湿式离合器技术——原理·仿真·控制

湿式离合器在传动中起到传递动力与中断动力的作用，广泛应用于大型工程机械与装甲车辆的大功率传动部件中，具备高性能、高功率密度、高可靠性和高寿命等优点。湿式离合器摩擦副表面热负荷超载会导致摩擦副的损坏、变形及故障的发生， 从而对整车的动力传输产生不利影响。因此，对其接合过程的接合、摩擦特性进行深入研究对于提高我国装甲车辆关键零部件的研发水平和提高重型车辆机动性能及寿命具有重要的意义。由于摩擦副工作环境复杂，受工作表面油液等多种因素的干扰，难以完全通过现场实验的方式对湿式离合器的接合特性进行研究，国内外普遍采用简化计算模型、模拟其工作方式的方法实现结合特性与温度场的研究。本书以大功率湿式离合器摩擦副为研究对象，采用模型仿真与现场实验相结合的方式，对湿式离合器的工作原理与仿真控制进行论述。
全书共分为10个章节进行详细论述。第1章为绪论部分，介绍了国内外对湿式离合器的研究进展；第2章对湿式离合器的结构组成与工作原理、工作特性进行了论述；第3章论述了湿式离合器摩擦转矩的计算方法，通过理论建模、仿真与试验测试的方式对湿式离合器接合过程中的接合转矩进行了解读；第4章对湿式离合器在不同工况下的温度场进行了理论分析与有限元模拟，讲解了湿式离合器的温度场特性；第5章以湿式离合器摩擦片与钢片之间的润滑油流场为研究对象，对不同工况下润滑油流场与温度场进行了理论分析、有限元模拟与试验研究；第6章从磨损微观机理出发，讲解了工况条件、摩擦材料孔隙率以及摩擦副接触面积对磨损的影响规律；第7章构建了湿式离合器控制系统数学模型，论述了控制信号对接合油压特性的影响；第8章设计了湿式离合器缓冲试验台与采集系统， 并对缓冲控制系统进行了验证； 第9 章论述了湿式离合器接合性能评价方法；第10章开展了湿式离合器温度测试、接合转矩测试与摩擦磨损试验，并对试验结果进行论述分析。
在本书完成之际，笔者衷心感谢各位同仁的支持与帮助。本书包含了笔者指导的研究生周全健、吴健鹏、杨志达、陈曦、李明洋、李浩、孟祥梁、王茜、吴瑾等完成的研究工作，在此深表感谢。
限于笔者水平，书中难免存在疏忽和纰漏，敬请读者指正。

王立勇

本书以大功率湿式离合器摩擦副为研究对象,采用模型仿真与现场实验相结合的方式,对湿式离合器的工作原理与仿真控制进行了详细的论述。使用软件ABAQUS对温度场、片间流场的模型仿真方法和结果分析方法进行了解读,并对湿式离合器摩擦片磨损及接合特性等方面做了相关研究总结和整理。本书内容全面,同时涵盖了机械及车辆专业众多关键技术。
本书适合机械及车辆设计、控制、模型仿真等较多专业方向的高校师生使用。

第1章　绪论　/ 001
1.1　车辆传动系统概述 001
1.2　湿式离合器及其工作特点 003
1.3　离合器的应用 004
1.4　湿式离合器研究现状 007
1.4.1 湿式离合器接合摩擦材料与接合转矩研究现状 007
1.4.2 湿式离合器温度场特性研究现状 009
1.4.3 湿式离合器片间流场研究现状 010
1.4.4 湿式离合器接合控制研究现状 012

第2章　湿式离合器的结构与原理　/ 014
2.1　湿式离合器的分类及组成结构 014
2.2　湿式离合器的工作原理 015
2.3　湿式离合器的工作特性 015
2.3.1 湿式离合器的动力接合特性 016
2.3.2 湿式离合器的摩擦特性 016
2.3.3 湿式离合器的强度特性 019
2.3.4 湿式离合器的分离特性 020

第3章　湿式离合器摩擦转矩计算方法　/ 021
3.1　湿式离合器接合过程影响因素 021
3.1.1 材料 021
3.1.2 摩擦片沟槽形式 021
3.1.3 润滑油温度 022
3.2　湿式离合器接合过程中摩擦副润滑类型 024
3.2.1 干摩擦 024
3.2.2 边界润滑摩擦 025
3.2.3 混合润滑摩擦 025
3.2.4 流体润滑摩擦 025
3.3　湿式离合器的接合压力 025
3.3.1 湿式离合器活塞腔油压仿真 025
3.3.2 湿式离合器黏性转矩仿真 030
3.3.3 湿式离合器粗糙转矩仿真 037
3.4　湿式离合器接合过程中转矩传递 042
3.4.1 纯油膜剪切阶段转矩传递 042
3.4.2 混合摩擦阶段转矩传递 042
3.4.3 粗糙接触阶段转矩传递 043

第4章　湿式离合器的温度场　/ 044
4.1　湿式离合器的发热 044
4.1.1 湿式离合器的发热机理 044
4.1.2 滑摩功及滑摩功率的计算 044
4.1.3 热量输入数学模型 045
4.1.4 热流密度计算与分配 046
4.2　湿式离合器的热传导 047
4.2.1 传热学基本理论 047
4.2.2 热传导基本方程 048
4.2.3 导热微分方程单值条件 049
4.3　湿式离合器的热应力 050
4.3.1 机械应力模型 050
4.3.2 热-机耦合应力模型 050
4.4　湿式离合器的温度场及热应力场有限元模型 051
4.4.1 温度场有限元基本理论 051
4.4.2 典型工况下的温度场 054
4.4.3 不同参数下的温度场 063

第5章　湿式离合器的片间流场　/ 067
5.1　片间流场的基础理论 067
5.1.1 牛顿内摩擦理论 067
5.1.2 流体动力学控制方程 068
5.2　湿式离合器滑摩过程片间流场数学模型 069
5.2.1 滑摩过程基本知识 069
5.2.2 数学模型的建立过程 070
5.2.3 片间流场显示结果 075
5.3　湿式离合器片间流场流速 077
5.3.1 片间流场流速分布 078
5.3.2 无油槽摩擦副片间流场 083
5.3.3 有油槽摩擦副片间流场 087

第6章　湿式离合器摩擦片磨损　/ 095
6.1　湿式离合器磨损理论 095
6.1.1 磨损问题研究途径 095
6.1.2 磨损特征 096
6.1.3 油液分析磨损特征信息描述 099
6.2　湿式离合器油液分析技术 099
6.2.1 油液取样方法 100
6.2.2 油液分析方法 101
6.2.3 油液预处理方法 101
6.3　湿式离合器摩擦片挤压过程中弹塑性接触 102
6.3.1 Hertz接触理论 103
6.3.2 弹塑性接触变形 104
6.3.3 微凸体承载力方程 104
6.3.4 摩擦片黏着磨损量计算模型 105
6.4　湿式离合器磨损影响因素 107
6.4.1 工况条件对磨损的影响 107
6.4.2 工况条件对摩擦因数的影响规律 108
6.4.3 摩擦材料孔隙率对磨损的影响 109
6.4.4 摩擦材料孔隙率对摩擦因数的影响规律 111
6.4.5 摩擦片接触比对磨损的影响 111
6.4.6 摩擦片接触比对摩擦因数的影响 112

第7章　湿式离合器控制技术建模　/ 113
7.1　湿式离合器控制系统数学建模 113
7.1.1 活塞动力学模型 113
7.1.2 电液比例阀模型 114
7.1.3 液压泵模型 115
7.1.4 流量平衡方程 115
7.1.5 液阻、液感方程 116
7.2　控制信号对接合油压特性的影响 116
7.2.1 占空比匀速递增 116
7.2.2 占空比变速递增 117
7.3　接合油压控制方法 119
7.3.1 PID控制 120
7.3.2 模糊PID控制 122
7.3.3 基于控制方法的仿真结果分析 126

第8章　湿式离合器缓冲控制系统设计　/ 128
8.1　湿式离合器缓冲试验台及采集系统设计 128
8.1.1 湿式离合器综合试验台设计与搭建 128
8.1.2 湿式离合器试验台采集系统设计 130
8.2　基于电液比例阀的缓冲控制系统设计 132
8.2.1 缓冲控制系统构成 132
8.2.2 液压控制系统关键部件 134
8.2.3 基于单片机输出控制信号 137
8.2.4 基于采集卡输出控制信号 140
8.2.5 系统运行逻辑 141
8.3　湿式离合器缓冲控制系统验证 145
8.3.1 接合油压试验结果分析 145
8.3.2 转速和转矩试验结果分析 145

第9章　湿式离合器接合性能评价方法　/ 147
9.1　试验台接合性能评价指标 147
9.1.1 转速和转矩平稳指数 148
9.1.2 角加速度变化率 149
9.1.3 接合时间 149
9.1.4 评价指标试验验证 149
9.2　试验台接合品质的影响因素分析 152
9.2.1 控制信号对接合品质的影响 153
9.2.2 流量对接合品质的影响 155
9.2.3 转速差对接合品质的影响 158
9.2.4 输出轴初始状态对接合品质的影响 160
9.2.5 润滑状态对接合品质的影响 162
9.2.6 制动压力对接合品质的影响 164
9.3　湿式离合器接合控制信号的优化 167

第10章　湿式离合器试验技术　/ 169
10.1　湿式离合器台架试验系统 169
10.1.1 动力装置 170
10.1.2 被试离合器装置 170
10.1.3 数据采集与控制装置 172
10.1.4 润滑油压控制装置 177
10.1.5 冷却装置 178
10.2　湿式离合器温度测试试验 179
10.2.1 温度测试方案 179
10.2.2 温度试验结果 181
10.3　湿式离合器接合转矩试验 188
10.3.1 转矩试验方案 188
10.3.2 转矩试验结果 189
10.4　湿式离合器摩擦磨损试验 194
10.4.1 磨损试验方案 195
10.4.2 磨损试验操作步骤 196
10.4.3 磨损试验结果 199

参考文献　/ 205