一种湿式离合器润滑冷却仿真方法与流程

1.本发明属于汽车动力系统流体仿真技术领域，具体涉及一种用于汽车变速箱的湿式离合器润滑冷却仿真方法。


背景技术：

2.现有离合器润滑仿真模型普遍采用等效模型，将离合器从变速箱单独分离进行分析。这样做的优点是对于整个变速箱来说结构较简单，计算较快；缺点是离合器外部的零件运动状态对甩油、回油的影响未进行计算，单纯靠离合器自身的运动状态去仿真油路结果容易失真，造成精度不准。
3.采用上述方法进行离合器润滑冷却仿真，仿真计算时间较短，为2秒左右，温度在进行仿真时采用约90℃的恒定温度，这与实际情况不符。由于离合器的特殊性，摩擦片的摩擦作用能使温度瞬间大幅提升，影响油品特性和润滑冷却效率。而且结合整车工况来看，车辆在起步、恒速、上坡、下坡、过崎岖路面等工况下，离合器的使用工况都是不同的，温度的变化也是不同的，因此与温度所对应的油品特性也是不同的。
4.但若采用将整个变速箱进行整体仿真的方法，则需要考虑过多因素，说明书附图1是发明人整理的影响离合器润滑状态的因素，如离合器内部零部件，也与离合器相关的外部零部件，对离合器润滑状态产生或多或少的影响。将整个变速箱进行整体仿真的话，仿真耗时较长，需要一周以上时间，影响开发周期。因此，亟待设计一种湿式离合器润滑冷却仿真方法，能够更为准确、更为高效的模拟工况，得出足够的仿真数据。


技术实现要素：

5.针对现有技术所存在的上述不足，本发明目的是提供一种新的汽车离合器润滑冷却仿真方法，提高仿真精度，同时缩短设计周期。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种湿式离合器润滑冷却仿真方法，包括以下步骤：
7.1、收集离合器内部零件的在滑摩阶段、结合阶段、半分离阶段、完全分离阶段四个运动阶段的运动数据，并进行参数化处理，运动数据包括相对转速、扭矩、摩擦系数等；
8.2、采用多体动力学仿真中温度求解器模块分析方法或有限元分析方法，输入离合器内部零件的转速、扭矩、摩擦系数等，求得温度在四个运动阶段随时间变化的曲线；
9.3、根据温度曲线，获得离合器润滑油的油品特性变化情况，温度与润滑油动力粘度、体积粘度的变化公式为：
10.lglg(v+c)＝a+mlgt
11.v为油品在温度t(273+t℃)下的粘度，单位为mm2/s，a、c、m为常数；
12.4、通过动力学仿真得到离合器外部零件对离合器油液的影响，根据以下情况建立相应的油路：甩油和飞溅作用促使油量的增多或减少、对油粒子运动状态的改变、旋转方向对其为正压力或者负压力的影响、对离合器回油油量的影响；
13.5、在步骤4的基础上，通过cfd流体仿真软件在某一工况下的整箱环境下进行搅油仿真，并统计由于离合器外部零件的运动作用对离合器产生的润滑油油量、速率、位置等变量统计，使其参数化；
14.6、利用cfd流体仿真软件搭建离合器流体仿真模型，一方面输入步骤3所得到离合器在各个阶段下的受温度影响的不同的油品特性曲线,另一方面根据步骤5离合器外部零部件对离合器油量、速率等的影响，建立在相同工况下相应位置的油来源，并以参数化的形式喷淋至离合器，即一劳永逸的效果，这样可以达到同种工况下效率、准确性和精度的提升；
15.7、分析评价计算结果是否满足预期设计指标，当计算结果未达到预期设计指标时，对冷却系统相关部件进行优化设计，并重新执行步骤s1-s5，当计算结果达到预期设计指标时，输出优化设计结果，得到离合器所关注的重要部位的油量数据以及润滑冷却情况。
16.进一步地，s1步骤中，所述离合器内部零件包括回位弹簧组、摩擦片、对偶片、平衡板、活塞、轴承、内支架、被动齿轮、中间轴。
17.进一步地，s4步骤中，离合器外部零件参数包括发动机齿轴、差速器齿轴的转速、方向。
18.进一步地，s5步骤中，对以下部位的网格进行细化：内外支架孔、摩擦片对偶片间隙、中间轴油孔、平衡板和轴之间的间隙。
19.进一步地，s5步骤中，油品特性在四个阶段的参数包括温度、动力粘度、体积粘度、张力系数、密度。
20.本发明的有益效果：
21.本发明所述的湿式离合器润滑冷却仿真方法，相比传统离合器润滑冷却仿真方法，仿真精度更高，更加贴合实际状态，提升计算效率，大大缩短设计周期。
附图说明
22.图1为背景技术中所述的采用限压阀回流的液压控制系统示意图；
23.图2为本发明所述的温度与粘度在四大运动阶段的变化曲线示意图；
24.图3为本发明所述的离合器受外部甩油或回油措施示意图；
25.图4为本发明所述的离合器外支架的飞溅油量随时间变化示意图；
26.图5为本发明所述的平衡片三孔的飞溅油量均值随时间变化示意图；
27.图6为本发明所述的摩擦片的飞溅油量均值随时间变化示意图；
28.图7为本发明所述的内支架腰型孔的飞溅油量均值随时间变化示意图；
29.图8为本发明所述的发动机中间轴中心孔的飞溅油量均值随时间变化示意图；
30.图9为本发明所述的发动机中间轴下部孔的飞溅油量均值随时间变化示意图；
31.图10为本发明所述的发动机中间轴中部孔的飞溅油量均值随时间变化示意图；
32.图11为本发明所述的湿式离合器润滑冷却仿真方法的步骤示意图。
具体实施方式
33.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
34.如图1、11所示，一种湿式离合器润滑冷却仿真方法，包括以下步骤：
35.第一步，收集离合器内部零件的在滑摩阶段、结合阶段、半分离阶段、完全分离阶段四个运动阶段的运动数据，并进行参数化处理，运动数据包括相对转速、扭矩、摩擦力；所述离合器内部零件包括回位弹簧组、摩擦片、对偶片、平衡板、活塞、轴承、内支架、被动齿轮、中间轴。
36.第二步，采用温度求解器或有限元分析方法，输入离合器内部零件的转速、扭矩、摩擦力，求得温度在四个运动阶段随时间变化的曲线；
37.第三步，根据温度曲线，获得离合器润滑油的油品特性变化情况，温度与润滑油动力粘度、体积粘度的变化公式为：
38.lglg(v+c)＝a+mlgt
39.v为油品在温度t(273+t℃)下的粘度，单位为mm2/s，a、c、m为常数；
40.第四步，通过动力学仿真得到离合器外部零件对离合器油液的影响，根据以下情况建立相应的油路：甩油和飞溅作用促使油量的增多或减少、对油粒子运动状态的改变、旋转方向对其为正压力或者负压力的影响、离合器回油对油量的影响；离合器外部零件参数包括发动机齿轴、差速器齿轴的转速、方向。通过cfd流体仿真软件在某一工况下的整箱环境下进行搅油仿真，并统计由于离合器外部零件的运动作用对离合器产生的润滑油油量、速率、位置等变量统计，使其参数化；
41.第五步，利用cfd流体仿真软件搭建离合器流体仿真模型，一方面输入步骤3所得到离合器在各个阶段下的受温度影响的不同的油品特性曲线,另一方面根据步骤5离合器外部零部件对离合器油量、速率等的影响，建立在相同工况下相应位置的油来源，并以参数化的形式喷淋至离合器，即一劳永逸的效果，这样可以达到同种工况下效率、准确性和精度的提升。
42.第六步，分析评价计算结果是否满足预期设计指标，当计算结果未达到预期设计指标时，对冷却系统相关部件进行优化设计，并重新执行步骤s1-s5，当计算结果达到预期设计指标时，输出优化设计结果，得到离合器所关注的重要部位的油量数据以及润滑冷却情况。
43.利用cae软件搭建离合器流体动力学模型，在cfd流体动力学软件平台上，采用常规的cfd模型建模步骤，用通用阻力原件代替摩擦片、对偶片、平衡板的流阻特性，用转速-流量-扬程变化曲线代替实际的润滑特性，用长度、直径、导角参数代替实际的油路结构，将油品特性曲线、外部零件构成的油路导入模型中，结合边界条件和滑摩阶段、结合阶段、半分离阶段、完全分离阶段四个运动阶段进行模拟计算，参数化处理后的相关数据填入cfd模型中相应部件的参数表中，通过迭代计算来求解连续性方程、动量方程和能量方程，从而将动力学模型搭建完整；对以下部位的网格进行细化：内外支架孔、摩擦片对偶片间隙、中间轴油孔、平衡板和轴之间的间隙。油品特性在四个阶段的参数包括温度、动力粘度、体积粘度、张力系数、密度。
44.第六步，分析评价计算结果是否满足预期设计指标，当计算结果未达到预期设计指标时，对冷却系统相关部件进行优化设计，并重新执行步骤s1-s5，当计算结果达到预期设计指标时，输出优化设计结果，得到离合器所关注的重要部位的油量数据以及润滑冷却情况。
45.本发明的工作原理：
46.本发明针对背景里面所提到的内部零件、离合器外部零件两个因素，从两个方向出发，首先是离合器内部的运动状态，根据整车的各个工况，将离合器划分为四个阶段：滑摩阶段、结合阶段、半分离阶段、完全分离阶段。
47.1、滑摩阶段是指摩擦片和对偶片有相对速度，是结合之前的状态，二者间隙较大有油液，有摩擦作用摩擦增强，升温较快；
48.2、结合阶段是指摩擦片和对偶片无相对转速，油液仅从摩擦片趾基间隙流通，无摩擦，温度不变；
49.3、半分离阶段指摩擦片和对偶片有相对速度，是结合之后的状态，二者间隙较大有油液，摩擦作用减退，温度会有小幅上升；
50.4、完全分离状态是发生在半分离状态之后，摩擦片和对偶片有相对速度，二者间隙达到最大值，油液最多，迅速降温。
51.通过温度场或有限元仿真(更精确)，将
52.如说明书附图1所示，根据四个阶段的划分，将模型利用动力学仿真分析，得到四个阶段下的运动参数，包括相对转速曲线、扭矩曲线、摩擦力曲线、温度曲线等，然后根据所得到的曲线(主要是温度)影响到离合器润滑油的油品特性，例如：动力粘度、体积粘度、张力系数、密度等，拟合出各个油品的参数曲线。
53.lglg(v+c)＝a+mlgt
54.v为油品在温度t(273+t℃)下的粘度mm2/s，a、c、m为常数。
55.如说明书附图2所示，为某一油品在上述四个阶段的温度曲线示意图。
56.另一个方向从离合器外部零件的运动影响出发，通过动力学仿真得到发动机齿轴、差速器齿轴的转速、转向等对离合器油液的影响。例如它们的甩油、飞溅作用促使油量的增多或减少、对油粒子运动状态的改变、旋转方向对其为正压力或者负压力的影响、离合器回油的影响等方面。通过外围零部件对离合器的影响状态，就可以在离合器润滑冷却仿真分析模型中建立相应的油路，而避免了整体变速箱建模，保证了离合器单独建模的效率，又涵盖了其他零部件的影响。在保证效率的同时，提高了精度。
57.说明书附图3为考虑外界零部件运动影响后，做出的从离合器外部甩油或回油措施示意图。
58.有了上述两个方面的动力学仿真分析所得到的参数，再进行常规的cfd模型建模步骤，对网格的划分和处理，某些重要部位的网格细化等等(比如摩擦片网格层数不少于三层、趾基网格层数不少于三层等)，最后建立cfd模型，将上述参数(油品特性曲线、外部件影响)导入模型中，得到离合器所关注的重要部位的油量多少以及润滑冷却情况。比如：内外支架孔的通油量、摩擦片对偶片间隙流量、中间轴油孔的油量、平衡板和轴之间的间隙油量等。这样不但会提高仿真精度，还更加贴合实际状态，计算效率也会提升。
59.本发明的工作过程(以其中一个实例讲解)：
60.边界条件：变速器车载角度为0
°
，车速60km/h，变速箱润滑油量为2.43l，滑摩工况：钢片和外支架转速1762rpm，摩擦片和内支架转速1716rpm，仿真此状态下离合器内部各零部件的润滑情况。相较于其他阶段来说，滑摩阶段的更加重要，因为此阶段温度变化梯度较大，油品粘度等特性参数变化也较大。因此此实施例仅仿真离合器滑摩阶段润滑情况，具
体实施如下：
61.一方面：通过动力学仿真得到离合器的运动状态以及温度变化。运动学仿真输入参数：建立零部件之间接触关系和运动副，滑摩工况：建立零部件运动状态钢片转速1762rpm，摩擦片转速1716rpm，摩擦系数为0.15。输出温度变化曲线。
62.通过温度变化和下面的温度-粘度公式得到粘度的变化规律：
63.lglg(v+c)＝a+mlgt
64.v为油品在温度t(273+t℃)下的粘度mm2/s，a、c、m为常数。
65.另一方面，建立离合器之外零部件的甩油影响。在整体变速箱环境下，统计离合器之外的零部件(比如发动机轴齿、差速器轴齿)对离合器外支架的飞溅油量如说明书附图4所示，根据附图4每秒流量曲线，在润滑仿真软件中建立oil source plane，为离合器外支架注入油量。相同变速箱工况下，若离合器内部件有改动或者调整，同样适用。
66.4个钢片同转速：1762rpm，4个摩擦片同转速：1716rpm(摩擦片与钢片之间转速差46rpm)；计算时长：约2s。
67.附图5-9是优化前后滑摩阶段的模型结果对比：优化后模型1(opt1)和优化前模型2(opt2)，优化前后的关键部位流量差异明显，本发明考虑了润滑油液温度、粘度的变化及多个外部构件的影响，仿真精度更高。
68.说明书附图5是平衡片上三个油孔随时间变化的平均流速；
69.说明书附图6是摩擦片间隙随时间变化的平均流速；
70.说明书附图7是离合器内支架腰型孔随时间变化的平均流速；
71.说明书附图8-10是发动机中心孔及侧面孔随时间变化的平均流速。
72.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。