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关于一种数字脉冲宽度调制离合器的合成与基准的测试

James D. Van de Ven ^a, , Jessy Cusack ^b（a-Department of Mechanical Engineering, University of Minnesota, 111 Church St. SE, Minneapolis, MN 55455, USA；b-Department of Mechanical Engineering, Worcester Polytechnic Institute, 100 Institute Rd., Worcester, MA 01609, USA）

摘要：该开关模式无级变速器是一个直流升压转换器电路的机械模拟，并允许耦合高速飞轮机械负载。该系统需要一个高频率的离合器与可变的占空比和低滑移在接合和脱离接触。在本文中，这一应用程序的一种新型的数字离合器的合成和基准测试。自定义离合器的设计采用了一个双驻留的轴向凸轮与半径变化与半径。离合器的占空比控制通过定位三平移跟随者的径向位置，通过连杆连接。通过对凸轮从动件进行了设计，通过设计系统组件和弹簧的设计，产生了离合器的轴向夹紧力。通过基准测试，离合器在角速度高达45弧度/秒的操作，创建离合器开关频率高达22赫兹。在20%的占空比平均离合器效率为55%，但效率是高度依赖于任务周期，可以提高在未来的测试。

第一章 背景介绍

为了减少能源消耗，能源再生的方法和能量储存的许多应用，如表现出日益普及的混合动力汽车正在考虑。高速飞轮提供良好的能量密度水平为325焦耳/公斤[ 1 ]，使用寿命长，一个潜在的高功率密度，由于不含化学成分较低的环境影响。飞轮储能的一个主要挑战，特别是对于纯粹的机械系统，是接口的高速飞轮与最后的驱动器。由于飞轮的速度变化，并可能是最终的驱动器，这个应用程序需要一个连续变量的传输，在一个宽的速度范围内的大的减少。

用于连接高速飞轮最终传动传统传输解决方案包括纯机械无级变速器（CVT）利用可变直径的盘、带环形驱动器，和锥形驱动器，以及替代能源等领域的无级变速器液压驱动或电动驱动[ 2 ]。一般来说，机械无级变速器的主要限制是可行的减排和低效率的范围有限，由于滑动摩擦传动。液压驱动提供高功率密度和大速度的变化，但一般都有效率低。最后，电动驱动器提供了良好的效率，但低功率密度[ 3 ]。耦合飞轮与机械负载的一种替代方法，提出由诺尔，是一个离散的接近比变速箱与滑动离合器[ 4 ]。

以机械连接高速飞轮和最终传动的独特方法是开关式无级变速器。开关式无级变速器，是从电力电子升压转换器电路的机械模拟，如图1所示。该系统工作在不同的和关闭模式，由高速离合器的状态定义。当离合器处于开状态时，飞轮的转动会在弹簧的输入侧推进，从而增加弹簧的挠度，从而将扭矩应用于最终传动。在关断状态，飞轮是解耦的，弹簧的输入侧是由一个棘轮固定的弹簧是偏转时，或允许自由旋转的角速度的最终驱动时，弹簧卸载。施加到最终驱动的平均转矩控制在不同的占空比的情况下，通过改变的时间在状态划分的开关周期的占空比控制。这两者之间的快速切换，最大限度地减少了在最后的驱动器的转矩脉动的幅度。

图1.对开关无级变速器图

以前的实验和建模工作与机械开关系统组成的两个离合器和弹簧连接到地面的实验

由吉尔伯特等人进行。他们早期的系统传输的低水平的电力通过一系列为为1.3:1无再生能力，而后来的系统被用于直接驱动和开关模式驱动器配置。他们早期的系统传输的低水平的电力通过一系列为为1.3:1无再生能力，而后来的系统被用于直接驱动和开关模式驱动器配置。本文中所描述的体系结构与以前的工作包括基本系统建模和仿真的系统响应于一个固定的占空比加速从休息[ 7 ]，设计和测试的低速台式原型演示的概念可行性[ 8 ]，和状态空间建模用于分析系统的稳定性和执行的任务周期和阻尼比优化[ 9 ]。这些作品已经揭示了积极的性能要求的系统组件，尤其是离合器和弹簧，这是超越现有的组件的功能。

在本文中，作者提出了综合、分析、和具有可变占空比，是专为开关式无级变速器的新型数字离合器基线测试。在2节中，满量程无级变速系统和组件的性能要求的提出。这些性能要求是用来驱动离合器的合成和设计，在第3节来介绍。在4节中，测试站和测试方法进行了讨论，然后由一个演示实验结果在5。最后，在第6节中提供讨论和结论性的评论。

第2章 系统和组件要求

为了更好地了解各个组件的性能要求，开关式无级变速器的大小将在飞轮混合动力客车传动中的应用。当模拟客车运行在一个驱动周期，按照以往的工作[ 10 ]作者讨论，牵引力加速度通常大于滚动阻力和空气阻力由一个量级，低速运行时。EPA城市测功机驱动计划中，最大和最小加速度约为 /minus;1.5 m/s2。为满足这个加速0.3公斤的车辆与1500米半径轮胎需要675氮米的扭矩在轴。人体对振动的响应的人为因素研究表明，在振动频率低于20赫兹时，身体部位的不适感是有经验的。随着频率的增加，身体的振动衰减，导致不适[ 11 ]。基于这一发现，在开关模式的CVT离合器最小开关频率为25 Hz，创建一个0.04秒的切换时间。能量密度对移动应用至关重要。因为飞轮的能量密度随角速度的增加而增大，因此需要高的飞轮转速。例如，用于存储在1级方程式赛车能达到每分钟64000转的飞轮角速度[ 12 ]。然而，与高飞轮角速度的开关式无级变速系统的早期模型导致的占空比保持在1%以下的所有操作[ 7 ]。因此，在0.04秒的切换期间，离合器接合和脱离接触必须发生在小于0.4毫秒的时间内，以减轻接合时间要求，在飞轮和离合器之间加入齿轮减速。作为一个起始规范，在输入轴的角速度被设置为50%，高于输出轴的最大角速度。因此，为达到30米/秒（67英里）的客运车0.3米半径的轮胎，输入轴的转速设定为150弧度/秒。

影响开关式无级变速器的离合器设计的另一个重要因素是离合器输出轴的转动惯量，这是中间的轴如图1所示。在每一个高频率的离合器接触的能量损失最小化，离合器滑必须被最小化。正如将被证明在部分跟随，离合器扭矩的重要组成部分是惯性力矩所需的加速输出轴，从而最大限度地减少惯性力矩的输出轴是至关重要的。

第3章 离合器综合

这项工作的目标是设计一个离合器，快速开关之间的关态在一个理想的占空比，同时最大限度地减少在接触和脱离接触，并最大限度地减少输出轴的惯性。实现自定义离合器所需的设计任务可分为概念设计和详细设计活动。在概念设计，类型综合被用来评估各种离合器的结构和变化，允许一个单一类型的选择，以进一步合成。通过详细的设计和分析，利用迭代设计过程中的设计进一步定义。这些合成任务现在更详细地介绍。

3.1 conceptual设计

为了提供一个基准的新的设计，审查现有的离合器架构。离合器的主要架构包括摩擦离合器，如盘，圆锥形，或鼓乐队，风格，机械锁止离合器，绕簧离合器，磁粉离合器，磁滞离合器、涡流离合器和液压离合器，[ 13 ]。磁性颗粒，磁滞，涡流，和流体离合器可以立即被淘汰，因为它们本身就依赖于操作的滑移，导致能量损失。而机械锁止离合器的吸引力，由于快速离合不打滑，相关的噪音和磨损冲击了大量的周期创造了可能是有问题的。然而，适当的设计和定时的锁的参与可能会减轻这些问题。从这种评价的体系结构，摩擦离合器选择了这一应用程序。摩擦离合器驱动可以通过各种手段包括直接的机械、电磁、离心、气动或液压。驱动的选择之间的一个主要因素：1）创建的快速接触/接触的要求，在一个小封装和，2）最大限度地减少所需的总能量，可能是在离合器脱离接触的再生能源。过程中通过意念，一个概念是利用输入轴的转动来驱动离合器通过运动连接如连杆机构或凸轮。在这个概念上，离合器的离合频率与输入轴的旋转频率成正比，而占空比通过外部驱动控制。一盘（板）式离合器是由于改进后的冷却，可以很容易地设置一个理想的空气间隙，和低输出轴惯性选择。

探索机械传动离合器输入轴的旋转被众多的类型，包括变量和可变凸轮连杆机构。可变连杆机构的设计概念涉及六条链，其中输入轴的机械和输出连接的驱动离合器的输入环节。这些联系的变化会通过移动地面的支点来完成，控制占空比。两瓦特II和III六杆Stepheson链被认为是因为他们都有三个地面支点。此外，2个变量的凸轮的概念，一个径向凸轮的高停留时间变化的轴向和轴向凸轮与高停留时间变化的半径，这两者都可以在图2。的轴向凸轮的主要优点，以及它被选择用于此设计的原因，是，凸轮从动运动是在平行于该系统的旋转轴线，从而在行驶的方向上的驱动盘式离合器。这简化了设计，消除了与一个贝尔曲柄改变方向的运动的质量。

3.2 detailed设计与分析

详细设计过程是从概念阶段到原型阶段进一步细化设计。为创建一个台式样机的离合器在低能量水平的目的，全面系统的规格按比例缩小。具体而言，最大的设计扭矩为台式原型被设置为67.5，在10%个氮米的全尺寸系统，飞轮是直接耦合到输入轴的离合器，而不是通过齿轮箱，在满刻度系统。这导致在较低的能量存储水平的原型系统。

设计集中的第一个领域是在凸轮及其辅助设备。凸轮从动件沿轴线平行于轴旋转，并通过推力轴承将凸轮轴的凸轮轴旋转，并将其传递到离合器板的翻译中。要创建一个统一的离合器片的接合，三个等距的凸轮从动件，从而凸轮包含三个相应的上升停留下降，每一次革命的周期。通过建立三–了离合器的输入轴每转一圈的周期，频率为25 Hz的最小开关频率可以达到飞轮转速下降到52弧度/秒，在72赫兹的开关频率为150 rad/s目标角速度创造。

图2.用于驱动离合器的可变凸轮概念。子图一）是一种高驻留时间与从动件的轴向位置变化而变化的径向凸轮。子图二）是一个轴向凸轮的概念，每一次革命，其中一个占空比从0到50%，通过改变的径向位置的跟随者。

多个设计被认为是驱动和同步的三个凸轮从动件的径向位置，设置占空比。驱动选项，被认为是包括形成封闭的凸轮型材和各种联动解决方案。所选择的设计是一个函数的生成与输入轴的输入轴和输出连接，安装在一个径向滑动轴旋转轴，如图3所示的径向滑动轴承。的输入链路，这是与外部致动器控制的旋转位置，设置的三个跟随者的径向位置。

凸轮上升和下降段的设计和在型材的变化，重点是最大限度地减少动态力。上升和下降段采用双驻留3-4-5多项式分布，结合相对较低的峰值加速度和低峰值速度[ 14 ]。上升和下降段都发生在一个0.26弧度（15°度）凸轮转动周期和达到提升3.2毫米，下面将进一步讨论。为了创建凸轮从动件一致的加速度曲线，0.26弧度的上升/下降时间是从内到外半径保持凸轮；这一结果在上升/下降的弧长为半径成正比。要提供一个高停留时间，随时间的变化呈线性关系的追随者的径向位置，凸轮上升和/或下降必须是一个螺旋。为了消除凸轮从动机构将由螺旋段创建在上升和下降的径向力的逆转，如图2b所示，上升段设置为纯径向，而秋天是一个螺旋，在追随者创造一个向内的径向力。由于以前的模拟工作表明，在操作过程中不需要高的占空比，该系统是专为一个占空比从0至0.5，最大限度地减少的角度为一个给定的凸轮半径。

由于的复杂形状的下降段，一个球形的表面上所需的摆动从动件。0.26弧度的周期的上升和下降为减少离合器滑差时间和保持可接受的动力和一个可接受的最小曲率半径平衡凸轮。一个蘑菇形状的滑动从动件与一个球体半径为3.2毫米的原型设计，但一个球形滚子从动件

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