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关键词： 装载机   纯电驱动   动力换挡   电液控制   换挡品质   自动变速换挡规律  

摘要： 为了应对全球气候变化与能源危机等问题,我国确立的“双碳”目标为工程机械产业结构升级指明了方向。各国日趋严格的排放要求与近年来快速发展的三电技术,使得纯电驱动技术以其零排放、低噪声以及高效率等优点逐渐成为工程机械的理想驱动解决方案之一。与电动汽车相比,装载机在非结构路面上作业与行驶时振动剧烈、稳定性差,对动力系统要求作业时扭矩范围大与转场时转速范围宽,需要频繁切换挡位来保证动力需求。而电动汽车领域的相关共性技术不能直接应用于装载机,因此对仍处于探索阶段的纯电驱动装载机行走动力总成方案、换挡品质以及自动变速换挡规律的研究具有重要的意义。首先,与内燃机相比,驱动电机以其不需要怠速、过载能力强以及调速调矩动态性能优良等特性,为装载机行走动力总成方案重新设计提供了机会。为了发挥纯电驱动技术更优异的操纵性与节能性,通过对比分析一款50型传统装载机方案,提出了一种将行走驱动与液压工作系统解耦的分布式电机解决方案。行走系统采用驱动电机-变速器取代内燃机-液力变矩器-变速器的理想传动方案,并对该动力总成与电液换挡控制系统方案进行了分析与参数匹配。在此基础上,以一台自主研发的纯电驱动装载机作为研究对象,进行“V”型作业工况的试验,提取了可以描述其作业工况的特征参数,从而建立面向作业终端的典型循环工况,为行走动力总成方案的再设计与后续自动变速换挡规律的研究奠定基础。其次,对所提出的传动方案进行研究分析,由于传动方式由液力传动转变为机械传动,导致整车存在传动系统的动载荷增加、变矩器自适应控制须由驱动电机主动控制完成等问题。使得驱动电机与湿式离合器的协调控制变得尤为苛刻与具有重要性。本文针对纯电驱动装载机换挡过程的非线性与时变性系统,从整车行走传动系统动力学模型与换挡品质展开研究,提出一种基于纯电驱动装载机驱动电机变扭矩与湿式离合器压力协调控制的无动力中断换挡策略。由离合器压力与驱动电机转速、扭矩闭环的协调控制,实现理想建压分阶段自适应控制,在惯性相阶段设计了滑摩控制器,采用PID算法控制驱动电机输出合适的扭矩,使结合的湿式离合器转速差跟踪期望转速差轨迹。再次,由于装载机工况复杂多变,传统汽车上的自动换挡控制策略无法很好移植到装载机上。针对这一问题,根据所提出的纯电驱动装载机行走动力总成方案设计了最佳动力性与最佳经济型换挡规律。并对动力性与经济性换挡规律的差异性进行研究,提出了一种兼顾动力性与经济性的综合性换挡策略。最后,对换挡品质研究搭建了基于AMESim-Matlab/Simulink联合仿真与平台试验,验证了所提出的分阶段自适应控制与滑摩控制器的有效性。相比未加控制的恒扭矩控制方案,换挡过程冲击度、滑摩功以及换挡时间均得到有效优化,且变速器输出轴扭矩平稳变化无动力中断。相较于传统装载机换挡品质大幅提高,为纯电驱动工程机械行走系统方案及换挡时的驱动电机与湿式离合器协调控制提供了参考。对自动变速换挡规律研究搭建了基于AMESimMatlab/Simulink联合仿真,验证了面向作业终端需求的典型循环工况建立的准确性,且综合性换挡策略符合预期,有一定的工程实际应用价值。

关键词： 液黏离合器   热弹性不稳定性   临界速度   热点   非均匀温度场  

摘要： 液黏离合器广泛应用于矿用重型刮板输送机、皮带输送机的软启动,车辆的液力变矩器和锁止离合器等。摩擦副是液黏离合器的核心部件,经常发生局部高温问题导致的热失效,直接影响液黏离合器的工作性能、可靠性及使用寿命。热弹性不稳定性理论考虑了周向非均匀温度场、热流密度、热弹性应力等物理量的相互耦合作用,是研究局部高温问题的重要手段。因此,有必要对液黏离合器摩擦副的热弹性不稳定性进行深入的研究,为提高液黏离合器摩擦副的可靠性和使用寿命奠定理论基础。针对液黏离合器摩擦副,建立了考虑多层材料摩擦片厚度的热弹性不稳定性二维理论模型,得到了摩擦片和对偶钢片分别为对称或反对称模态下的热弹性不稳定性系统矩阵,研究了四种变形模态下的临界速度变化规律,确定了摩擦片对称-对偶钢片反对称为系统的热弹性不稳定性主模态。基于热弹性不稳定性二维理论模型,提出了利用系统矩阵确定扰动增长系数与相对滑摩速度定量关系的方法,确定了主模态下不同半径处的临界线速度及扰动增长系数,得到了摩擦副接触表面扰动压力场及扰动温度场的动态分布规律,确定了滑摩时间和初始压力扰动幅值等因素对扰动场的影响规律,为液黏离合器变速滑摩过程瞬态热弹性不稳定性研究提供了先决条件。以液黏离合器变速滑摩过程为研究对象,基于平均流量模型及粗糙接触模型,得出了摩擦副的平均接触压力,利用扰动增长系数与相对滑摩速度的关系,得到了变速滑摩过程中的扰动增长系数,获得了扰动压力及热点总压力;建立了摩擦副三维瞬态热传导模型,得出了摩擦副的径向非均匀温度场分布,结合摩擦副热弹性不稳定性导致的周向温度场扰动,得到了液黏离合器变速滑摩过程中摩擦副的热点温度。为了研究磨损规律对热弹性不稳定性的影响,在热弹性不稳定性理论模型基础上引入磨损定律,建立了磨损对热弹性不稳定性影响的有限元模型。利用双材料半平面解析方法,验证了有限元方法所得数值解的有效性,得到了摩擦副磨损率和厚度对热弹性不稳定性的综合影响规律。根据摩擦副热弹性不稳定性试验的需求,搭建了液黏离合器摩擦副热弹性不稳定性试验台,测量了滑摩过程中摩擦副温度的动态变化,整理出摩擦副相对转速、接触压力和润滑油流量对扰动温度场的影响规律。理论结果与试验结果具有较好的吻合性,验证了理论方法的有效性,表明可利用所提出方法对摩擦副的热弹性不稳定性进行较为准确的预测。

关键词： 混合动力汽车   模式切换   发动机温度   离合器磨损   冲击度  

摘要： 近年来随着环境的恶化,交通运输消耗的石油占比逐年增高,混合动力汽车成为了近几年国内外开发的重点。为满足整车动力性、经济性的要求,混合动力系统的工作模式须随着需求转矩的变化而变化,又由于发动机、电机的转矩响应不同,易造成模式切换过程中整车需求转矩与动力源提供转矩不匹配,这会影响模式切换过程的平顺性。现有的控制策略虽能保证模式切换时的平顺性,但很少考虑到发动机温度、离合器的磨损对控制策略的影响,在伴随发动机起动的模式切换过程控制中,现有的控制方法需以ISG通过离合器起动发动机,因此在模式切换控制策略的制定中需考虑发动机温度变化以及离合器的磨损情况。本文针对现有控制策略在发动机冷态时和离合器磨损后的控制效果差的问题,从以下几个方面进行研究:(1)对单轴并联混合动力汽车的整车及动力系统结构进行简化,综合考虑不同建模方式的优缺点和ISG转矩、发动机转矩与起动阻力的特点,选用合适的方法建立ISG、发动机与离合器的模型。(2)分析各个驱动模式下系统主要部件的工作状态,并根据不同模式切换过程的相似点,把混合动力系统驱动模式之间的相互切换分类,综合对比模式切换平顺性不同的评价方法,选定冲击度作为平顺性评价指标,对模式切换过程中影响冲击度大小的主要因素进行分析,以明确在模式切换过程中具体的控制对象。(3)利用离合器传递的转矩与发动机起动阻力的关系,结合离合器自身特性,粗略估计出离合器磨损磨损量,并据此对现有的模式切换中离合器的控制策略进行改进,使其具备对离合器磨损情况的适应能力,再利用卡尔曼滤波提高离合器的磨损量的估计精度。(4)设定对比仿真工况,利用Cruise,Matlab/Simulink对改进前后的控制策略分别进行仿真分析。

ISBN: (纸本)9787576312386

关键词： 指向式工具   旋转导向   电磁离合器   结构设计   失电制动  

摘要： 在指向式旋转导向工具中,电磁离合器起到控制偏心机构动力传输,间接改变主轴方位角和偏心距离的重要作用。而与常规工况不同,用于导向钻井作业中的电磁离合器需额外满足适用于井下高温、油浴、有限安装空间及大速差下稳定结合的条件,且需具有失电自动制动功能。基于以上要求,参考市面已有的电磁离合器形式,对基于导向工具的失电制动式电磁离合器进行了结构方案设计。经过对可传递扭矩的计算验证,排除以摩擦片为结合元件的电磁离合器方案,确定采用梯形牙嵌式结合元件。以啮合齿盘齿面挤压应力和齿根弯曲应力为优化目标,优化得到离合端和制动端齿盘的齿数、齿面倾角、内外径、齿高等牙形参数。针对优化得到的齿盘模型,对其结合过程进行动力学分析,得到了离合器失电制动过程中齿盘的冲击应力、位移等动态参数的变化规律,结合过程中,啮合齿最大等效应力始终小于其材料的屈服应力,满足材料强度要求。在满足机械结构强度要求的前提下,针对已确定的离合器结构,分析得到从动件运动到不同轴向位置时所需的电磁力大小。以电磁力最大化为准则,选择有滑环型电磁离合器。基于电磁分析理论,利用等效磁路分析法对已建立的电磁离合器模型进行电磁力分析计算,在确定磁槽径向尺寸和局部轴向尺寸的前提下,利用MATLAB软件,计算得出不同线圈长度方案下满足动态电磁力要求所需的最小磁势和对应线圈长度下能提供的理论最大磁势,结果表明只有线圈长度处于50～80mm之间时,磁势才能满足理论要求。以此理论计算结果作为输入参数,利用Maxwell电磁分析软件,进行电磁力相关的仿真计算,优选得到满足动态电磁力要求的线圈规格,即线圈长度为50mm,总匝数为252匝,导线导体半径为0.579mm。对该线圈规格下的离合器电磁场进行分析,可知主要的磁饱和区域集中于磁轭内外圈底部区域,越靠近磁极端部,漏磁通越明显,且当气隙越小时,磁路中的漏磁通和边缘磁通越小,主磁通量越大。此外,考虑温度场-电磁场-结构场之间的耦合作用关系,利用Workbench平台建立了多场耦合分析系统。对热累积前这一阶段进行了电磁场-结构场耦合分析,结果表明电磁力随时间呈指数型增长趋势,最快在通电后3.58ms内即可完成啮合。另外,对热累积后系统稳态时的电磁力大小、温度分布及考虑材料热膨胀性影响下的应力分布等参数规律进行了分析,结果表明在考虑温度场影响的前提下,使有效电压最低保持为4V的水平,即可满足稳定结合的电磁力要求,且最大热应力小于10MPa,满足离合器使用要求。

关键词： 偏航齿轮箱   齿轮修形   齿面接触应力   传递误差  

摘要： 以理想均载状态下的某5.X MW风电偏航齿轮箱为例，使用精益传动设计软件建立偏航齿轮箱系统分析模型。在考虑系统变形的情况下，根据齿轮修形基本原理，对偏航齿轮箱输出齿轮进行齿轮修形敏感性分析，确定修形方案，对比修形前后的齿面接触应力云图、传递误差和齿轮强度。结果表明：通过对输出齿轮修形，获得了更好的齿面接触应力斑点，齿面最大接触应力由2 221.632 MPa降至1 443.604 MPa，降幅达35.0%，提高了齿面接触疲劳强度；传递误差曲线更加光滑，传递误差峰值由60.201μm降至44.359μm，降幅达26.3%，减少了传递误差波动范围；由齿轮强度对比可知，输出齿轮的弯曲和接触强度都有不同程度的增强，能够达到延长齿轮使用寿命的目的。

关键词： 弹簧离合器   变截面弹簧   疲劳寿命   参数优化  

摘要： 弹簧离合器因其结构紧凑和适用工作转速高等优点,在直升机高速化进程中发挥着重要作用。弹簧离合器的关键零件—变截面弹簧为柔性结构,在直升机不同工况中易激发出动态响应,从而可引起弹簧离合器发生疲劳失效。本文通过分析离合器结构参数对疲劳性能的影响,对弹簧离合器疲劳寿命进行了预测,并对结构参数进行优化以提高弹簧离合器的疲劳寿命,同时提供更为可靠简便的弹簧离合器疲劳寿命预测评估手段。具体研究内容如下:(1)运用静力学理论对变截面弹簧的受力情况进行理论分析,结合离合器运行工况对其结构参数进行设计选取,建立离合器有限元模型,研究不同结构参数对弹簧应力分布的影响规律。结果表明:额定工况传动时,最大Mises应力出现在第14圈(从输入端数)弹簧内圈棱边,内圈应力显著高于外圈,弹簧失效时易沿最大周向拉应力作用面方向扩展。(2)基于离合器应力分析结果,利用Fe-safe疲劳分析软件预测弹簧离合器疲劳寿命以及危险位置,研究不同结构参数对离合器疲劳寿命的影响规律。结果表明:在给定工况下,弹簧离合器疲劳寿命为3.277×10～5次,疲劳危险位置出现在第14圈弹簧圈内圈。倒角处理后会显著增加离合器疲劳寿命,过盈量和间隙量增加会降低离合器疲劳寿命,开油槽处理和预紧量大小对离合器疲劳寿命影响不大。(3)以弹簧离合器疲劳寿命为目标因素,设计正交试验对离合器的结构参数进行优化。结果表明:间隙量、倒角和芯轴过盈量对离合器疲劳寿命影响程度分别为极显著,显著和较显著,疲劳寿命最大组合是倒角0.4 mm,芯轴过盈量0.15 mm和弹簧间隙量0.4 mm,此时疲劳寿命次数为8.011×10～6次。(4)在弹簧离合器疲劳试验台上进行疲劳性能试验,得到弹簧离合器疲劳寿命和失效位置。结果表明:变截面弹簧在第14圈(从输入端数)弹簧内圈内侧尖角处断裂,断裂前循环次数为2.688×10～5次,裂纹沿着弹簧截面厚度方向和直径方向扩展。疲劳失效区域与仿真结果对应性较好,试验寿命次数比仿真结果小,误差为17.97%,验证了疲劳寿命预测结果的准确性。图71幅,表26个,参考文献65篇

关键词： 直升机变转速传动   湿式摩擦离合器   油膜动压   接合特性   传递转矩  

摘要： 湿式摩擦离合器作为变转速直升机传动系统的核心部件,其接合特性与动力学性能对系统有重要的影响,本文针对湿式摩擦离合器展开了下述研究内容:根据湿式摩擦离合器的油槽结构及接合方式,建立了两种油槽的数学模型,并采用有限差分法对湿式摩擦离合器摩擦副片间油膜的动压和冷却润滑油剪切转矩展开了计算。对湿式摩擦离合器的挤压过程、不同油槽之间的动压分布情况进行了分析,建立了冷却润滑油承载力模型和剪切转矩模型。根据K-E模型,分析了摩擦副微凸体之间的接触情况及受力状况,建立了微凸体承载力模型和微凸体摩擦转矩模型。并对湿式摩擦离合器接合特性进行了仿真。通过SAE#2试验机对湿式摩擦离合器接合过程进行了相应的试验,得到了湿式摩擦离合器在结合过程中的传递转矩和相对转速变化曲线。同时,采集了湿式摩擦离合器接合开始、接合中和接合完成时的摩擦因数。通过对比试验与仿真结果初步验证了湿式摩擦离合器接合模型的可靠性。并根据湿式摩擦离合器仿真模型对接合压力、摩擦因数、冷却润滑油粘度、摩擦衬片材料和油槽结构进行了影响因素分析。本文将采用两种简化模型,将摩擦元件花键副连接进行了简化处理,建立了考虑花键副的摩擦离合器动力学模型。对轴系扭转刚度和扭转阻尼进行了建模和计算;对花键副单齿刚度、啮合刚度和啮合阻尼进行了建模和求解。同时,从转动惯量、轴系刚度和摩擦因数几个角度对摩擦离合器的转速波动进行了分析。

关键词： 硅油离合器   散热性能   温度测试   数值计算  

摘要： 硅油离合器是一种以硅油作为工作介质、利用液体粘性力传递转矩的装置,目前已被广泛应用于汽车发动机冷却风扇的驱动。处于旋转工作状态的硅油离合器,其内部硅油在粘性耗散的作用下产生大量热量,从而引起硅油温度的升高与粘度的降低。为保证传递转矩的能力,硅油离合器应能够将热量及时散发至外界环境。因此,关于硅油离合器散热性能的研究具有实际意义。本文对硅油离合器散热性能的试验与计算方法进行了研究,文章主要内容与结论如下:(1)搭建了硅油离合器温度试验装置。分别采用直径680mm、720mm、750mm的风扇与硅油离合器配对,使用红外线转速传感器与无线测温设备获取了多种转速工况下硅油离合器的滑差、硅油温度与壳体不同区域温度等数据。试验所测得的数据可用于计算模型正确性的验证。(2)建立了硅油离合器散热计算的三维模型,模型耦合了硅油的粘性耗散计算,考虑了硅油粘度随温度变化的关系以及风扇对周围流场的影响。在保持主动转速和从动转速与试验工况一致的条件下,使用建立的模型计算了不同转速工况下的硅油温度和壳体温度,并进行了计算结果和试验实测数据的对比分析。结果表明,不同主动转速条件下的计算误差均保持在10%以内,在硅油温度随主动转速变化的关系及壳体不同区域的温度变化趋势上,计算结果与测试结果均展示了较好的一致性,散热计算模型的正确性得到了验证。(3)基于散热计算模型,采用数值模拟的方法分析了不同穿孔布局对肋片散热性能的影响,根据分析结果对硅油离合器肋片进行穿孔设计。在保持输入热流密度一致的条件下,分别对具有穿孔肋片的硅油离合器与原硅油离合器进行散热计算。结果表明,肋片穿孔设计有效改善了硅油离合器的散热能力。在主动转速2000r/min-2800r/min的范围内,具有穿孔肋片的硅油离合器的检测点平均温度比原硅油离合器降低了1.26℃-7.68℃。转速越高,肋片穿孔对硅油离合器散热能力的提升越明显。

关键词： 斜撑离合器   磨损动态数值模型   寿命   磨损系数   预测标准   弹簧  

摘要： 斜撑离合器作为传动系统关键的承载组件,其超越磨损寿命决定了传动系统的寿命与性能。为提升其性能与磨损寿命,开展斜撑离合器超越磨损寿命预测的基础研究,主要内容有: 首先,以离心脱开型斜撑离合器为研究对象,分析斜撑离合器的动态楔合受力特性;基于斜撑离合器超越工况,建立考虑弹簧与离心参数的超越受力分析模型;在ADAMS中验证了超越受力分析模型并揭示了弹簧、离心、摩擦系数等参数对超越特性的影响。 其次,推导斜撑离合器几何磨损模型,结合Archard模型、超越受力分析模型建立超越磨损动态数值模型;在ABAQUS中,基于Archard模型与UMESHMOTION子程序,使用ALE自适应网格技术实现斜撑离合器超越磨损仿真验证;基于磨损深度比值对动态数值模型修正,明确超越磨损机理、寿命预测等研究的计算方法。 然后,研制斜撑离合器材料磨损性能试验台,开展载荷、转速、温度的磨损性能试验得出:温度影响最大,转速次之,载荷最小;通过1stopt软件对磨损系数进行了良好的公式拟合。 最后,基于斜撑离合器超越磨损机理、使用经验等,提出一种以磨损深度、内接触角、楔合应力、脱楔楔角等多极限综合作为磨损寿命预测标准的方法;结合超越受力分析模型、修正的动态数值模型、拟合的磨损系数公式,建立斜撑离合器超越磨损寿命预测模型,开发相应的计算软件;揭示了楔块、弹簧、工况等参数中12个变量对超越磨损寿命的影响规律,提出了相应的优化与改良建议。