基于某变速器的干式双离合器自调节原理分析

刘培 陈慧岩 李垚 鲁佳

（1.北京理工大学车辆传动重点实验室）

基于某变速器的干式双离合器自调节原理分析

刘培 陈慧岩 李垚 鲁佳

（1.北京理工大学车辆传动重点实验室）

基于某干式双离合器，采用激光点云扫描技术扫描其膜片弹簧表面，并结合CATIA软件生成膜片弹簧实体模型。用ANSYS/Workbench软件分别对实体模型进行有限元分析，得到自由状态膜片弹簧小端载荷位移曲线，并通过台架试验证明了曲线趋势的合理性。在此基础上，对干式双离合器的自调节原理进行了详细分析。

1 前言

干式双离合变速器因其无动力中断、传动效率高等优点在乘用车上被广泛应用[1]，但在离合器接合分离过程中，摩擦片因长期交替滑摩会导致磨损。试验表明，干式离合器在达到240 000 km时约造成3.5 mm的磨损量[2]。摩擦片磨损后，压盘与摩擦片之间间隙会变大，导致工作时与压盘接触的膜片弹簧部分位移增大。一方面，因杠杆比作用而引起接合轴承空行程位移变大，进而使电液模块中离合器推杆位移变大，使得离合器推杆位移传感器信号随之改变，导致其控制策略需不断适应其参数变化；另一方面，因接合行程变长导致压盘与摩擦片接合时膜片弹簧小端作用力改变，摩擦片接合力变化，进而离合器转矩容量改变，增加行车不稳定因素。

通过采用自调节机构，可在离合器工作过程中轴向移动膜片弹簧，推动压盘减小与摩擦片多余间隙，使得膜片弹簧小端位移与接合力均保持稳定。目前国内对常闭式膜片弹簧自调节机理研究较多，而由于其干式双离合器本身结构、工作原理完全不同，自调节原理国内较少涉及。本文基于某干式双离合器，分别进行实物拆解、仿真和试验等，对其自调节结构原理进行了详细分析。

2 膜片弹簧工作特性

双离合器结构如图1所示。由图1可知，离合器壳体与中间驱动盘通过铆钉固连，并各自通过传动片连接相应压盘。膜片弹簧安装在离合器壳体两侧，根据其各自支点位置的不同，可分为推式和拉式两种。膜片弹簧受感应弹簧和限制块的作用处于预压紧状态，两个膜片弹簧基本压平。装配状态下，与一般常闭式离合器不同，压盘与摩擦片因传动片弹力会保持一定间隙，为常开状态，称为常开式双离合器，该设计可防止控制单元意外断电时离合器同时接合，保证行车安全。

当推式膜片弹簧小端受到接合轴承推力时，以其调整圈为支点转动，大端推动连接环，拉动离合器1压盘向其摩擦片方向移动消除间隙。因限制块作用，在小端加载到某一阈值时，方可转动膜片弹簧。这样，有效减小了其空行程轴向位移，使离合器结构更加紧凑。拉式膜片弹簧无连接环中间过渡，在小端受力到达阈值后，膜片弹簧以大端调整圈为支点转动，消除间隙进入接合状态。由于该结构的自调节原理与膜片弹簧本身变形特性密切相关，因此有必要对膜片弹簧小端载荷位移曲线进行分析和验证。

2.1 有限元分析载荷变形曲线

由于双离合器中使用的膜片弹簧存在变截面、形状结构复杂等问题，一般测量分析方法（如A-L算法）误差较大[3]，但自调节原理与膜片弹簧本身特性密切相关。本文使用三维点云扫描技术，得到膜片弹簧表面3 000余扫描点，导入CATIA软件，生成膜片弹簧的截面轮廓，通过拉伸得到实体模型,如图2和图3所示。

通过测量实物中膜片弹簧小端与支点直径，并参照文献[4]中分析方法，使用ANSYS/Workbench软件对两个膜片弹簧进行小端位移加载分析。对其进行实体单元网格划分，在各自支点圆周施加轴向固定位移约束，在小端圆周施加20 mm负向位移约束，开启静力大变形效应，可得到自由状态小端载荷位移曲线如图4和图5所示。

由图4与图5分析可以看出，两个膜片弹簧变化趋势明显不同。推式膜片弹簧在小端位移约7 mm到达峰值后，小端载荷随着位移增大而缓慢减小，即表现出较长的负刚度工作区域。结合实物拆解发现，它的碟簧部分厚度明显小于接合指部分，且内锥高较大，故高厚比较大，分析曲线和这一变截面形状设计一致。而拉式膜片弹簧小端载荷随位移变大而不断增大，始终表现为正刚度工作特性。结合实物拆解，它的厚度无变截面设计，且内锥高较小，这与该曲线趋势一致。故与推式膜片弹簧不同，在克服预压紧力后，小端仍需不断加力来消除空行程。与一般膜片弹簧类似，干式双离合器中膜片弹簧在磨损后，小端空行程位移增大，这导致离合器接合时小端载荷的变化。由图4可知，摩擦片磨损后，推式膜片弹簧小端载荷将在一定位移区间内沿曲线减小，约16 mm后沿曲线增大。由后期试验可知，推式膜片弹簧空行程位移为3 mm，在此区间内小端载荷将持续减小。由图5可知，拉式膜片弹簧小端载荷则沿曲线持续增大。

2.2 试验验证

试验台架基于某双离合器变速器，如图6所示，将电液模块内部传感器、电磁阀及电机控制导线引出，便于控制[5]。通过控制比例电磁阀，采集离合器位移传感器信号，得到实际工作时膜片弹簧小端的载荷位移关系。

电液控制单元油路如图7所示，液压油经过内部电机加压至6 MPa[6]，通过两个比例减压阀（P1和P2）分别进入奇数挡和偶数挡油路，再经下面的比例流量阀进行换挡和离合器接合分离操作。

由试验已知比例减压阀的电流线性工作区间为0.4～1.2 A。保持对应比例流量阀C1电流0.75 A全开，通过不断增加减压阀P1电流，给膜片弹簧小端加力，得到离合器位移传感器占空比信号，结合已标定过的离合器位移传感器占空比与位移关系得到小端位移数据。两个膜片弹簧工作的载荷位移曲线如图8和图9所示。

对于推式膜片弹簧，将流量阀C1电流保持在0.75 A，增加减压阀电流。当减压阀P1小于0.58 A时，离合器位移传感器输出不变，表示尚未完全克服限制块接触力。当减压阀大于0.58 A时，离合器位移传感输出从0迅速升至11.8 mm。比较图4中小端载荷位移曲线，说明装配时限制块预紧力大小约等于图4中曲线峰值的小端载荷，故在完全克服限制块接触力后曲线进入负刚度区间，直到消除摩擦片间隙进入接合状态。之后进入接合阶段，碟簧不再变形，因结合指自身变形，小端位移与电流呈线性关系。空行程中膜片弹簧小端所需受力减小，这与图4有限元分析曲线特性一致。

对于拉式膜片弹簧，将流量阀C2电流保持在0.75 A，当减压阀P2小于0.55 A时，因尚未完全克服限制块接触力，离合器位移传感器输出不变。当减压阀大于0.55 A时，随着减压阀电流继续变大，位移开始出现较大变化，说明正在克服空行程膜片弹簧阻力；到0.69 A时，位移为11.9 mm。之后曲线趋势明显变缓，表示已完全消除间隙进入接合阶段，试验过程与图5有限元分析曲线趋势吻合。

3 自调节结构原理分析

3.1 自调节条件分析

如图10所示，常闭式离合器自调节系统一般由感应弹簧、离合器调整圈、螺旋弹簧组成[7]。调整圈上有斜面齿与离合器壳体上斜面齿配合，并保持一定压紧力,通过结构设计实现反行程自锁。如图11所示，调整圈受到膜片弹簧作用力Ft、螺旋弹簧作用力Fs、摩擦力Ff、以及楔形面支持力FN作用，调整圈与离合器壳体之间动摩擦系数为f，设此时调整圈开始沿斜面向上移动，其受力满足以下关系式：

整理方程组（1）可得出自调节出现的条件为Ft摩擦片未磨损时，压盘与摩擦片结合过程中Ft虽减小，但仍大于该阈值，自调节不会出现。从动盘摩擦片磨损后，膜片弹簧空行程位移增大，导致Ft小于该阈值，在螺旋弹簧作用下，调整圈将沿着离合器斜面周向移动；Ft恢复到阈值，调整圈继续保持稳定。

3.2 膜片弹簧自调节原理分析

由于干式双离合器中离合器为常开式，其自调节过程分析与一般常闭式不同，但自调节条件类似。在CAITA中对膜片弹簧取侧面剖视图，参考图1并结合已拆解实物中自调节机构的受力关系可知，空行程时膜片弹簧主要受到小端作用力F1、限制块作用力Fx、感应弹簧作用力Fg、调整圈作用力Ft等4个力作用。感应弹簧实质是一种蝶形弹簧，存在较大的零刚度区域，故作用力在较大区域内能保持基本不变。分析已拆解离合器发现，推式膜片弹簧的调整圈作用力方向与拉式膜片弹簧相反，这与其自调节过程密切相关，故得到膜片弹簧空行程受力示意图如图12和图13所示。

3.2.1 推式膜片弹簧自调节受力分析

空行程时，推式膜片弹簧连接环与膜片弹簧之间的接触力较小，可忽略不计，根据图12可得到膜片弹簧受力关系式：

当小端不断加载时，限制块与膜片弹簧之间的作用力Fx逐渐减小至0。此时，推式膜片弹簧作用力处于载荷位移曲线峰值附近，随后进入负刚度工作区域，小端将以调整圈为支点转动，大端推动连接环，使压盘和摩擦片消除空行程而进入接合状态。由图4可知，消除空行程过程中F1减小，结合式（2）可知，因Fg基本不变，故Ft减小。若此时摩擦片未磨损，膜片弹簧在Ft减小到阈值前进入接合状态。摩擦片磨损后，由于小端空行程位移增大，由图4可知，F1继续减小，故Ft随之减小到阈值以下，此时，在螺旋弹簧作用下，调整圈向膜片弹簧移动，Ft随之增大到阈值并克服螺旋弹簧作用力而稳定。膜片弹簧受调整圈推动而轴向移动，进而通过连接环推动压盘缩小与摩擦片间隙,完成自调节工作。

3.2.2 拉式膜片弹簧自调节受力分析

空行程时，结合图13得到拉式膜片弹簧空行程阶段受力为：

因感应弹簧作用力在零刚度区间保持恒定，等式左边将基本不变。随着小端力F1增大，Fx不断减小至0。随后，随着F1继续增加，Ft将减小，膜片弹簧以调整圈为支点转动，推动压盘消除与摩擦片间隙。正常情况下，膜片弹簧在Ft减小至阈值前进入接合状态。但当摩擦片磨损时，由图5可知，膜片弹簧F1增大使得Ft小于阈值。螺旋弹簧作用调整圈向膜片弹簧移动，膜片弹簧受调整圈位移影响而轴向移动，缩小压盘与摩擦片间隙，以此补偿摩擦片的磨损，完成自调节工作。

4 结束语

基于某干式双离合器，对其膜片弹簧表面进行激光点云扫描，将点云数据导入CATIA软件处理生成实体模型。结合有限元分析软件与台架试验得到膜片弹簧自由状态下小端载荷位移曲线，在此基础上进行干式双离合器的自调节受力过程分析。分析结果能较好地阐释干式双离合器的自调节工作原理，为将来制定双离合器的接合分离策略打下基础。

1刘振军，秦大同，叶明，胡建军.车辆双离合器自动变速传动技术研究进展分析.农业机械学报，2005，36（11）:167～170.

2舍弗勒贸易有限公司.LuK干式双离合器模块新技术.现代零部件，2012，9.

3袁旦，李芳，郑方赐.基于非线性有限元法的膜片弹簧特性曲线计算.浙江工业大学学报，2009，37（3）:350～354.

4吴天，鲁统利，吴明翔.双离合器自动变速器膜片杠杆弹簧载荷-变形特性的有限元分析.汽车技术，2008（5）:11～13.

5李游.干式双离合器自动变速器控制技术研究:[学位论文].北京：北京理工大学，2012.

6冯永忠.大众车系OAM直接换档变速器维修图册.北京：机械工业出版社，2010:31～37.

7韦远飞.自调节离合器膜片弹簧的研究：[学位论文].武汉：武汉理工大学，2007.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为2013年11月1日。

Analysis of the Self-adjusting Principle Based on Dry Dual Clutch

Liu Pei,Chen Huiyan,Li Yao,Lu Jia
（State Key Laboratory of Vehicle Transmission,Beijing Institute of Technology）

Use laser point cloud scanning technology to scan surface of diaphragm spring and CATIA software to generate solid models of diaphragm springs based on a dry dual clutch.ANSYS/Workbench is used to make FEA of the solid model,to generate the displacement curves of load at free-state of diaphragm spring small end.Rationality of the curve trend is verified by bench test.On this basis,the self-adjusting principle of dry type dual clutch is analyzed in details.

Transmission,Dry dual clutch,Diaphragm spring,Self-adjusting principle

变速器干式双离合器膜片弹簧自调节原理

U463.22+1.4

：A

1000-3703（2014）03-0017-04