CN103459876A - 用于确定湿式离合器的温度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于确定离合器温度的方法(500)。该方法提供了精确的实时的离合器温度,该温度可用于提高换挡质量和避免因离合器过热而产生的故障(510)。每当所述离合器超过阈温度时(504),则计数器增值(506)以追踪累积的高温条件。测定所述离合器温度(502)包括考虑热生成、当所述离合器接合时通过来自凹槽的变速器油流引起的离合器冷却、当所述离合器分离时通过敞开的变速器油流引起的离合器冷却、油蒸发、和热传导。
Description
相关申请
本申请要求2011年4月12日递交的临时申请61/474,742的优先权,该临时申请以引用的方式全部并入文中。
技术领域
本发明涉及用于确定自动变速器中湿式离合器的实时温度的方法和系统。
背景技术
自动变速器具有长期使用的液压应用的离合器,例如,通过同步地打开和关闭附接于行星系统的不同元件的选择离合器,以实现行星齿轮系中的速比变化。用在自动变速器中的离合器总成通常包括多个分离器、摩擦片和其他组件。摩擦片由在每侧结合有摩擦材料的低碳钢铁芯片组成,当分离器片被拖至离合器外壳时,该低碳钢芯片被用花键连接至输入轴,反之亦然。离合器外壳可以与另一个轴(旋转离合器)或与变速箱(制动离合器)连接。
由于它们的对于换挡质量和成本效益的令人满意的摩擦特性,基于湿式纸的摩擦材料已主要作为离合器衬面用于汽车的自动变速器和作为制动材料用于工业车辆。然而,由于在极端高温条件下缺乏热稳定性和化学稳定性,纸基纤维素纤维经常分解,导致材料断裂、高摩擦衬层厚度减小、以及失去最终适宜的摩擦特性。事实上,人们认为,高温引起的摩擦材料的热降解是用于确定湿式离合器的寿命周期的主要因素。
在摩擦材料热降解到一定程度后,摩擦特性将显著地改变,且摩擦材料的性能将受损害。通常,在高温下,摩擦材料中的最不耐热的组分将首先降解。仅举例说明,在示例性的湿式摩擦离合器中,第一次快速的下降发生在大约380℃且其对应纤维素的降解速度。第二次快速的下降发生在大约550℃,且其对应惰性材料的降解速度。例如,在热重分析(TGA)测试条件下,一些纤维素纤维在近200℃下开始碳化,然后在大约420℃下完成降解。
在摩擦系统发生的来自高能转换引发的温度的损害是累积的。每一次向高温的偏移激活损害机制,然后将损害累积到已经形成的损害中。通过降低峰界面温度和通过缩短高于激活温度的时间,来降低对摩擦材料的损害,且可延长摩擦系统的使用寿命。
除了导致离合器故障之外,高的离合器温度还影响换挡质量。众所周知,在换挡期间,极佳的换挡质量取决于精确的离合器扭矩的实现。通常,离合器扭矩是离合器摩擦系数(COF)的线性函数,该离合器摩擦系数(COF)是温度的强近线性函数。再一次,仅举例说明,示例性的离合器的COF可能在100度的温度变化中改变20%至30%。因此,将被理解的是,没有温度补偿,换挡质量是非常难维持的。
发明内容
本公开提供了一种新的用于确定湿式离合器的温度的方法和该方法用以提高换挡质量、预防故障和诊断潜在问题的用途。
在接合期间,分离器片和摩擦片通过压力压在一起,相对滑速的动能在交界面转化成热量。对于每一次换挡,离合器系统吸收在接合期间由离合器的滑动产生的能量,然后通过分离器花键齿,利用油和热传导而远离摩擦系统。因此,对于摩擦系统能量平衡存在三个要素:能量输入、能量存储、和能量消耗。
能量输入主要发生在为了启动升挡而应用离合器的接合期间和在为了启动降挡而释放离合器的分离期间。换挡的全部能量为滑速和离合器扭矩随时间的综合结果。在换挡期间,相对于能量消除速率,能量输入速率(功率)通常是非常高的。结果,在换挡期间,分离器和摩擦片的温度升高。
能量从摩擦系统消除主要是通过流过分离器的油和通过凭借花键齿传导至轮毂和外壳。当未应用离合器时,存在流向离合器的冷却油。当应用时,如果离合器作为总成旋转,则冷却流受离心力作用强行通过摩擦衬面中的凹槽,从热表面带走热量。至于起制措施用的换档离合器,油料未受离心力作用驱使通过凹槽,高百分比的热量将利用通过花键齿的传导而消除。
接合期间,在界面处温度的上升由输入能量、通过分离器的热量耗散速率、和传动油的热量消除速率而确定。在摩擦界面附近的温度历程是重要的,因为其确定了性能特征、尤其是摩擦材料的热降解速率。
通过设计,如果离合器不会经受在时间上紧密隔开的高能换挡,则离合器的耐热性应该不是个问题。然而,如果换挡之间的时间对于摩擦系统返回至油槽存油的温度是不充足的,紧密隔开的换挡将导致温度逐渐升高。即使对于单个的换挡的能量输入可以从估算的离合器扭矩和滑速中计算出来,在离合器接合/分离期间和之后,则冷却效果是依赖时间的且是非常难于估算的。典型的线性或非线性的查阅表和预定的恒定温度衰减率不能用来估算实际的离合器温度,因为离合器的温度是输入能量和冷却热传递的综合结果。
根据本发明的一方面,对于汽车内的应用,用于确定实时的离合器温度的方法包括基于对离合器的油流对流确定离合器温度冷却速率,例如,该冷却速率根据离合器旋转速度和从离合器至变速箱的所计算的热传导进行计算。仅举例说明,在示例性的方法中,基于离合器压力预测,估算离合器温度,而不需要直接检测实时的离合器温度的温度传感器。
根据本发明的另一个方面,用于示例性的方法的物理模型包括热生成、当离合器接合时由来自凹槽的变速器油流引起的离合器冷却和当离合器分离时由敞开的离合器的油流引起的离合器冷却、油蒸发、和热传导。
根据本发明的用于确定离合器温度的示例性方法可有利地作为减少验证测试和优化现有的或计划的设计的工具。示例性方法也可以用于补偿在实时换挡控制中的摩擦系数变化和为了离合器过热保护而修改换挡安排。此外,示例性方法提供了对于离合器寿命估算有价值的信息、客户驾驶习惯的识别、对于离合器故障和设计的改进的根本原因的调查。示例性方法也可以作为工程辅助工具用于变速器控制策略的建立和换挡质量的校正。
示例性方法有利地作为虚拟传感器以防止离合器过热故障,从而,通过离合器温度补偿,有益地降低变速器保修成本,提高换挡质量,而没有增加生产成本。
由于其集中于几个确定的离合器操作现象(如由于在敞开的离合器中和凹槽中的油流引起的热传导和热对流、和油蒸发),示例性方法提供了用于变速器离合器的虚拟温度传感器,该传感器采用可管理尺寸的和计算时间的离合器温度模型用于实时的变速器控制应用。
在一种方式中,本公开提供了一种测量和防止离合器过热的方法,该方法包括:至少根据离合器压力计算离合器温度;每当离合器温度超过第一预定温度值时,使车辆控制系统内的计数器增值;基于计数器的值,采取纠正措施。该方法还可以包括在车辆控制系统中记录离合器在高于第二预定温度值的温度下所保持的总时间,该第二预定温度值可以或可以不与第一预定温度值相同。该方法还可以包括至少针对最新的换挡记录温度变化。该信息可用于评估换挡质量、换挡逻辑、和可能的硬件故障。离合器压力可被计算或测量。该方法还可以包括在执行所要求的换挡之前,对于所请求的换挡预测的温度升高。
纠正措施可以包括在车辆显示器上显示信息、主动地改变控制参数、和提供诊断信息。例如,采取纠正措施可以包括通过车辆显示器向操作者提供信息。该信息可以包括换挡质量指示、离合器温度警告、离合器寿命指示、和离合器过热保护指示中的一个或多个。通过进一步的示例,纠正措施还可以包括在车辆控制系统内提供实时补偿,例如,修改换挡安排、修改换挡逻辑、或提供过热保护。这些纠正措施的每一个可以基于离合器温度和对于所请求的换挡预测的离合器温度升高中的一个或两个。实时补偿也可以包括基于离合器温度提供离合器过热保护,使得只有在离合器温度超过阈值时,才提供离合器过热保护。
计算离合器温度可以基于热生成、通过当离合器接合时来自凹槽的变速器油流进行的离合器冷却、通过当离合器分离时的敞开的变速器油流进行的离合器冷却、油蒸发、和热传导中的一个或多个。计算离合器温度也可以基于在接触期间离合器温度、分离器片温度、和摩擦衬层温度基本上相等且热传递与物理材料性能成比例这一假设。所述方法也可以包括基于计数器值而预测离合器的故障、基于计数器值而诊断离合器故障的根本原因、和基于计数器值而确定换挡质量和/或驾驶者习惯。这些措施中的任一个错误或其他纠正措施也可以基于离合器在高于第二预定温度值的温度下所保持的总时间、至少对于最新的换挡的温度变化、或其任何组合。
纠正措施可以基于计数器值,例如,当计数器达到预定值时,采取纠正措施。纠正措施也可以基于计数器和离合器在高于第二预定温度值的温度下所保持的总时间的组合。
本公开其它领域的实用性将从下文中提供的详细描述中变得显而易见。应当理解,包括公开的实施方式和附图的详细描述实际上仅示例性的以说明为目的,而不限制本发明的范围、其应用或用途。因此,不脱离本发明的主旨的变型在本发明的范围之内。
附图说明
图1为湿式离合器的分离器和摩擦片的示意图;
图2为对于图1中所示出的湿式离合器的杠杆图;
图3为示出穿过形成于摩擦片衬层中的凹槽的油流的湿式离合器的局部示意图;和
图4为对于配备有湿式离合器自动变速器的测试车辆,感测到的离合器温度对采用示例性方法所测定的离合器温度的图;和
图5为说明根据本公开的方法的流程图。
具体实施方式
参见如图1所示的湿式离合器的分离器和摩擦片的示意图,采用柱面坐标,对于二维热传递的瞬态传导表示为
根据经验研究,由于高的热导率,分离器片内部的温度在一秒后可以被认为接近均匀。为了简化变速器控制器中的实时应用的实施,应用具有二维边界条件的集中分离片的示例性方法:
边界条件,
当ZA=L1时,
当ZA=0时,
当ZB=0时,
当ZB=L2时,
当ZC=L3时,
当r=RI时,
当r=RO时,
存在许多方法来表征片温度和油温度之间的差异。选择的方法需要在对于更高的准确性的需求和对于可被快速执行以实时模拟的简单计算的需求之间进行平衡。在下面示出的对数平均温差(LMTD)为一种表征片温度和油温度之间的差异的方法,但在没有脱离本发明的情况下可以使用其他的方法,如简单的算术平均值计算。
Tmo=TA-LMTD
其中,LMTD本身被定义为
另一个边界条件为在接合期间和接合之后,分离器片和摩擦衬层材料之间的接触温度。在冷却阶段结束时,摩擦衬层材料的表面和分离器片的表面处于不同的温度。然而,在接合阶段开始时,两个表面合并为一体,摩擦衬层材料的表面和分离器片的表面一定具有相同的温度。这点成为了接触温度问题,对于该问题,解决方案是
在接合阶段期间,能量输入速率(功率)在换挡期间相对于能量消除速率通常高得多。结果,随着热传递到分离器片和摩擦衬层材料这两侧,接触温度快速上升。基于在半无限体中热传递的分析解法,由分离器片和摩擦衬层材料吸收的热量的比率可被表示为
如果Tm-TB与Tm-TA之间的差是足够小的,则上面的方程式可进一步简化为
假定Tm-TB与Tm-TA之间的差值是相对小的,这是合理的,因为接触温度Tm为一个平衡点,当分离器片和摩擦衬层材料彼此接触时,分离器温度TB和摩擦衬层温度TA收敛于该平衡点。通过假定Tm-TB与Tm-TA之间的差是相对小的,可进行下面的简化。
应用该方程式作为边界条件,通过仅仅求解分离器片热传递,而不涉及对摩擦衬层材料和芯片的热传递,从而简化了整个离合器温度模型,因此避免了考虑摩擦材料的压缩性和液体渗透性的影响的复杂性。该简化为离合器温度提供了精确的模型,该模型是足够简单以几乎实时计算,以提供有用的控制信息。
在接合模式期间,离合器滑动大约一秒,然后锁住,作为一个单元而旋转。发生在接合模式滑动期间的热生成被定义为
为了计算离合器的热生成,需要估算或测量离合器压力。下面的例子示出了示意性PWM(脉宽调制)-螺线管变速器控制系统,其中,在蓄压器压力和流体体积之间存在关系。也可以利用传感器(与采用数学估算不同)直接或间接地测量离合器压力。而且,在利用可变力螺线管(VFS)的系统中,基于螺线管的电流或工作周期,可以计算压力。填充蓄压器的油必须压缩弹簧,该弹簧的体积在所计算的元件压力的可用范围内变化。对于任何离合器,离合器的总体积为离合器填充体积和蓄压器填充体积之和
V=Vf+AaXa
并且,蓄压器压力将为
求出Xa,代入到上面的计算储压器压力的方程式中,得出下面的方程式
蓄压器压力和离合器压力之间的关系为
离合器滑速可以从如图2所示的杠杆模拟中确定。在杠杆上的每一个节点可根据输入速度Nt和输出速度N0确定。
图3示出了穿过凹槽的油流。在下面示出了一种描述穿过凹槽的油流的方法。用其他的经验方法或不同的数学模型来说明穿过凹槽的油流也是可以的。
下面的公式用来评估凹槽中的油流和离合器界面之间的传热系数。
在分离的离合器中的油流可被写成
从这个方程式中,将理解到,油流速度随着离合器转速而增大。然而,因为穿过离合器的油流速度通常受设计限制,故当达到流速极限时,依据质量守恒定律,沿着径向方向油流穿过的区域必须随着进一步增大的离合器转速而减小。
下面示出了用于计算当离合器分离时,在油流和离合器界面之间的传热系数的一个例子。其他的方法也可以被用来求得该值。
在一些极端情况下,离合器最高温度可以超过200℃,甚至超过260℃。对于这些情况,对于MS-9602ATF(自动变速器油),由于变速器油蒸气压力可达5千帕至18千帕,故油蒸发效应被考虑为散热。
在离合器界面的变速器油蒸发速度等于
其中,Yso为在油表面的燃油蒸气的质量分数,等于
图4为感测到的车内实时温度数据(实线)和采用示例性方法确定的所产生的湿式离合器温度的值(点线)的说明曲线图,以及在传感器数据和确定的值(虚线)之间的离合器最高温度偏差的另一曲线图。总体差异在正负10°F内。
图4还包括对于单个换挡的Δ(delta)离合器温度升高的图(双点划线),该图可用于变速器控制策略评估和校准,尤其是评估换挡质量。对于具有相同输入扭矩和速度的换挡的较高的温度升高通常表明:换挡未被优化,或存在一些硬件问题。如紫色线所示的离合器最高温度计数器提供了关于离合器寿命的有价值的数据。在该领域中,如果离合器发生故障,离合器最高温度计数器也可以用来确定客户驾驶方式,来用于根本原因的分析。即使对于相同的离合器最高温度,高于某点的离合器温度的持续时间彼此可以是显著不同的。如浅蓝色线所示的离合器温度直方图为暴露在高于某些极限的温度中的离合器的时间积分,该直方图将揭示来自不同预期的信息,以估算离合器的寿命。该信息也可以用于将来的硬件和控制策略设计优化。
因为离合器COF是界面温度的近线性函数,对于一百度的温度变化,COF变化可能为20%至30%,因此将被理解到,精确的离合器温度预测可以提供良好的基础以确保极佳的换挡质量。
最后,离合器温度计算可用于实时离合器过热保护。没有精确的离合器温度预测,过热保护可能不必要地恶化驾驶性能,并且在保护下,将可能导致离合器故障或缩短的离合器寿命。由于路况、车辆荷载和客户驾驶方式是不可预知的,故在本领域中,对于离合器过热的最有效的保护为实时的驾驶策略改变,例如,采用根据示例性方法所确定的实时离合器温度。
图5示出了根据本公开的方法。首先,在步骤502计算离合器温度。接下来,在步骤504,该方法确定离合器温度是否大于预定的阈温度。如果离合器温度不大于预定的阈温度,那么该方法在步骤502重新开始。如果离合器温度大于预定的阈温度,那么该方法继续到步骤506,在该步骤,计数器增值。然后,在步骤508,计数器值与阈值比较。如果计数器不大于预定的阈值,则该方法在步骤502重新开始。如果计数器大于预定的阈值,那么该方法继续到步骤510,在该步骤,着手纠正措施。在操作期间,整个过程是反复的、连续不断地运行,以至于即使当在步骤510采取纠正措施时,该方法也返回至步骤502去继续计算离合器的温度。
定义/缩写词
下列项指出使用在与本公开有关的方程式和附图中的某些变量和缩写词的含义。
A 离合器表面积
Aa 蓄压器面积
a0,a1,a2,a3,a4 对于敞开的离合器中的油流和离合器界面之间的传热系数的常数
b0,b1,b2,b3,b4 对于凹槽中的油流和离合器界面之间的传热系数的常数
C 比热
COF 摩擦系数
Dh 水力直径
E 反应激活能
f 表面摩擦因子
Gr 紊流系数
h 传热系数
k 导热率
Ka 蓄压器弹簧刚度
LMTD 对数平均温差
m 油流速度
N 转速
P 压力
Pa 大气压力
Pc 离合器压力
Po 在油膜表面的油蒸气分压
Ppre 蓄压器预加压力
Pret 离合器回位弹簧
r 半径
R 玻耳兹曼常数
RI 摩擦盘内半径
RIP 离合器活塞内半径
RO 摩擦盘外半径
ROP 离合器活塞外半径
t 时间
T 温度(开尔文)
TI 油流入口温度
TO 油流出口温度
Tm 接触温度
Tmo 离合器表面上的平均油温
TGA 热重分析
V 总油体积
Vf 填充体积
Vo 油流速率
W 摩擦材料剩余质量
Wmo 油的分子量
Wma 空气的分子量
Wo 摩擦材料原重
Xa 蓄压器位移
Yso 在油膜表面的油蒸气的质量分数
δ 离合器间隙
θo 反应速率常数
ρ 密度
μ 粘度
ΔP 对于离心力的等效压差
Claims (19)
1.一种测量和防止离合器过热的方法,所述方法包括:
至少根据离合器压力计算离合器温度,
每当所述离合器温度超过第一预定温度值时,使在车辆控制系统内的计数器增值,和
基于所述计数器的值,采取纠正措施。
2.根据权利要求1所述的方法,该方法还包括:
在所述车辆控制系统中记录所述离合器在高于第二预定温度值的温度下所保持的总时间。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,所述第一预定温度值等于所述第二预定温度值。
4.根据权利要求2所述的方法,其中,采取纠正措施的动作包括基于所述计数器的值和基于所述离合器在高于第二预定温度值的温度下所保持的总时间,来采取纠正措施。
5.根据权利要求2所述的方法,该方法还包括:
基于所述计数器的值和/或所述离合器在高于所述第二预定温度值的温度下所保持的总时间,来预测所述离合器的故障。
6.根据权利要求2所述的方法,该方法还包括:
基于所述计数器的值和/或所述离合器在高于所述第二预定温度值的温度下所保持的总时间,来诊断离合器故障的根本原因。
7.根据权利要求2所述的方法,该方法还包括:
基于所述计数器的值、所述离合器在高于所述第二预定温度值的温度下所保持的总时间、和至少针对最新的换挡的温度变化中的至少一个,来确定换挡质量和/或驾驶者习惯。
8.根据权利要求1所述的方法,该方法还包括:
在执行所请求的换挡之前,针对所述所请求的换挡预测温度升高。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,采取纠正措施包括在所述车辆控制系统内提供实时补偿。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述实时补偿包括基于离合器温度和/或针对所述所请求的换挡而预测的离合器温度升高来改变换挡安排。
11.根据权利要求9所述的方法,其中,所述实时补偿包括基于离合器温度和/或针对所述所请求的换挡而预测的离合器温度升高来改变换挡逻辑。
12.根据权利要求9所述的方法,其中,所述实时补偿包括基于离合器温度和/或针对所述所请求的换挡而预测的离合器温度升高来提供离合器过热保护。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,所述实时补偿包括仅有在所述离合器温度超过阈值时才开启离合器过热保护。
14.根据权利要求1所述的方法,其中,采取纠正措施包括通过车辆显示器提供信息。
15.根据权利要求14所述的方法,其中,提供给所述车辆显示器的信息包括换挡质量指示、离合器温度警告、离合器寿命指示、和离合器过热保护指示中的至少一个。
16.根据权利要求1所述的方法,该方法还包括至少针对最新的换挡记录温度变化。
17.根据权利要求1所述的方法,其中,基于热生成、当所述离合器接合时通过来自凹槽的变速器油流进行的离合器冷却、当所述离合器分离时通过敞开的变速器油流进行的离合器冷却、油蒸发、和热传导中的至少一个,计算所述离合器温度。
18.根据权利要求1所述的方法,其中,基于在接触期间所述离合器温度、分离器片温度、和摩擦衬层温度基本上相等以及热传递与物理材料性能成比例这一假设,计算所述离合器温度。
19.根据权利要求1所述的方法,其中,基于所述计数器采取纠正措施包括当所述计数器达到预定值时采取纠正措施。
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