把離合器的轉(zhuǎn)矩容量計(jì)算作為整體轉(zhuǎn)化為約束條件,得到主要目標(biāo)的最小值,然后對(duì)f和p0進(jìn)行模糊優(yōu)化.具體優(yōu)化程序流程圖如圖1所示.該優(yōu)化問(wèn)題屬于有約束非線性最優(yōu)化問(wèn)題,宜采用基于K-T(Kuhn-Tucker)方程解的方法.MATLAB把以上方法定義為fmincon函數(shù),對(duì)于離合器主要目標(biāo)優(yōu)化,在fmincon函數(shù)中提供信息options=optimset(‘LargeScale’,‘off’),使該優(yōu)化按逐次二次規(guī)劃法求解,得到離合器主要目標(biāo)優(yōu)化最優(yōu)解X=[fp*0,n*,R*1,R*2,t*n]T.此后就可利用模糊擴(kuò)展原理及隨機(jī)方向檢索法即可求得摩擦系數(shù)和單位壓緊力的最優(yōu)解.2模擬模型的構(gòu)建2.1過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真換檔離合器的液壓控制單元主要由緩沖閥、滑閥、電磁閥組成,其中,緩沖閥的作用是減小換檔過(guò)程的動(dòng)載荷,保證良好的換檔品質(zhì).電磁閥用來(lái)控制輸出油壓及離合器的結(jié)合時(shí)間,從而保證精確的換檔時(shí)間控制與較高的換檔品質(zhì).根據(jù)離合器油壓?jiǎn)卧ぷ髟?建立起離合器液壓執(zhí)行元件的動(dòng)態(tài)仿真模型,如圖2所示.將仿真得到的離合器輸入油壓曲線與試驗(yàn)曲線作對(duì)比,得到的結(jié)果見(jiàn)圖3,由對(duì)比結(jié)果可看出,在離合器充油過(guò)程的5個(gè)階段中,仿真得到的離合器油壓曲線,除一小部分存在偏移外,大部分仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合.通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,充分驗(yàn)證了仿真模型的精確性及有效性.2.2采用動(dòng)態(tài)組合過(guò)程模型根據(jù)離合器工作原理及離合器接合與分離時(shí)的受力分析建立離合器簡(jiǎn)易仿真模型,輸入條件采用速度驅(qū)動(dòng)方式,離合器仿真模型見(jiàn)圖4.2.3性能分析和計(jì)算方法根據(jù)滑摩功與滑摩功率計(jì)算公式,采用離合器模型得到的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速差曲線,得到離合器單位面積滑摩功率與單位面積滑摩功的動(dòng)態(tài)計(jì)算數(shù)學(xué)模型,如圖5所示.仿真得到的摩擦片單位面積滑摩功率及單位面積滑摩功變化曲線如圖6所示.圖6a表示離合器接合過(guò)程中的滑摩功率變化規(guī)律,圖6b表示滑摩功變化規(guī)律.從圖中可以看出,滑摩過(guò)程中最大發(fā)熱率大致在接合時(shí)間的中點(diǎn),而滑摩功則在接合過(guò)程中是不斷增加的.由離合器C3設(shè)計(jì)公式計(jì)算出的離合器主要熱性能指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表1.對(duì)比仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果,由于仿真計(jì)算中忽略了摩擦力和泄漏等因素,計(jì)算結(jié)果較仿真結(jié)果在時(shí)間上略有滯后,滑摩時(shí)間略長(zhǎng),滑摩功率略高于仿真計(jì)算結(jié)果.從各個(gè)曲線的變化規(guī)律和數(shù)值大小來(lái)看,仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合,說(shuō)明所采用的數(shù)學(xué)模型和仿真計(jì)算方法能夠反映出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)的性能預(yù)測(cè)和匹配能夠?yàn)楦倪M(jìn)設(shè)計(jì)提供重要參考.3輸入轉(zhuǎn)速b應(yīng)用以上分析采用的優(yōu)化方法,可以極方便地進(jìn)行行星變速箱換檔離合器優(yōu)化設(shè)計(jì).實(shí)例:對(duì)某一兵工車輛行星變速箱換檔離合器(工程機(jī)械)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).其輸入轉(zhuǎn)矩為2138N·m,輸入轉(zhuǎn)速為3472r/min;行星變速箱輸出軸上的阻力矩為T2=3597.8N·m.對(duì)離合器C3進(jìn)行優(yōu)化,表2所示數(shù)據(jù)是本文所用行星變速箱換檔離合器優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與原設(shè)計(jì)結(jié)果的對(duì)比.將以上參數(shù)優(yōu)化后的數(shù)值代入離合器動(dòng)態(tài)仿真模型中,得到如圖7所示的仿真結(jié)果.優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)確定為摩擦面的單位面積平均滑摩功和單位面積最大滑摩功率之加權(quán)和最小.設(shè)計(jì)結(jié)果看出,優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的目標(biāo)函數(shù)較原設(shè)計(jì)降低了10%.可見(jiàn),用該程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),與生