基于CFD的离合器回油过程仿真研究

邓达泰 熊飞 朱林培 段德昊

摘 要：文章采用CFD技术对某离合器进行回油过程液压缸压力及活塞位移进行分析，并对比了活塞摩擦力和油温对回油過程的影响，分析结果表明：活塞摩擦力增大会导致液压缸内压力降低，但对活塞的关闭时间影响较小;低温下由于油的粘度较大，对离合器活塞关闭时间会有较大影响。通过CFD分析可以为离合器回油参数设计提供指导。

关键词：离合器;回油过程;CFD仿真

中图分类号：U463.211  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）12-109-04

Abstract： Using CFD technology to analyze the hydraulic cylinder pressure and piston displacement of a clutch during unloading process， and compare the impact of piston friction and oil temperature on the unloading process. The analysis results show that the increase of piston friction will cause the pressure in the hydraulic cylinder to decrease. However， it has little effect on the closing time of the piston. Because of the high viscosity of the oil at low temperature， it will have a great influence on the closing time of the clutch piston. CFD analysis can provide guidance for the design of clutch unloading parameters.

Keywords： Clutch; Unloading process; CFD simulation

CLC NO.： U463.211  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）12-109-04

前言

离合器是汽车动力传递的关键部件，通过离合器的分离与结合，可以实现档位的切换。而离合器的分离与结合，是通过液压系统控制供油过程和卸油过程来实现的。合理的供油和卸油压力控制，可以保证换挡的平顺性和汽车的动力性能。

鉴于液压系统的压力控制对离合器的分离与结合影响非常重要，因而液压系统的压力控制对离合器动作的影响一直受到广泛关注。任永强等[1]采用ADAMS软件对DCT离合器的分离结合时间进行了仿真分析，结果表明正压力的变化与换挡时间有直接的联系。马彪[2]建立了换挡离合器的充油过程数学模型，采用Matlab中Simulink进行了仿真，获得了充油流量的动态变化规律，并通过台架实验验证了建模方法和仿真的准确性。张静等[3]在考虑液阻、液感、液容的前提下，建立了换挡离合器以及各液压元件在充油过程中的动态模型，并利用Simulink对其进行动态仿真。

在目前离合器动态过程的研究中，油液的压力对离合器的作用主要是通过经验公式或一维仿真获得，并没有考虑供油管内油流状态对压力的影响。因而本文采用CFD方法对离合器分离回油过程进行仿真，以获得活塞摩擦力和油温对离合器回油过程的影响，并为离合器分离时间的评估提供参考。

1 物理模型

本文所研究的离合器是一个由三片摩擦片组成的湿式离合器，该离合器使用波形弹簧作为离合器的分离弹簧，离合器活塞行程为1.6mm，如图1为离合器的截面图。在该离合器的液压缸底部有一个油孔，液压油可以通过油孔进出液压缸。离合器的供油和回油管道是相同的，油管连接离合器的液压缸和液压控制单元，如图2所示。

2 三维仿真计算方法

2.1 活塞运动的处理方法

如图3为离合器活塞在回油过程中的受力示意图，离合器活塞在弹簧力Fs的作用下，把液压缸内的液压油压进油管内，在活塞的压缩过程中，油液由于受压，会产生抵抗力Foil以阻止活塞的运动，另外由于活塞与活塞缸之间存在相对运动，会产生与运动方向相反的动摩擦力Fm。

活塞的运动速度与其受力密切相关，因而在仿真的时候，需要充分考虑活塞的受力，并通过求解活塞的运动方程来获得活塞运动的加速度及速度。

由于活塞运动过程中会导致网格产生压缩和变形，因而对活塞运动进行CFD仿真，需要使用动网格技术进行处理。本文研究的活塞液压缸为轴对称模型，因而可以对液压缸位置划分规则的六面体网格（如图4），以提高动网格计算的速度和精度。

2.2 仿真条件及方法

仿真使用Dexron-VI润滑油进行，离合器正常工作下，油温为90°，该温度对应的油密度和粘度分别为804kg/m3和0.0059Pa s。仿真分析取101325Pa作为参考压力，计算结果均以相对压力表示。

为了简化计算，本文的仿真分析基于如下假设进行：

1）假设初始时刻离合器处于结合状态，液压缸内部初始压力为12bar。在离合器卸油瞬间，离合器油道液压控制单元阀门完全开启，离合器油道出口暴露在环境压力中，即出口相对压力为0Pa。

2）由于液压油在极短时间内会受到较大的压力变化，因而需要考虑油液的压缩性，取油体积模量为1.7e+9Pa[4]。

3）活塞受到静摩擦力与动摩擦力相等。

3 仿真分析结果

3.1 设计参数下的活塞回油过程分析

对该离合器，活塞开关的行程为1.6mm，设计的弹簧刚度为800N/mm。单片波形弹簧在安装时候预压缩量为0.78mm，在离合器结合时候，单片波形弹簧总压缩量为1.31mm，所以可以获得离合器分离时候弹簧初始推力为1048N。设计工况下工作油温和活塞摩擦阻力为分别取90°C和100N。

如图5、图6和图7分别为设计参数下的活塞回油过程液压缸压力、活塞受到合力和活塞行程随时间变化。从图中可以看到，整个卸油过程可以分为4个阶段：

阶段1：卸油初期的压力迅速下降阶段。大概在0～0.0005s，由于油管出口突然暴露在1个大气压中，液压缸内油压迅速下降，此时活塞弹簧力Fs小于静摩擦力Fm和回油阻力Foil的合力，活塞静止不动。

阶段2：液压缸油压剧烈波动阶段。大概在0.0005s至0.004s，油压开始在1.4bar上下振荡，由于此时油压波动较大，此时活塞弹簧力Fs、静摩擦力Fm和回油阻力Foil的合力变现出较大的波动，但总体是弹簧力较大，所以活塞开始往关闭方向运动。

阶段3：活塞受力平衡阶段。0.004s至活塞关闭前，油液压力在线性下降，活塞合力在0上下轻微波动，活塞位移也几乎是线性增加。

阶段4：关闭后液压缸压力突降阶段。活塞运动到下止点后，速度突然变为0，但油液由于惯性继续往液压缸外流，导致液压缸内油压突降，产生水锤现象。

3.2 活塞摩擦力对回油过程影响

摩擦力的变化会直接影响到活塞的受力大小，从而影响离合器的关闭时间长短。为了分析摩擦力对活塞回油过程的影响，分别取表1不同摩擦力进行分析。

如图8为不同活塞摩擦力对液压腔内压力的影响对比。当活塞摩擦力为250N时，其液压缸内油压要较活塞摩擦力为100N的小约0.2bar，而活塞摩擦力为400N液压缸内压力也要较摩擦力250N时候小0.2bar，说明摩擦力增加会导致液压缸内压力降低。

但油压的变化对活塞的关闭时间影响较小，如图9所示，活塞摩擦阻力为100N时，活塞完全关闭时间为0.038s，而当活塞摩擦力为250N时，完全关闭时间为0.039s，当活塞摩擦力增大到400N时候，完成关闭时间为0.064s。活塞摩擦力400N较100N摩擦力增大了4倍，但关闭时间仅增大68%。

从上述结果可以看到，摩擦力的增加导致回油阻力减少，但活塞在过程中受到的合力变化并不大，所以对活塞关闭时间的影响不大。

3.3 油温变化对回油过程影响

离合器回油设计的工作温度一般较高，如该离合器，设计油温为90°C。但在实际工况中，偏离工作油温的情况也是经常出现的，如常温或低温环境下启动汽车，因而需要考虑偏离工作温度的离合器回油情况。

在本文的研究中，对比几个典型的工作温度，对比工况如下表2所示：

对比分析结果如图10所示，油温为20°C時候，活塞完全关闭时间为0.0638s，要比90°油温下的关闭时间长0.026s，但总体来说时间还是很短，对离合器分离时间影响很小。当油温为-20°C时候，由于油粘度太大，活塞完全关闭时间需要0.52s，该时间要较90°C工作油温的关闭时间大10倍以上，因而在低温下，离合器的换挡时间会变长，需要关注低温下的换挡情况。

4 结论

（1）通过CFD分析方法可以获得离合器分离过程中液压缸油压变化或活塞关闭时间，可以为离合器回油参数的设计提供指导。

（2）活塞摩擦力对离合器活塞关闭时间有影响，但在正常的摩擦力范围内，对活塞关闭时间影响不大。

（3）-20°C低温下，油的粘度较大，会显著增加活塞关闭时间，因而需要关注低温下离合器分离时间变成对换挡过程的影响。

参考文献

[1] 任永强，张军，刘凯.DCT离合器分离结合时间仿真分析[J].组合机床与自动化加工技术，2012（10）：36-38.

[2] 马彪.车辆动力换挡离合器充油过程动态特性仿真[J].北京理工大学学报，2000， 20（2）：188-192.

[3] 张静，李和言，马彪，等.蓄能器对换挡离合器充油过程影响研究[J]. 液压与气动， 2013（3）：96-99.

[4] 陈飞，马彪，李耿标，等.离合器液压供油系统压力脉动特性研究[J]. 机床与液压，2017（19）：8-14.