CN110674554A - 车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法，包括建立车辆起步工况动力模型、建立湿式离合器散热模型、对车辆起步工况进行数据采集、将车辆起步工况参数带入车辆起步工况动力模型得出离合器散热模型的输入值、将上述步骤中的输入值带入湿式离合器散热模型获得摩擦副温度值、获得冷却液出口温度、得出所需冷却液流量等步骤。有益效果：本发明不仅通过汽车起步动力学模型仿真计算处湿式离合器摩擦副温度和冷却液出口温度，还计算起步条件下达到安全冷却液温度所需要的冷却流量，有效地避免了摩擦副因温度过高而烧蚀的危险；通过模拟仿真计算方案成本低，效率高。

Description

车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法
技术领域
本发明涉及一种散热系统的设计方法，特别涉及一种车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法，属于汽车零部件设计领域。
背景技术
离合器是一种汽车中传递和中断动力至变速箱的机构。对于湿式离合器，其原理为通过液压油的作用使钢片和摩擦片频繁接合与分离；油泵输出油液进入活塞腔通过活塞压紧摩擦片，摩擦片分离方式为卸去油液，在平衡腔弹簧组的弹簧回位力作用下分离。
湿式离合器作为机械传动装置中重要部件，广泛地应用于汽车传动系统中，通过控制油压和分离弹簧作用使多片摩擦副接合或分离，实现负载及传动装置与车辆动力系统良好协调匹配。在起步接合过程中，由于湿式离合器主被动端相对转速差和摩擦副接触压力作用产生大量摩擦热，冷却液流过摩擦副表面带走大量的热量，从而降低摩擦副温度减少磨损。
湿式离合器在不同的起步条件下，例如坡道起步和竞速起步工况等会产生大量热量，如果冷却液流量不足会导致散热效果不明显，使离合器摩擦片因温度过高而发生热变形甚至烧毁。离合器热变形会引起传动不稳定性，极大程度影响了驾驶的安全性能。因此在湿式离合器研发的初期，必须根据整车信息和变速器信息，定义危险程度高的起步工况，通过离合器热仿真计算冷却液温度，并根据散热需要确定该工况所需的冷却液流量，从而可以指导湿式离合器散热系统的设计。
现有技术存在以下问题：目前，确定湿式离合器冷却液流量需要通过试验获取摩擦副表面温度和冷却液出口温度，根据实车测试值来调节冷却流量。但是在车辆设计初期没有试验参考，待车辆形成了样机再进行匹配测量改进，延缓了开发进度且增加了设计成本。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的设计周期长和设计成本高的问题，本发明提供了一种车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法。
技术方案：一种车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法，包括以下步骤：
S1、建立车辆起步工况动力模型：确定整车的传动参数并建立动力模型；
S2、建立湿式离合器散热模型：确定湿式离合器摩擦副和冷却液物理性质参数；
S3对车辆起步工况进行数据采集：通过测量整车重量、道路坡道角、滚阻系数、整车迎风面积，结合发动机万有特性曲线、起步档位需求、传动速比和油门开度确定起步工况下发动机输出扭矩和负载扭矩；
S4将步骤S3中车辆起步工况参数带入步骤S1车辆起步工况动力模型得出离合器散热模型的输入值；
S5将步骤S4中的输入值带入步骤S2的湿式离合器散热模型获得摩擦副温度值；
S6获得冷却液出口温度：根据湿式离合器热物理性质参数计算冷却液出口温度；
S7得出所需冷却液流量：冷却液出口温度判断起步工况下所需冷却液流量。
所述步骤S1中的整车的传动参数包括：发动机万有特性曲线、整车重量、发动机与从动轴转动惯量、离合器主从动部分阻尼、变速器主减速比、各个档位速比。
通过测量获取发动机万有特性曲线，起步档位需求，油门开度与动力学模型计算的输入转速反馈控制发动机输出扭矩Te。
通过测量整车重量，道路坡道角，滚阻系数，整车迎风面积，变速器主减速比，各个档位速比获得负载扭矩Tf。
通过测量离合器尺寸，油压大小可以控制离合器传递扭矩Tc并作为钢片温度计算输入值。
所述步骤S1中车辆起步工况动力模型为
Figure BDA0002167051320000021
Figure BDA0002167051320000022
其中，Te是发动机输出扭矩，Tc是离合器传递扭矩，Tf是负载扭矩，be是离合器主动部分阻尼，bv是离合器从动部分阻尼，Ie和Iv分别是离合器主动部分和从动部分转动惯量，ωe和ωv分别是离合器接合过程中主动部分和从动部分的角速度并作为钢片温度计算输入值。
通过测量离合器主动部分和从动部分转动惯量Ie和Iv，离合器主动部分阻尼be和从动部分阻尼bv代入动力学模型中可以计算出离合器主动部分角速度ωe和离合器从动部分角速度ωv；离合器主动部分角速度ωe和离合器从动部分角速度ωv的差值△ω作为钢片温度计算输入值。
所述步骤S5中的摩擦副温度包括离合器钢片和离合器摩擦片的温度，
钢片温度计算公式为
Figure BDA0002167051320000023
其中，ρs是离合器钢片材料密度，Vs是离合器钢片体积，Cs是离合器钢片比热容，h是对流换热系数，Af是离合器钢片面积，ηf是接触系数，Ts是离合器钢片温度，Tli是冷却液入口温度。
通过测量钢片尺寸，接触系数ηf和钢片密度ρs，比热容Cs，对流换热系数h，冷却液入口温度Tli以及动力学模型计算输出值可以获得钢片表面温度Ts作为冷却液出口温度和冷却流量计算的输入值。
摩擦片的表面温度计算方法如同钢片，得到摩擦片表面温度Tp作为冷却液出口温度和冷却流量计算的输入值。
所述步骤f中的冷却液出口温度计算公式为
Figure BDA0002167051320000031
其中，Tlo是冷却液出口温度,h是对流换热系数，Af是离合器钢片面积，ηf是接触系数，Ts离合器钢片温度，Tp离合器摩擦片温度，Tli是冷却液入口温度，ρl是离合器冷却液密度，Cl是离合器冷却液比热容，Ql是离合器冷却液流量。
通过测量冷却液密度ρl，比热容Cl，冷却流量Ql,接触系数ηf，钢片面积Af，入口油温Tli，以及当前钢片表面温度Ts摩擦片表面温度Tp以计算出冷却液出口温度Tlo。
所述步骤S6中冷却液流量计算公式为
其中，△q是单位时间流过单位面积的冷却液流量即比流量，Cs是离合器钢片比热容，Cp是摩擦片比热容,ds是离合器钢片厚度，dp是摩擦片厚度，ρl是离合器冷却液密度，Cl是离合器冷却液比热容，τ0是冷却时间，ηf是接触系数，Tlo*是目标需要达到的冷却液出口温度，Ts是离合器钢片温度，Tli是冷却液入口温度。
根据当前冷却液出口温度Tlo来确定冷却液目标出口温度Tlo*；
通过测量Cs是离合器钢片比热容，Cp是摩擦片比热容,ds是离合器钢片厚度，dp是摩擦片厚度，冷却液密度ρl，比热容Cl，冷却时间τ0，接触系数ηf，冷却液目标出口温度Tlo*，冷却液入口油温Tli以及当前钢片表面温度Ts和摩擦片表面温度Tp算达到目标出口温度Tlo*所需的单位时间单位面积冷却液流量(比流量)△q。
有益效果：本发明不仅通过汽车起步动力学模型仿真计算处湿式离合器摩擦副温度和冷却液出口温度，还计算起步条件下达到安全冷却液温度所需要的冷却流量，有效地避免了摩擦副因温度过高而烧蚀的危险；通过模拟仿真计算方案成本低，效率高。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明散热仿真原理图；
图3为本发明冷却液流量需求仿真原理图；
图4为本发明湿式离合器摩擦副温度和冷却液温度曲线；
图5为本发明为本发明湿式离合器冷却流量与试验结果对比曲线。
具体实施方式
下面将参照附图详细地描述实施例。
如图1所示，一种车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法，包括以下步骤：
S1、建立车辆起步工况动力模型：确定整车的传动参数并建立动力模型；
S2、建立湿式离合器散热模型：确定湿式离合器摩擦副和冷却液物理性质参数；
S3、对车辆起步工况进行数据采集：通过测量整车重量、道路坡道角、滚阻系数、整车迎风面积，结合发动机万有特性曲线、起步档位需求、传动速比和油门开度确定起步工况下发动机输出扭矩和负载扭矩；
S4、将步骤S3中车辆起步工况参数带入步骤S1车辆起步工况动力模型得出离合器散热模型的输入值；
S5、将步骤S4中的输入值带入步骤S2的湿式离合器散热模型获得摩擦副温度值；
S6、获得冷却液出口温度：根据湿式离合器热物理性质参数计算冷却液出口温度；
S7、得出所需冷却液流量：冷却液出口温度判断起步工况下所需冷却液流量。
首先要确定整车及离合器信息、整车起步工况定位信息、湿式离合器摩擦副和冷却液物理性质参数，通过动力学模型获取的传递扭矩和转速差计算摩擦副温度值，利用摩擦副温度值计算冷却液出口温度，然后判断要达到目标冷却液出口温度所需的冷却液流量。
所述步骤S1中的整车的传动参数包括：发动机万有特性曲线、整车重量、发动机与从动轴转动惯量、离合器主从动部分阻尼、变速器主减速比、各个档位速比。
通过测量获取发动机万有特性曲线，起步档位需求，油门开度与动力学模型计算的输入转速反馈控制发动机输出扭矩Te。
通过测量整车重量，道路坡道角，滚阻系数，整车迎风面积，变速器主减速比，各个档位速比获得负载扭矩Tf。
通过测量离合器尺寸，油压大小可以控制离合器传递扭矩Tc并作为钢片温度计算输入值。
所述步骤S1中车辆起步工况动力模型为
Figure BDA0002167051320000041
Figure BDA0002167051320000042
其中，Te是发动机输出扭矩，Tc是离合器传递扭矩，Tf是负载扭矩，be是离合器主动部分阻尼，bv是离合器从动部分阻尼，Ie和Iv分别是离合器主动部分和从动部分转动惯量，ωe和ωv分别是离合器接合过程中主动部分和从动部分的角速度并作为钢片温度计算输入值。
通过测量离合器主动部分和从动部分转动惯量Ie和Iv，离合器主动部分阻尼be和从动部分阻尼bv代入动力学模型中可以计算出离合器主动部分角速度ωe和离合器从动部分角速度ωv；离合器主动部分角速度ωe和离合器从动部分角速度ωv的差值△ω作为钢片温度计算输入值。
如图2所示，所述步骤S5中的摩擦副温度包括离合器钢片和离合器摩擦片的温度，
钢片温度计算公式为
Figure BDA0002167051320000051
其中，ρs是离合器钢片材料密度，Vs是离合器钢片体积，Cs是离合器钢片比热容，h是对流换热系数，Af是离合器钢片面积，ηf是接触系数，Ts是离合器钢片温度，Tli是冷却液入口温度。
通过测量钢片尺寸，接触系数ηf和钢片密度ρs，比热容Cs，对流换热系数h，冷却液入口温度Tli以及动力学模型计算输出值可以获得钢片表面温度Ts作为冷却液出口温度和冷却流量计算的输入值。
摩擦片的表面温度计算方法如同钢片，得到摩擦片表面温度Tp作为冷却液出口温度和冷却流量计算的输入值。
所述步骤f中的冷却液出口温度计算公式为
Figure BDA0002167051320000052
其中，Tlo是冷却液出口温度,h是对流换热系数，Af是离合器钢片面积，ηf是接触系数，Ts离合器钢片温度，Tp离合器摩擦片温度，Tli是冷却液入口温度，ρl是离合器冷却液密度，Cl是离合器冷却液比热容，Ql是离合器冷却液流量。
通过测量冷却液密度ρl，比热容Cl，冷却流量Ql,接触系数ηf，钢片面积Af，入口油温Tli，以及当前钢片表面温度Ts摩擦片表面温度Tp以计算出冷却液出口温度Tlo。
如图3所示，所述步骤S6中冷却液流量计算公式为
Figure BDA0002167051320000053
其中，△q是单位时间流过单位面积的冷却液流量即比流量，Cs是离合器钢片比热容，Cp是摩擦片比热容,ds是离合器钢片厚度，dp是摩擦片厚度，ρl是离合器冷却液密度，Cl是离合器冷却液比热容，τ0是冷却时间，ηf是接触系数，Tlo*是目标需要达到的冷却液出口温度，Ts是离合器钢片温度，Tli是冷却液入口温度。
根据当前冷却液出口温度Tlo来确定冷却液目标出口温度Tlo*；
通过测量Cs是离合器钢片比热容，Cp是摩擦片比热容,ds是离合器钢片厚度，dp是摩擦片厚度，冷却液密度ρl，比热容Cl，冷却时间τ0，接触系数ηf，冷却液目标出口温度Tlo*，冷却液入口油温Tli以及当前钢片表面温度Ts和摩擦片表面温度Tp算达到目标出口温度Tlo*所需的单位时间单位面积冷却液流量(比流量)△q。
如图4所示，通过Simulink建模仿真可以获得湿式离合器摩擦副温度和冷却液温度曲线，证明散热系统算法是可行的。
如图5所示，通过Simulink建模仿真和试验测量得出湿式离合器冷却流量与试验结果对比曲线，能够通过计算得到起步条件下达到安全冷却液温度所需要的冷却流量。

Claims (5)

1.一种车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立车辆起步工况动力模型：确定整车的传动参数并建立动力模型；
S2、建立湿式离合器散热模型：确定湿式离合器摩擦副和冷却液物理性质参数；
S3、对车辆起步工况进行数据采集：通过测量整车重量、道路坡道角、滚阻系数、整车迎风面积，结合发动机万有特性曲线、起步档位需求、传动速比和油门开度确定起步工况下发动机输出扭矩和负载扭矩；
S4、将步骤S3中车辆起步工况参数带入步骤S1车辆起步工况动力模型得出离合器散热模型的输入值；
S5、将步骤S4中的输入值带入步骤S2的湿式离合器散热模型获得摩擦副温度值；
S6、获得冷却液出口温度：根据湿式离合器热物理性质参数计算冷却液出口温度；
S7、得出所需冷却液流量：冷却液出口温度判断起步工况下所需冷却液流量。
2.根据权利要求1所述的车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S1中车辆起步工况动力模型为
Figure FDA0002167051310000011
Figure FDA0002167051310000012
其中，Te是发动机输出扭矩，Tc是离合器传递扭矩，Tf是负载扭矩，be是离合器主动部分阻尼，bv是离合器从动部分阻尼，Ie和Iv分别是离合器主动部分和从动部分转动惯量，ωe和ωv分别是离合器接合过程中主动部分和从动部分的角速度；。
3.根据权利要求2所述的车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S5中的摩擦副温度包括离合器钢片和离合器摩擦片的温度，
摩擦副温度计算公式为
Figure FDA0002167051310000013
其中，ρs是离合器钢片材料密度，Vs是离合器钢片体积，Cs是离合器钢片比热容，h是对流换热系数，Af是离合器钢片面积，ηf是接触系数，Ts是离合器钢片温度，Tli是冷却液入口温度，△ω是离合器主动部分角速度ωe和离合器从动部分角速度ωv的差值；
摩擦片的表面温度Tp计算方法如同钢片，得到摩擦片表面温度Tp。
4.根据权利要求3所述的车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S6中的冷却液出口温度计算公式为
Figure FDA0002167051310000014
其中，Tlo是冷却液出口温度,h是对流换热系数，Af是离合器钢片面积，ηf是接触系数，Ts离合器钢片温度，Tp离合器摩擦片温度，Tli是冷却液入口温度，ρl是离合器冷却液密度，Cl是离合器冷却液比热容，Ql是离合器冷却液流量。
5.根据权利要求4所述的车辆起步工况湿式离合器散热系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S7中冷却液流量计算公式为
其中，△q是单位时间流过单位面积的冷却液流量即比流量，Cs是离合器钢片比热容，Cp是摩擦片比热容,ds是离合器钢片厚度，dp是摩擦片厚度，ρl是离合器冷却液密度，Cl是离合器冷却液比热容，τ0是冷却时间，ηf是接触系数，Tlo*是目标需要达到的冷却液出口温度，Ts是离合器钢片温度，Tli是冷却液入口温度。
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