基于AMESim的SSS离合器的建模与仿真

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同步自换挡离合器简称SSS离合器，其啮合和脱开完全依靠自身结构作用而无需借助外力，结构简单，同步啮合和脱开迅速，工作可靠，因此被广泛运用于船舶动力装置内燃机与驱动器之间的动力传输部件。随着近几年燃气轮机在舰船上的应用，SSS离合器也作为其与驱动器之间的动力传输部件。本研究就是以某-舰船上的SSS离合器作为研究对象的。作为船舶传动系统的重要部件 ，其特性直接影响船舶推进系统的动态响应。很多研究人员运用不同方法对SSS离合器的动态特性进行了研究，魏军波、李承江等主要通过实验手段对SSS离合器的动态特性进行研究，此类研究方法所需的硬件成本较高；蒋得松、田颖等陋 通过Matlab/Simulink建立数学模型对其进行了实时仿真研究 ，由于SSS离合器内部结构复杂，像Simulink这种底层仿真软件很难细致考虑SSS离合器内部结构的作用，建模过程繁琐、工作量大。

本研究通过高级仿真软件AMESim建立SSS离合器模型并对其进行实时仿真，在建立仿真模型过程中考虑SSS离合器的内部结构作用与螺旋花键接触力的影响，并考虑到前人所用数学模型不适宜AMESim软收稿日期：2012-09-19作者简介：肖 民(1969-)，女，湖北沙市人，教授，硕士生导师，主要从事船舶动力机械、轮机设备和系统的性能优化与计算机仿真方面的研究.E-mail：Xiaomin.just###1 26.con第3期 肖 民，等：基于AMESim的SSS离合器的建模与仿真 ·289 ·件建模，因此本研究重新推导并建立新的数学模型。

1 SSS离合器数学模型的建立SSS离合器主要由主动件、从动件和中间件3部分构成。中间件位于主动件和从动件之间，分为内外两侧，内侧为螺旋花键，与主动件外侧的螺旋花键相连，依靠螺旋花键的机构作用实现螺旋前进运动。外侧与从动件相连，外侧两端分置棘爪和驱动齿轮，与从动件的棘轮和从动齿轮相互对应，依靠这两个部件与从动件相连。

SSS离合器的基本工作原理可比拟为螺母拧在螺栓上：如果螺栓转动时螺母是 自由的，则螺母将随螺栓-同转动，如果螺母受限制而螺栓继续转动，则螺母将沿螺栓作直线运动；在SSS离合器的输入轴上有- 螺旋齿起到对应螺栓作用，而安装在螺旋齿上的是- 滑动组件，起到类似螺母的作用。

本研究将SSS离合器分为主动件 、中间件、从动件三大主要部件，建立其数学模型。

主动件与主机相连，主动件的转速与主机转速保持-致：1/7，主 (1)tOl∞主 (2)(2)中间件的数学模型。

根据 AMESim软件的建模特点 ，本研究需要对螺旋花键接触力进行全新的力学方程推导 ，不同于使用Simulink建模时所用的力学方程 ，即：Wz - ) (3)式中 ： -主动件角速度 ， -从动件角速度 ，Wz-从动件角速度。

在螺旋花键作用下，中间件相对主动件有轴向移动，螺旋花键旋转-周，中间件的轴向位移为 。。：L1T·D·tanfl (4)易得：VzD ·Wz·tanfl/2 (5) ·cosfl (6)式中：卢-螺旋花键升程角，D -螺旋花键分度圆直径， -螺旋花键法面速度， -中间件法面速度。

设 k为螺旋花键接触刚度 ，由胡克定律得螺旋花键的轴向力为：F：k·J d (7)F ：Fcosfl (8)F (9)令 为螺旋齿上的阻力矩， 为所产生的轴向力，摩擦力的轴向分力为： (10)- (11)所 以：M -tan tan0)- 、对于中间件轴向推力，应用牛顿第二定律，得：-M，(tanfl-- tan0)- FR：m。.口， (13)C R·tan/3 。-其中： D /2tanfl， tg f/COSd。

式中： -摩擦系数， -螺旋齿法面压力角， -油尼阻力，m -中间件质量，a -中间件加速度。

由于离合器从动件的旋转角度∞：和旋转加速度分别等于中间件的绝对角速度和角加速度，即：to2 ∞ l ：， 2 l z o则：∞：- - ：)， ：.-( - )。

中间力矩方程可表示如下：M (1tanfl。tan -M J： 。 ) (14)(3)从动件的数学模型。

对于从动件，应用牛顿第二定律条件，得 ：- M2-，2 ： (15)警 (16)式中：-，2-从动件的旋转转动惯量 ， -从动件的旋转角加速度。

2 SSS离合器仿真模型的建立本研究采用高级仿真软件AMESim建立SSS离合器的仿真模型。AMESim(Advanced Modeling Environ-ment for Simulation of engineering systems)为多学科领域复杂系统建模仿真软件口 ，该软件具有丰富的元件设计库(32个模型库，4 000多个元件)，每个元件由基本的数学方程组成，可以直接 、方便地调用。对于元件中不存在的数学模型，研究者可以利用AMESim中的两个基本元件库(信号库和机械库)结合其数学模型进行构建。该软件图形化的特点使数学模型形象易懂。在建模时研究者还可以方便地利用其丰富的元件使模型合理复杂化和简化，这大大缩短了模型构建时间。SSS离合器结构n 如图1所示。

本研究通过分析SSS离合器的结构特点和运行特性，仿真模型使用AMESim中的传动库、机械库、信号· 290 · 机 电 工 程 第30卷液压油 双向阻尼 棘轮 啮合缓冲 油腔 棘抓 齿轮图1 SSS离合器内部结构库及液压库(HCD)构建。

SSS离合器的啮合过程可分为同步运行和结合缓冲两个阶段。本研究按照这两个阶段来建立仿真模型。SSS离合器的中间件与从动件皆做旋转运动 ，旋转部件的旋转特性受其转动惯量直接影响，建立模型时使用机械库中的旋转元件，且考虑旋转部件的转动惯量。

(1)同步阶段。本研究使用速度测量传感器来对主动件和从动件的转动速度进行监测，通过信号库中的比较元件对两者速度进行比较，当主动件转速高于从动件时，棘轮与棘爪相接触，棘轮、棘爪接触时间很短，是-个碰撞过程。由于本研究侧重对SSS整体运行传动特性的研究，忽略了棘轮和棘爪接触的碰撞过程。对于棘轮、棘爪接触的处理，笔者认定：当主动件转速高于从动件时，棘轮和棘爪是相互接触的。由于存在转速差 ，中间件在螺旋花键结构作用下移动。

AMESim没有符合螺旋花键特性的传动元件 ，本研究利用AMESim的信号库，结合其数学方程建立了螺旋花键的仿真模型。当中间件外侧齿轮与从动件内侧齿轮接触时，同步阶段结束。

(2)结合缓冲阶段。同步阶段结束后，棘轮与棘爪分开。处于中间件外侧-端的齿轮与图1中的从动件齿轮(3)进行啮合，此时动力全部由啮合的齿轮传递。本研究使用机械库中的带限制位移的质量元件来考虑中间件的质量与滑移过程中产生的滑动摩擦，本研究使用传动库中的齿轮啮合元件来表示中间件和从动件齿轮啮合特性。与此同时，液压油阻尼力取代滑移摩擦力对中间滑移件的位移起主要缓冲作用。

图1中的双向阻尼油腔(6)结构不仅减小了轴系扭振的影响，而