离合器摩擦片动静摩擦系数对大马力推土机换挡性能的影响.pdf

设计、研究、分析2024年第1 期Design,Research&Analysis离合器摩擦片动静摩擦系数对大马力推土机换挡性能的影响王华栋,何登辉,刘澳,张文泽（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安7 1 0 0 6 4）摘要：针对大马力推土机在换挡过程中出现的冲击度过大的问题，提出评价换挡性能的两个指标：冲击度、滑摩功；建立大马力推土机传动系统AMESim和MATLAB联合仿真模型；进而研究变速箱离合器摩擦片动、静摩擦系数对换挡冲击度、滑摩功的影响。结果表明：在一挡起步和二挡降一挡时的换挡冲击最大,在二挡降一挡过程中，随着动摩擦系数的增大，换挡结合时间减小，冲击度、滑摩功也随之增大，当换挡完成时，冲击度幅值减小，滑摩功不随动摩擦系数变化而变化；随着静摩擦系数的增大，换挡冲击度、滑摩功变化不明显。关键词：AMESimMATLAB动摩擦系数静摩擦系数冲击度滑摩功中图分类号：TH22Effect of dynamic and static friction coefficients of clutch friction plate on shiftingAbstract:Aiming at the problem that the impact of the high-horsepower bulldozer in the process of shifting is too large,twoindexes are put forward to evaluate the shifting performance:impact degree and slipping work.The AMESim and MATLAB co-simulation model of the transmission system of the high-horsepower bulldozer is established.Then the influence of the dy-namic and static friction coefficients of the clutch friction plate on the shift impact and slipping work is studied.The resultsshow that the shift impact is the largest when the first gear starts and the second gear drops into the first gear.In the processof the second gear dropping into the first gear,with the increase of the dynamic friction coefficient,the shift combination timedecreases,and the impact and slipping work also increase.When the shift is completed,the impact amplitude decreases,andthe slipping work does not change with the change of the dynamic friction coefficient.With the increase of the static frictioncoefficient,the shift impact and slipping work do not change significantly.Keywords:AMESim,MATLAB,dynamic friction coefficient,static friction coefficient,impact degree,slipping work作为工程机械领域中最早发展起来的土方机械,大马力推土机在国内外市场上具有显著的竞争优势。其工作流程主要包括切土、运土、卸土和倒退等环节，主要用于挖掘、运输和排放岩土，在露天矿山应用广泛!。推土机的出现极大地提高了工程效率,改善了工程质量以及工作者的劳动条件,同时也降低了工程成本2。从其诞生到现在,主要传动形式包括：机械传动、电传动、带液力变矩器的液力机械传动和液压传动3。目前，部分国内推土机的变速箱在换档过程中存在换档冲击的问题,其根源文献标识码：Aperformance of high-horsepower bulldozerWANG Huadong,HE Denghui,LIU Ao,ZHANG Wenze文章编号：1 0 0 2-6 8 8 6(2 0 2 4)0 1-0 0 3 1-0 5在于对离合器的结合和分离特性研究不足。在理论计算方面，尚未建立正确的数学模型和计算方法；在应用角度上,缺乏有效的计算分析软件和手段。因此,无法进行正向设计、曲线编制以及快速故障处理。为了解决这一问题，我们需要研究在载荷、转速、流量等多变量状态下的离合器的结合和分离特性，建立相应的数学模型。通过这些模型，我们可以找到优化换挡平顺性的理论支撑和相应方法，从而提升推土机的性能和操作体验。当前阶段,国内外学者和研究机构对变速箱及31IXiandai Jixie现代i核械|Xladen Maclinery其换挡品质的影响因素进行了大量研究。在国外，CATERPILLAR公司生产的电子变速箱通过采用电子控制策略,显著提升了换挡的平稳性4。日本小松公司生产的轮式装载机，其定轴式变速箱采用动力换挡方式，具有四个前进挡和四个后退档,通过电气控制先导油压来控制主油压，从而实现精确控制换挡元件的结合与分离。值得一提的是，该公司还将机械式调压阀换成了电子调压阀，从而减小了换档冲击,大大提高了驾驶员的舒适性5。英国Zero-Shift公司则通过使用两个超越离合器，使得换挡时间趋近于零，避免了换挡过程中出现动力中断，从而提升了换挡品质6。德国ZF公司生产的变速器已应用于各类车辆,其AT变速箱研究成效显著。其中,Ecomat变速器通过增加一套电子控制单元改善了换挡品质，优化了燃油经济性7。Kim等采用模糊控制、智能控制、神经网络等方法进行研究,提出可以通过改变离合器摩擦性能来补偿变速器，并设计了开环控制器对离合器油压进行控制，从而改善换挡性能8 相比于国外，国内对变速箱及其换挡性能的研究进度较为缓慢。王尔烈从缓冲控制角度对换挡方式进行研究,以AT变速器为研究对象,采用油压估计方法和滑摩控制理论构建模型，并通过仿真和实验验证了自己的方法9。雷雨龙等提出了理想换挡概念并建立模型，为评价换挡性能提供了新方法1 0。杨树军建立了变速器换挡过程数学模型,通过动态仿真的方法得出了液压马达转速的波动是影响换挡平顺性的重要影响因素本文在先前研究的基础上，建立一个变速箱动力学模型,该模型充分考虑发动机、液力变矩器、负载工况以及电液控制系统对变速箱离合器动态特性的影响。该模型可用于研究离合器摩擦片对推土机换挡性能的影响,以期为工程机械多片式湿式离合器的压力曲线正向设计优化提供指导。1冲击形成及换档性能评价指标在车辆的换挡过程中,前一挡位的离合器需要与后一挡位的离合器同时进行分离与接合1 2。然而,在实际运转过程中,可能会出现一些问题。比如，换挡时元件重叠过多会导致双锁止现象，这会造32成元件的严重磨损1 3 而动力间断则会导致飞车现象,这会增大换挡的冲击度1 4。在换挡时,由于车辆的惯性以及与发动机刚性相连的部件保持不变,车辆会受到巨大的反作用转矩,从而形成换挡冲击。这种冲击会降低推土机的寿命，影响工作效率，同时也会影响驾驶员的乘坐舒适度1 5。因此,改善换挡性能成为了非常重要的研究。考虑到换挡品质，我们对换挡过程主要有以下两个要求：首先，换挡过程需要迅速完成，这样可以减少摩擦元件的磨损和发热，同时避免产生动力中断现象。其次，换挡过程需要平稳过渡，不应有过高的瞬时加速度和减速度，以减小动力传动系统的冲击，延长零件使用寿命。目前，常用的换挡品质评价指标有两种：换挡冲击度和换挡滑摩功。这两种评价指标可以帮助我们评估换挡过程中对车辆性能和元件寿命的影响。1.1冲击度在作业过程中，由于车辆行驶方向产生的换挡冲击最为显著,因此我们可以用纵向加速度变化率，即换挡冲击度，作为评价换挡品质的指标。换挡冲击度可以通过对车辆行驶加速度对时间的一阶导数进行计算得出，也可以通过车辆纵向行驶速度对时间的二阶导数来表示。J=da-ddtdt?式中：和分别为车辆纵向速度和加速度,可由下式计算：duda。0a=dti式中，i为变速箱输出端之后的总传动比，为链轮半径，上式中输出轴角加速度为：T。-T,=1。式中：T。为变速箱输出转矩,T,为负载转矩,I。为与变速箱输出轴相连的转动惯量。则有：J=d(T.-T.)il.d由于链轮半径、与变速器输出轴相连部件的转动惯量以及变速器到车轮的传动比都是固定不变的，从公式可以看出,换挡冲击度的大小只与输出轴(1)T(2)(3)(4)设计、研究、分析2024年第1 期Design,Research&Analysis扭矩的变化率相关,而且两者之间成正比关系。因控制功能较差,因此采用MATLAB进行换挡的逻辑此,要减小换挡冲击度,就必须抑制换挡过程中输出控制，并进行AMESim/MATLAB联合仿真，以求解轴扭矩的剧烈波动。整机模型。图2 是模型的MATLAB的控制部分模型。冲击度J的许用值在各国会有所差异：我国要求：1 7.6 m/s3；前苏联标准为：3 1.3 6 m/s；德国标准为:1 0 m/s。1.2滑摩功换挡过程涉及到离合器（或制动器）的结合与分离,在这个过程中,离合器的主、从动片之间必然会产生一定的热量。当热量达到一定程度时，会导致离合器主从片的温升，从而影响换挡性能，降低零件使用寿命。因此，需要限制换挡过程中产生的热量。离合器在结合过程中产生的热量可以用滑摩功来衡量，其表达式为：W。=f T.(w z -w i)d t其中,W。是滑摩功,ti 是离合器开始滑磨时刻,t是离合器滑磨同步时,为离合器主动片角速度,2为离合器从动片角速度。滑摩功在一定程度上可视为摩擦元件寿命的评价指标，滑摩功的值越小，则换挡执行元件寿命就越长，但其值与冲击度存在一定矛盾关系，使前者减小必然会导致后者不同程度的增大,因此，必须通过控制方法调控,使二者均在合理范围。2大马力推土机传动系统AMIESim建模与仿真本节主要仿真大马力变速箱换挡冲击，仿真模型包含柴油发动机、液力变矩器、离合器、液压控制、变速箱、车辆阻力模型。整机模型如图1 所示。-图1 推土机传动系统整机模型模型整体思路为通过控制油压曲线来控制离合器的响应,而离合器的响应直接影响转矩的传递和变换,从而影响车辆的冲击特性。本项目着眼于油压曲线的合理控制,以减小冲击度。AMESim逻辑图2 MATLAB换挡油压控制程序3大马力推土机的换挡冲击分析由式(4)可知,大马力推土机传动系统冲击度(5)受变速箱输出扭矩和负载端转动惯量的影响，通常负载端的转动惯量为常数，而变速箱输出扭矩大多与离合器摩擦片接合特性直接相关。离合器的摩擦特性如摩擦系数都影响着冲击度。本节内容将着力于研究离合器摩擦片的摩擦系数对冲击度、滑摩功的影响。动摩擦系数与离合器鼓转速和单位摩擦片面积承受的压力有关,且随转速和压力的增大而增大;静摩擦系数。是物质的固有性质，常用材料的摩擦系数如表1。表1摩擦材料摩擦系数取值范围摩擦片材料摩擦系数石棉基材料0.20 0.25编织材料0.25 0.35铜基材料0.25 0.35铁基材料0.350.50金属陶瓷材料0.70 1.50锰基材料0.03 0.15在仿真过程中,根据表1,设置动、静摩擦系数变化范围为0.0 3 0.1 2 和0.1 0.2 5。为了研究动摩擦系数.和静摩擦系数的影响，在不同动、静摩擦系数取值下对传动系统的冲击特性进行研究,所采用的油压曲线如图3 所示。图4 为不同动摩擦系数下1-2-3-2-1-2 挡位冲击度的变化情况（静摩擦系数为0.1 2）。由图4可知,1 挡起步和降档2-1 时的冲击度较大,且不同33现代极械Modern MachineryXiandaiJixie的动摩擦系数对冲击度的影响显著，bar30寸2520-1510500冲击度/（m/s）150100-500-50-100-1500图4 不同动摩擦系数下挡位1-2-3-2-1-2 换挡冲击曲线图5给出了2-1 挡冲击度与动摩擦系数之间的关系,由图可知,摩擦系数对冲击度的影响显著,冲击度峰值随摩擦系数增大而增大,摩擦系数从0.03到0.1 2 变化时，冲击度峰值出现位置向左偏移,也即结合时间变短，初始结合阶段的冲击度从30m/s增大至1 4 0 m/s,结合完成时的冲击度从1 0m/s增大至3 5m/s。冲击度/（m/s)150100500-50于-100-15020.8图5动摩擦系数对2 挡降1 挡冲击度影响图6 为挡位1-2-3-2-1-2 变换工况下离合器的单位滑摩功,由图可知,3 挡离合器的单位滑摩功最小，1 挡和2 挡离合器的单位滑摩功较大。图7 为降挡2-1 时，1 挡离合器的单位面积滑摩功，换挡初始开始阶段滑摩功随动摩擦系数的增34大而增大,且受动摩擦系数的影响显著。由于滑摩功受滑摩时间、转速差以及扭矩差异的影响，结合完成后的滑摩功并不随摩擦系数单调变化。-1档bar2档bar3挡barj-F档bar324图3换挡油压曲线_-0.1 u.s-0.12u_d=0.10 u_s=0.12u_d=0.06 uLs=0.12u_d=0.08 u_s=0.12u_d=0.04u_s=0.12_d=0.03u_5=0.12三档位5100.100.120.08F88AAA1.50.031.0F0.50.021.021.421.2X:Timel/s单位滑摩功/（J/cm）6050-4068X:Time/sTime/s20挡位一1 挡商合器F3.0一2 挡离合器一下挡离合盟3挡离合器挡位1012挡位3.0F2.52.0-1.5-1.0-0.5+0.02530Ld-0.12 u=0.12u_d-0.10 us=0.12ud=0.08.us=-0.12u_d=0.06 u_s=0.12u_d=0.04 u_s=0.12一档位.d=0.03 u.s=0.1221.62.5F2.01430-201000图6挡位1-2-3-2-1-2 离合器单位滑摩功(a=0.06,=0.12)单位滑摩功/（J/cm）25-20于351510-5021.0图7 动动摩擦系数对降档2-1 单位滑摩功的影响图8 为静摩擦系数对冲击度的影响。由图8 可知,静摩擦系数和动摩擦系数类似,1挡起步和降档2-1 时的冲击度较大。挡位F3.0F2.52.021.8F1.51.0F0.5F235100.160.040.0321.221.4X:Time/s冲击度/（m/3）8060-40200-20-40-60-80-100-1200图8不同静摩擦系数下挡位1-2-3-2-1-2换挡冲击曲线图9 是静摩擦系数在0.1 0.2 5范围内变化时,静摩擦系数对降挡2-1 的最大冲击度不显著。类似地，静摩擦系数对2-1 挡离合器的单位滑摩功的影响不大,如图1 0 所示。120250.080.0621.6u_d=0.06u_s0.25u1-0.06 1_s=0.20u_d-0.06.u_s=0.15u_d=0.06 u_s=0.12u_d=0.06 u_s=0.10档位510300.12u_d=0.12 u_s=0.12ud=0.10 u_s=0.12u_d=0.08 u_s=0.12u_d=0.06 u_s=0.12u_d=0.04u_s=0.12u_d-0.03 u_s=0.1221.8202535+0.022.0位F3.02.52.0F1.5F1.0F0.5+0.03035大学,2 0 1 3.设计、研究、分析12024年第1 期Design,Research&Analysis冲击度/（m/s3)挡位803.06040200-20-40-60-80-100-12020.8单位滑摩功/（J/cm）2520于150.251040.105-0.12021.0图1 0 青静摩擦系数对降档2-1 单位滑摩功的影响4小结本文研究了基于AMESim/MATLAB联合仿真下离合器摩擦片动静摩擦系数对某大马力推土机换挡性能的研究：1)提出了三种有关大马力推土机换挡冲击的三个评价指标，用于评价推土机的换挡质量；2)建立了大马力推土机的AMESim物理模型和MATLAB换挡油压控制程序；3)通过测定某实验测试材料的动静摩擦系数确定仿真中动摩擦系数。和静摩擦系数。的具体范围,分别研究2 挡降1 挡下,动、静摩擦系数对冲击度、滑摩功的影响。结果表明：随着动摩擦系数的增加，冲击度峰值出现位置向左偏移,结合时间变短,开始结合阶段的冲击度从3 0 m/s3增大至1 4 0 m/s3,结合完成时的冲击度从10m/s3增大至3 5m/s；换挡初始开始阶段滑摩功随动摩擦系数增大而增大,且受动摩擦系数的影响显著,由于滑摩功受滑摩时间、转速差以及扭矩差异的影响,结合完成后的滑摩功并不随摩擦系数单调变化；静摩擦系数对换挡冲击度的影响不显著；静摩擦系数对单位滑摩功的影响不大。参考文献1 张世雄.固体矿物资源开发工程D.武汉：武汉理工2.50.200.100.12u_d-0.06 u_s=0.201d-0.06 u_s=0.25u_d=0.06 u5=0.15u_d=0.06 u_s=0.12uLd-0.06 u_5=0.10挡位21.021.2X:Time/s图9 2 挡降1 挡冲击曲线0.15-uLd-0.06 us-0.25u_d-0.06 us=0.20ud-0.06 uLs=0.150.20u_d-0.06 u_s=0.12u.d=0.06 u.s=0.1021.221.4X:Time/s2.01.51.00.50.021.421.621.621.82 于秀义.装载机动力换挡变速器换挡品质研究D.厦门:厦门大学,2 0 1 3.3张琪.基于AMESim的装载机变速箱换挡性能研究D.长春：吉林大学,2 0 1 2.21.84TROIN P E,GOSTOMSKI V G.Application considera-tions with the cummins sundstrand DMT-25 hydrome-chanical transmission R.SAE Technical Paper,1975.5贾粮棉.小松WA系列装载机变速箱液压系统分析J.石家庄铁道学院学报,2 0 0 3(2)：58-6 0.6魏星.8 1 6 G变速箱动力换挡冲击仿真与试验研究D.长春：吉林大学,2 0 1 9.7孙显龙.装载机液力变速器电液控制系统研究D.长春：吉林大学,2 0 0 9.8KIM D H,HAHN J O,SHIN B K,et al.Adaptive compen-22.0sation control of vehicle automatic transmissions forsmooth shift transients based on intelligent supervisorJ.KSME international journal,2001,15:1472-1481.9王尔烈.大功率AT换挡过程缓冲控制研究D.北京：北京理工大学，2 0 1 5.10雷雨龙，刘科，付尧，等.基于理想换挡过程的换挡品质评价模型J.吉林大学学报（工学版），2 0 1 5,4 5(2):358-363.11 杨树军,焦晓娟,鲍永，等.油液含气量对液压机械换段性能的影响J.机械工程学报,2 0 1 5,51(1 4):1 2 2-1 3 0.12 夏伟强，蔡锦波，任华林，等。双离合式自动变速器换挡控制方法的研究J.科技通报,2 0 1 2,2 8(5)：1 0 8-1 1 1.13 陈宁，赵丁选，于微波.改善动力换挡变速箱换挡品质的研究J.机床与液压,2 0 0 4（1 0)：2 9-3 1.14李克诚.汽车手动变速箱同步器换挡性能的研究D.南昌：华东交通大学,2 0 1 4.15 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