Innovative clutching mechanisms for hybrid automotive transmissions that yield low losses, while still satisfying the conflicting requirements of compactness, quick response, and high power density are explored in this thesis. Moreover, a systematic approach to automotive-transmission clutch design is proposed. The goal is to provide a complementary tool to aid the designer's judgment. The various design variants chosen serve two purposes, to demonstrate the foundation and to showcase approaches and solutions to specific problems that have a direct application in transmission design. The analysis of design variants goes into sufficient depth to be useful to both practicing automotive design engineers and academics.The phenomenon of "spin loss" is well known in the automotive industry, for it affects all transmissions. One energy sink identified in this regard lies in traditional wet clutches and brakes, wherein an open clutch or, correspondingly, an open brake, creates drag on the transmission because of the oil churning around and between the rotating friction plates. A second source of spin loss, or energy sink, is of electromagnetic origin, as it occurs by virtue of spinning inactive motors that carry permanent magnets. Apart from spin losses, the hydraulic actuation of clutches and brakes suffers from head losses. Seals, pumps and valves incur leakages that cause energy loss.Using the techniques outlined in this thesis, two separate novel clutch variants are demonstrated to improve clutch and brake technology. One variant, the electromechanical clutch actuator, is based on a high-performance screw joint with a built-in locking mechanism. The screw joint was tested with two sub-variants, namely, a lead screw and a ball screw. One prototype of each of the two sub-variants was installed on a testbed, to mimic the installation of the actuator in place of the corresponding hydraulic components. To better reflect the elastostatic behaviour of the clutch disk assembly, a new model for its stiffness as a hardening spring was formulated. Proof-of-concept tests of both sub-variants, lead and ball screws, demonstrated their feasibility.The second variant, the electromagnetic dog clutch, is directly aimed at minimizing spin and hydraulic actuation losses for clutched electric motors, wherein the motor is connected to a clutch. The system includes a unique contactless electromagnetic synchronizer and a synchronizing sleeve with dog teeth on the input and output components. The design study, focused on the electromagnetic part, strives to reduce clutch slip and control torque. The novel design features claw-like stator and salient rotor poles with good machinability within a restrictive design volume. A complete design analysis with physical proof-of-concept testing was conducted.Reducing "spin-loss" in transmission assemblies will improve system efficiency and yield better fuel economy. The technologicalimpact will benefit not only the user, who will obtain more mileage for her or his dollar, but also the environment. / Dans cette thèse sont étudiés des mécanismes innovants d'embrayage pour transmissions automobiles hybrides qui n'engendrent que de faibles pertes, tout en satisfaisant les besoins parfois conflictives de compacité, de haute vitesse de réaction et de haute densité d'énergie. Une approche systématique de la conception de transmissions automobiles est proposée, dont l'objectif est d'offrir un outil complémentaire au jugement du concepteur. Les divers alternatives choisises servent à présenter les concepts fondamentaux, ainsi qu'à mettre en valeur les différentes approches et solutions à des problèmes spécifiques qui ont une application directe dans le domaine des conceptions de transmissions. L'analyse d'alternatives de conception va suffisamment en profondeur pour être utile à la fois aux ingénieurs de conception automobile et aux théoriciens.Le phénomène de pertes d'énergie cinétique de rotation (PECR) est bien connu dans l'industrie automobile, car cela affecte toutes les transmissions. Un puits d'énergie mis en évidence à ce propos concerne les embrayages et freins traditionnels à fluides, pour lesquels un embrayage ouvert ou un frein ouvert, crée une traînée dans la transmission parce que l'huile tourbillonne autour et dans les plaques tournantes de friction. Un second puits d'énergie est d'origine électromagnétique, car générée par la rotation de moteurs inactifs contenant des aimants permanents. Hormis le PECR, l'actionnement hydraulique d'embrayages ou de freins entraîne des pertes de charges. Les joints, pompes et valves encourent des fuites qui engendrent de puits d'énergie.En utilisant les techniques mises en avant dans cette thèse, deux nouvelles alternatives d'embrayages démontrent leurs capacités à améliorer les technologies des freins et des embrayages. L'une de ces alternatives, l'actionneur {\em électromécanique d'embrayage}, est basée sur une liaison à vis et dispose d'un mécanisme intégré de verrouillage. La liaison à vis a été testée au travers de deux sous-alternatives, à savoir une vis à filet trapézoïdal et une vis à billes. Un prototype de chacune des alternatives a été installé sur un banc d'essai, afin de reproduire l'installation de l'actionneur en lieu et place des composants hydrauliques correspondants. Pour mieux refléter le comportement élastostatique de l'assemblage des disques d'embrayage, un nouveau modèle de sa raideur, assimilée à un ressort durcissant, a été formulé. Des tests de preuve de concept des deux variantes, vis à filet trapézoïdal et vis à billes, ont montré leur faisabilité.La seconde variante, l'embrayage électromagnétique à interférence, est directement utilisable pour minimiser les pertes en rotation et en actionnement hydraulique pour les moteurs électriques à embrayage, pour lesquels un moteur est connecté à un embrayage. Le système inclut un unique synchronisateur et des bagues de synchronisation avec des dents-de-chien sur les composants en entrée et en sortie. Le travail de conception a été concentré sur la partie électromagnétique, qui essaie de réduire le glissement de l'embrayage et le couple de commande. Le nouveau système conception est doté d'un stator en forme de griffes et des pôles de rotor saillants faciles à usiner et à installer dans un espace restreint dans la voiture. Une étude complète de conception avec des tests concrets de preuve de concept a été accomplie.Rééduire le PECR dans les assemblages de transmissions améliorera l'efficience du système et mènera à davantage d'économie de carburant. L'impact technologique sera ainsi bénéfique non seulement pour l'utilisateur, qui profitera d'un kilométrage plus élevé pour son argent, mais aussi pour l'environnement.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.123009 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Chopra, Vikram |
| Contributors | Jorge Angeles (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically submitted theses |
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