CN117889162A - 一种用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置及方法，该装置包括温度传感器，用于实时检测摩擦片中局部区域的表面温度；每个圆环朝向油膜间隙的一面布均置n个温度传感器，液压回路共有1个，其根据摩擦片中局部区域的温度最大值调节进入离合器箱体的冷却油液流量；控制器根据局部区域表面温度输出冷却流量信号至指令电位器；位移传感器用于实时测量摩擦片中局部区域的轴向位移，共有3n个，每个位移传感器均设置于应变片朝向油膜间隙的一面；及摩擦片轴向变形约束机构，共有3n个。本发明分别对局部高温采取调节冷却油液流量和对摩擦片轴向热变形采取机械约束的方法达到主动预防摩擦片的热失效。
Description
技术领域
本发明属于液粘传动技术领域,特别是一种用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置及方法。
背景技术
液体粘性传动是利用液体的粘性或剪切力传递动力的一种新型流体传动形式，它的工作原理是基于牛顿内摩擦定律，可实现无级调速，具有启动平稳，可控性高等显著优点。由于摩擦副系统中热应力分布的不均匀，摩擦片沿径向方向容易产生翘曲变形，从而对液粘柔性传动过程产生重大影响。
现有专利大多数是通过检测摩擦片热变形量，再通过施加位移约束，从而控制摩擦片的变形，例如，公开号CN114151465A专利中，在液粘差传动装置中设置新的液压回路，通过镶嵌在应变片内的电阻型位移传感器检测摩擦片径向变形量，再通过液压回路驱动液压缸对摩擦片施加径向约束，从而达到控制翘曲变形的目的。公开号CN115059699A专利中，通过摩擦片变形消减机构沿圆周方向施加磁吸力或磁斥力，通过对轴向和周向施加控制，消减摩擦片的翘曲变形，达到稳定传动的目的。
从上述专利看出，针对摩擦片容易产生热变形这个弊端，已有技术方案缺乏从局部温度升高和产生微小变形这两个角度入手，进而实现解决摩擦片热失效的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置及方法，分别对局部高温采取调节冷却油液流量和对摩擦片轴向热变形采取机械约束的方法达到主动预防摩擦片的热失效。为实现上述目的，采用的技术方案如下：
一种用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置，包括：
温度传感器，用于实时检测摩擦片中局部区域的表面温度，其分布在摩擦片半径分别为r1、r2、r3的圆环表面；每个圆环朝向油膜间隙的一面布均置n个温度传感器，
液压回路，共有1个，其根据摩擦片中各个局部区域温度最大值，调节液压回路进入离合器箱体的冷却油液流量，液压回路的输出端连通离合器箱体的进油孔；其中，液压回路包括：
电液伺服阀19和流量计24，电液伺服阀19和离合器箱体之间的油路上设置所述流量计24；所述电液伺服阀19的进油口连接进油管路；
指令电位器22、比较器21及伺服放大器20，依次信号连接，所述指令电位器22的输出端连接比较器21的第一输入端；比较器21的第二输入端连接流量计24的输出端；伺服放大器20的输出端信号连接电液伺服阀19以调节电液伺服阀19的开合度；
控制器根据局部区域表面温度，输出冷却流量信号至所述指令电位器22；
位移传感器，用于实时测量摩擦片中局部区域的轴向位移，共有3n个，与温度传感器对应设置以用于表征同一局部区域，每个位移传感器均设置于应变片朝向油膜间隙的一面；
及摩擦片轴向变形约束机构，共有3n个，用于对摩擦片中局部区域的轴向位移进行补偿，每个局部区域背向粘液的一侧面连接一个摩擦片轴向变形约束机构。
优选地，所述电液伺服阀19的开合度模型为：
式中，G(s)是开合度；Ksv是伺服阀流量增益，m3/s·A，ωsv是伺服阀的固有频率，rad/s，ξsv是伺服阀的阻尼比；s为伺服放大器20输出的放大后的冷却流量差信号。
优选地，局部区域表面温度与所需冷却流量之间的关系：
Y＝AX3-BX2+CX+D
式中，Y是温度，℃，X是所需冷却流量，L/min；A、B、C、D均为常数。
优选地，摩擦片轴向变形约束机构有两套，分别为主动摩擦片轴向变形约束机构和被动摩擦片轴向变形约束机构；主动摩擦片轴向变形约束机构用于消除主动摩擦片的变形；被动摩擦片轴向变形约束机构用于消除被动摩擦片的变形。
优选地，所述主动摩擦片轴向变形约束机构包括：
基座5，通过螺钉7固定在主动片支座2上；
压电陶瓷驱动器12，其壳体固定于基座5，其输出端连接移动滑块8；所述压电陶瓷驱动器12由电源供电，并和控制器信号连接；所述电源和控制器均置于离合器的箱体外。
应变片6、所述移动滑块8及柔性铰链9，依次连接，所述应变片6朝向油膜间隙设置，其朝向油膜间隙的表面固定于主动摩擦片1的局部区域；所述移动滑块8用于连接应变片和传递压电陶瓷驱动器的伸缩的位移量；
移动滑块8两端设有限位滑块10，限位滑块10放置于压电陶瓷驱动器两侧的挡板11上的滑轨，所述滑轨沿轴向延伸；
所述挡板11固定于基座5且沿轴向延伸。
优选地，所述压电陶瓷驱动器12的传递函数为：
U(S)为压电陶瓷驱动器的驱动电压；
X(S)为压电陶瓷驱动器的位移；
Km为压电位移转换系数；
R为压电陶瓷驱动器的等效电阻，Ω；
C为压电陶瓷驱动器的等效电容，uf。
S为控制器输出的位移信号。
优选地，所述液压回路的进油管路还包括：
油箱13、滤油器14、油泵15及冷却器17，依次连接，所述冷却器17的输出端连接电液伺服阀19的进油口；
电动机16，用于驱动油泵15；
溢流阀18，设置于流量计24和电液伺服阀19之间。
一种用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制方法，包括以下步骤：
1、降低摩擦片表面温度的步骤：
首先，接收各个温度传感器信号数据Ti；
之后，选取最高值Ti作为控制信号，控制器驱动液压回路，液压回路中的指令电位器22接收控制器输出的冷却流量信号，从而电液伺服阀19增加冷却油液流量，进而降低摩擦片的表面温度；
2、对摩擦片局部区域轴向热变形采取机械约束的步骤：
首先，接收各个位移传感器的信号数据Hi，若Hi≠0，则以Hi为当前控制量，通过控制器控制相应局部区域的轴向变形约束机构，实现对摩擦片局部区域的轴向位移控制。
优选地，还包括以下步骤：
预先设置摩擦片表面温度初值T，若T小于于Ti，则控制器输出冷却流量信号至指令电位器22。
与现有技术相比，本发明的优点为：
分别对局部高温采取调节冷却油液流量，以及对摩擦片轴向热变形采取机械约束的方法达到主动预防摩擦片的热失效。
附图说明
图1为预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置的整体结构示意图；
图2为用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制方法流程闭环简图；
图3为摩擦片轴向变形约束机构局部放大图；
图4为液压回路原理图；
图5为压电陶瓷驱动器结构图；
图6为摩擦片轴向变形约束机构的控制原理图；
图7为摩擦片温度传感器分布图；
图8为温度调控效果图；
图9为轴向位移调控效果图。
1-主动摩擦片、2-主动片支座、3-被动摩擦片、4-被动片支座；
5-基座、6-应变片、7-螺钉、8-移动滑块、9-柔性铰链、10-限位滑块、11-挡板、12-压电陶瓷驱动器；
13-油箱、14-滤油器、15-油泵、16-电动机、17-冷却器、18-溢流阀、19-电液伺服阀、20-伺服放大器、21-比较器、22-指令电位器、23-摩擦副、24-流量计。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置及方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
如图1～7，一种用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置，分别对局部高温采取调节冷却油液流量，以及对摩擦片轴向热变形采取机械约束的方法达到主动预防摩擦片的热失效。具体包括：
温度传感器，用于实时检测摩擦片中局部区域的表面温度，其分布在摩擦片半径分别为r1、r2、r3的圆环表面；每个圆环朝向油膜间隙的一面布均置n个温度传感器(n≥4。)。在本实施例中，每一圆环内设有12个温度传感器，同一径向尺寸内每个传感器相差30°均匀分布。
液压回路，共有1个，其根据摩擦片中局部区域的温度最大值，调节液压回路进入离合器箱体的冷却油液流量，液压回路的输出端连通离合器箱体的进油孔，使得冷却油液最终包饶在摩擦副23周围。
液压回路原理图如图4所示，其原理是通过控制电液伺服阀19的开合度来改变摩擦副的润滑油流量，加大流量带走更多热量，降低摩擦片的温度。
具体的，由指令元件发出数字信号(冷却流量信号)，经D/A转换成模拟信号后输给比较器，再通过比较器与流量计传来的反馈信号比较，形成偏差信号，然后通过矫正，放大器输出控制电流，操纵电液伺服阀产生液压信号，从而使润滑油液流量达到期望值(冷却流量信号)。
其中，每个液压回路均包括：
电液伺服阀19和流量计24，电液伺服阀19和离合器箱体之间的油路上设置流量计24；电液伺服阀19的进油口连接进油管路；
液压回路的进油管路包括：
油箱13、滤油器14、油泵15及冷却器17，依次连接，冷却器17的输出端连接电液伺服阀19的进油口；
电动机16，用于驱动油泵15；
溢流阀18，设置于流量计24和电液伺服阀19之间。
指令电位器22、比较器21及伺服放大器20，依次信号连接，指令电位器22的输出端连接比较器21的第一输入端；比较器21的第二输入端连接流量计24的输出端；伺服放大器20的输出端信号连接电液伺服阀19以调节电液伺服阀19的开合度。
电液伺服阀19的开合度模型为：
式中，G(s)是开合度；Ksv是伺服阀流量增益，m3/s·A，ωsv是伺服阀的固有频率，rad/s，ξsv是伺服阀的阻尼比；s为伺服放大器(20)输出的放大后的冷却流量差信号。
控制器根据局部区域表面温度，输出冷却流量信号至指令电位器22。即选取最高Ti值作为控制温度，根据摩擦片表面温度与所需冷却流量公式计算所需流量大小，再驱动液压回路增大流量实施控制。
其中，局部区域表面温度与所需冷却流量之间的关系：
Y＝AX3-BX2+CX+D
式中，Y是温度，℃，X是所需冷却流量，L/min；A、B、C、D均为常数。
位移传感器，用于实时测量摩擦片中局部区域的轴向位移，共有3n个，与温度传感器对应设置以用于表征同一局部区域，每个位移传感器均设置于应变片朝向油膜间隙的一面。圆弧应变片均匀固定在摩擦片的r1、r2、r3的圆环上。每一圆环内有12个圆弧应变片。一个圆环包含12个局部区域。
及摩擦片轴向变形约束机构，共有3n个，用于对摩擦片中局部区域的轴向位移进行补偿，每个局部区域背向粘液的一侧面连接一个摩擦片轴向变形约束机构。
其中，摩擦片轴向变形约束机构有两套，分别为主动摩擦片轴向变形约束机构和被动摩擦片轴向变形约束机构；主动摩擦片轴向变形约束机构用于消除主动摩擦片1的变形；被动摩擦片轴向变形约束机构，固定在被动片支座4上，用于消除被动摩擦片3的变形。
主动摩擦片轴向变形约束机构包括：
基座5，通过螺钉7固定在主动片支座2上；随着主动摩擦片一同转动。
压电陶瓷驱动器12，其壳体固定于基座5，其输出端连接移动滑块8；压电陶瓷驱动器12由电源供电，并和控制器信号连接；电源和控制器均置于离合器的箱体外。压电陶瓷驱动器12采用PI公司的P-842.60压电陶瓷驱动器。
压电陶瓷驱动器12的传递函数(位移模型)为：
U(S)为压电陶瓷驱动器的驱动电压；
X(S)为压电陶瓷驱动器的位移；
Km为压电位移转换系数；
R为压电陶瓷驱动器的等效电阻，Ω；
C为压电陶瓷驱动器的等效电容，uf。
S为控制器输出的位移信号。
应变片6、移动滑块8及柔性铰链9，依次连接，应变片6朝向油膜间隙设置，其朝向油膜间隙的表面固定于主动摩擦片1的局部区域；移动滑块8用于连接应变片和传递压电陶瓷驱动器的伸缩的位移量。在本实施例中，一个圆环包含12个局部区域。
移动滑块连接两根柔性铰链，没有应变片的话，柔性铰链施加作用在摩擦片作用面会很小。
移动滑块8两端设有限位滑块10，限位滑块10放置于压电陶瓷驱动器两侧的挡板11上的滑轨，滑轨沿轴向延伸，保证压电陶瓷驱动器轴向伸缩的准确性。
挡板11固定于基座5且沿轴向延伸。
用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制方法，包括以下步骤：
1、降低摩擦片的表面温度的步骤：
首先，接收各个温度传感器信号数据Ti；
之后，选取最高值Ti作为控制信号，控制器驱动液压回路，液压回路中的指令电位器22接收控制器输出的冷却流量信号，从而增加冷却油液流量，进而降低摩擦片的表面温度。
进一步地，控制器将初值T作为摩擦片的期望温度，将最高值Ti转化为冷却流量信号并输入至指令电位器22，该局部区域的温度传感器测得该摩擦片冷却后的温度Ti ’；
经控制器判断，当Ti ’≠T时，控制器输出Ti ’对应的冷却流量信号至指令电位器22。
2、对摩擦片局部区域轴向热变形采取机械约束的步骤：
接收各个位移传感器的信号数据Hi，若Hi≠0，则以Hi为当前控制量，通过控制器控制相应局部区域的轴向变形约束机构，实现对摩擦片局部区域的轴向位移控制；
进一步地，控制器将输出位移Hi作为该局部区域的期望位移，并输入至压电陶瓷驱动器(12)，该局部区域的位移传感器实时测得该局部区域的输出位移Hi’；
经控制器判断，当Hi’≠Hi时，控制器输出两者之间的位移差信号至压电陶瓷驱动器(12)。
即所述液压回路和摩擦片轴向变形约束机构均采用PID控制器控制，PID控制器可描述为：
式中，G(s)是控制器的输出控制量；P是比例系数；I是积分系数；D是微分系数。
在本实施例中，假设摩擦片初始温度为20°，油液温度为25°，从传感器信号数据中选取最高Ti值是93°。
经过仿真计算，摩擦片表面温度与所需冷却流量之间的关系式中A、B、C、D分别取值为4.25×108、3.575×106、2300、93，计算得冷却流量X是0.09527L/min。
根据电液伺服阀传递函数，Ksv取0.056m3/s·A，ωsv取0.7rad/s，ξsv取500。
液压回路中使用的PID控制器经过测试，P、I、D分别取值为0.01645、5.6947和1.1779。
摩擦片温度变化如图8所示，在0.013s后，摩擦片温度降低到初始温度，即Ti＝T。
假设检测轴向位移量为0.1mm时，运行摩擦片轴向变形约束机构来控制摩擦片轴向位移，压电驱动系统采用的PID控制器，经过测试，P、I、D分别取值为10289079.33、6426808813.55和-1195.714。
根据压电陶瓷驱动器系统的传递函数，Km取1.3×10-7，C取1.6×10-6uf，R取2000Ω。
通过控制压电陶瓷驱动器伸缩量，进而对摩擦片施加位移约束。
如图9所示位移图，在0.015s时刻，轴向位移可趋向于0。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置，其特征在于，包括：
温度传感器，用于实时检测摩擦片中局部区域的表面温度，其分布在摩擦片半径分别为r1、r2、r3的圆环表面；每个圆环朝向油膜间隙的一面布均置n个温度传感器，
液压回路，共有1个，其根据摩擦片中各个局部区域的温度最大值，调节液压回路进入离合器箱体的冷却油液流量，液压回路的输出端连通离合器箱体的进油孔；其中，液压回路包括：
电液伺服阀(19)和流量计(24)，电液伺服阀(19)和离合器箱体之间的油路上设置所述流量计(24)；所述电液伺服阀(19)的进油口连接进油管路；
指令电位器(22)、比较器(21)及伺服放大器(20)，依次信号连接，所述指令电位器(22)的输出端连接比较器(21)的第一输入端；比较器(21)的第二输入端连接流量计(24)的输出端；伺服放大器(20)的输出端信号连接电液伺服阀(19)以调节电液伺服阀(19)的开合度；
控制器根据局部区域表面温度，输出冷却流量信号至所述指令电位器(22)；
位移传感器，用于实时测量摩擦片中局部区域的轴向位移，共有3n个，与温度传感器对应设置以用于表征同一局部区域，每个位移传感器均设置于应变片朝向油膜间隙的一面；
及摩擦片轴向变形约束机构，共有3n个，用于对摩擦片中局部区域的轴向位移进行补偿，每个局部区域背向粘液的一侧面连接一个摩擦片轴向变形约束机构。
2.根据权利要求1所述的用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置，其特征在于，所述电液伺服阀(19)的开合度模型为：
式中，G(s)是开合度；Ksv是伺服阀流量增益，m3/s·A，ωsv是伺服阀的固有频率，rad/s，ξsv是伺服阀的阻尼比；s为伺服放大器(20)输出的放大后的冷却流量差信号。
3.根据权利要求1所述的用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置，其特征在于，局部区域表面温度与所需冷却流量之间的关系：
Y＝AX3-BX2+CX+D
式中，Y是温度，℃，X是所需冷却流量，L/min；A、B、C、D均为常数。
4.根据权利要求1所述的用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置，其特征在于，摩擦片轴向变形约束机构有两套，分别为主动摩擦片轴向变形约束机构和被动摩擦片轴向变形约束机构；主动摩擦片轴向变形约束机构用于消除主动摩擦片的变形；被动摩擦片轴向变形约束机构用于消除被动摩擦片的变形。
5.根据权利要求4所述的用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置，其特征在于，所述主动摩擦片轴向变形约束机构包括：
基座(5)，通过螺钉(7)固定在主动片支座(2)上；
压电陶瓷驱动器(12)，其壳体固定于基座(5)，其输出端连接移动滑块(8)；所述压电陶瓷驱动器(12)由电源供电，并和控制器信号连接；所述电源和控制器均置于离合器的箱体外。
应变片(6)、所述移动滑块(8)及柔性铰链(9)，依次连接，所述应变片(6)朝向油膜间隙设置，其朝向油膜间隙的表面固定于主动摩擦片(1)的局部区域；所述移动滑块(8)用于连接应变片和传递压电陶瓷驱动器的伸缩的位移量；
移动滑块(8)两端设有限位滑块(10)，限位滑块(10)放置于压电陶瓷驱动器两侧的挡板(11)上的滑轨，所述滑轨沿轴向延伸；
所述挡板(11)固定于基座(5)且沿轴向延伸。
6.根据权利要求4所述的用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器(12)的传递函数为：
U(S)为压电陶瓷驱动器的驱动电压；
X(S)为压电陶瓷驱动器的位移；
Km为压电位移转换系数；
R为压电陶瓷驱动器的等效电阻，Ω；
C为压电陶瓷驱动器的等效电容，uf。
S为控制器输出的位移信号。
7.根据权利要求1所述的用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制装置，其特征在于，所述液压回路的进油管路还包括：
油箱(13)、滤油器(14)、油泵(15)及冷却器(17)，依次连接，所述冷却器(17)的输出端连接电液伺服阀(19)的进油口；
电动机(16)，用于驱动油泵(15)；
溢流阀(18)，设置于流量计(24)和电液伺服阀(19)之间。
8.一种用于预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1、降低摩擦片表面温度的步骤：
首先，接收各个温度传感器信号数据Ti；
之后，选取最高值Ti作为控制信号，控制器驱动液压回路，液压回路中的指令电位器(22)接收控制器输出的冷却流量信号，从而电液伺服阀(19)增加冷却油液流量，进而降低摩擦片的表面温度；
2、对摩擦片局部区域轴向热变形采取机械约束的步骤：
首先，接收各个位移传感器的信号数据Hi，若Hi≠0，则以Hi为当前控制量，通过控制器控制相应局部区域的轴向变形约束机构，实现对摩擦片局部区域的轴向位移控制。
9.根据权利要求8所述的预防液粘传动摩擦片热失效的主动控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
预先设置摩擦片表面温度初值T，若T小于于Ti，则控制器输出冷却流量信号至指令电位器(22)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |