淺談汽車軸間粘性離合器匹配研究

楊樂肖 魏明遠(yuǎn)

摘 要：隨著家用轎車及城市型SUV的普及，人們對汽車的乘坐舒適性要求越來越高，所以很多家用轎車及城市型SUV開始使用液體介質(zhì)離合器作為汽車傳動系統(tǒng)軸間差速器使用，這樣很大程度上提高了汽車的通過性，同時又保證了汽車的舒適性。本文主要以城市SUV車型使用的粘性離合器為例，對工作原理及使用注意事項進(jìn)行簡單闡述。

關(guān)鍵詞：離合器;速度差;粘性;硅油;摩擦片;扭矩

1 概述

粘性離合器屬于被動耦合器的一種形式，是通過感應(yīng)作用在離合器裝置兩邊的轉(zhuǎn)速差自動實現(xiàn)鎖止，產(chǎn)生粘液剪切扭矩或鎖止扭矩。最常用的粘性離合器是一個完全封閉的腔體，內(nèi)部充滿專用硅油，并包含兩組傳遞扭矩的摩擦片，一組外摩擦片和一組內(nèi)摩擦片，其中一組外摩擦片連接腔體并通過傳動軸與分動器連接，另一組內(nèi)摩擦片通過聯(lián)軸器殼體與后橋主減的主齒軸連接，通過內(nèi)、外摩擦片轉(zhuǎn)速差剪切高粘度硅油，實現(xiàn)鎖止傳遞扭矩。

2 工作原理

粘性離合器通過外殼旋轉(zhuǎn)帶動外摩擦片轉(zhuǎn)動，再由外摩擦片旋轉(zhuǎn)帶動高粘度硅油轉(zhuǎn)動，利用硅油的剪切力帶動內(nèi)摩擦片轉(zhuǎn)動，內(nèi)摩擦片和聯(lián)軸器殼體連在一起，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。粘性離合器有兩種工作狀態(tài)：粘性工作狀態(tài)和駝峰工作狀態(tài)。一般情況下，粘性離合器工作在粘性工作狀態(tài)下，通過硅油的剪切力傳遞扭矩。內(nèi)外摩擦片之間存在相對轉(zhuǎn)動，形成一定轉(zhuǎn)速差，這時充滿腔體的硅油就會產(chǎn)生剪切力。由于粘性離合器的硅油通常是清澈無毒的，額定粘度一般在5000至30萬里斯，粘度越大傳遞扭矩越大。在極端情況下，粘性離合器產(chǎn)生很高的轉(zhuǎn)速差，硅油的溫度不斷增加，硅油的膨脹系數(shù)也不斷增大，隨著很高轉(zhuǎn)速差持續(xù)一定時間后，硅油充滿整個腔體，腔內(nèi)壓力隨之迅速增大，推動內(nèi)外摩擦片緊靠在一起，產(chǎn)生金屬摩擦，使粘性離合器傳遞扭矩倍增，此現(xiàn)象被稱為駝峰工作狀態(tài)。

3 性能計算

下面以某款車型粘性離合器為例，計算其扭矩特性。

粘性離合器參數(shù)如下：①輸出轉(zhuǎn)矩：180Nm;②最大轉(zhuǎn)速差：ΔN =150rpm;③硅油填充率90%;④內(nèi)摩擦片23片，外摩擦片24片，片間隙為0.19mm，組數(shù)：23.5，內(nèi)摩擦片外半徑r1=0.0495m，外摩擦片內(nèi)半徑r2=0.021m。

3.1 剪切轉(zhuǎn)矩

①初選常溫下粘度為6×104mm2/s硅油;

②根據(jù)計算公式混合硅油密度ρ=ρ1η0+ρg（1-η0） =970kg/m3，

式中，硅油填充率η0=90%，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度ρg=1.293kg/m3，硅油密度ρ1=971kg/m3;

③最大剪切扭矩。

粘性離合器在剪切工作狀態(tài)下，根據(jù)公式得出極限工作溫度：

Tmp=9.675×（ΔN）0.5085=9.675×（150）0.5085=123.65℃。

在極限工作溫度下，根據(jù)經(jīng)驗公式得出最大剪切扭矩：

=328Nm

式中，ρ——混合硅油密度，ρ=970kg/m3;

v0——硅油初始運(yùn)動粘度，v0=6×104mm2/s;

Tmp——硅油瞬間溫度，Tmp=123.65℃;

σ——油膜厚度，取σ=0.0006m;

γB——參考硅油剪切率，γB=300σ-1;

ΔN——輸入和輸出端的最大轉(zhuǎn)速差：ΔN =180rpm;

n——硅油流動指數(shù)（硅油填充率η0=85%-90%時，取1.1）;

r1——內(nèi)摩擦片外半徑，r1=0.0495m;

r2——外摩擦片內(nèi)半徑，r2=0.021m;

a、b、c、d——常數(shù)，a=722.44;b=0.322×10-4;c=1.0037;d=2.4466

3.2 駝峰扭矩

①粘性離合器處于駝峰工作狀態(tài)時，根據(jù)經(jīng)驗公式，其內(nèi)部溫度：

式中，硅油體積熱膨脹系數(shù)β=0.00095（1/°C），T0=25°C=298K;

②根據(jù)經(jīng)驗公式，粘性離合器內(nèi)部壓力：

式中，空氣的初始狀態(tài)為：空氣壓力P0，空氣溫度TS。

③駝峰扭矩。

根據(jù)庫倫摩擦定律，粘滯離合器駝峰轉(zhuǎn)矩：

T=π·k·f·p·m·（r-r）

=×3.14×0.8825×0.012×8.382×23.5×（0.0495-0.021）569Nm

式中，內(nèi)外摩擦片接觸系數(shù)k=0.8825，摩擦系數(shù)f=0.012。

4 設(shè)計及匹配總結(jié)

粘性離合器在設(shè)計及匹配過程中應(yīng)該注意以下幾個關(guān)鍵點(diǎn)：

a內(nèi)外摩擦片的片數(shù)、直徑和間隙，硅油的粘度、填充比例等對粘性離合器傳遞扭矩的性能有很大關(guān)系，需要在整車測試過程中不斷優(yōu)化。b駝峰工作狀態(tài)發(fā)生的時間點(diǎn)能夠通過改變內(nèi)腔空氣和硅油的填充比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)駝峰工作狀態(tài)，使粘性離合器盡在極端的情況下發(fā)生駝峰現(xiàn)象，而不是所有狀態(tài)下都發(fā)生。c對于裝有防抱死制動系統(tǒng)（ABS），應(yīng)考慮與之兼容性，在離合器與車橋之間加裝離合機(jī)構(gòu)，當(dāng)汽車緊急制動時暫時斷開與車橋的連接，使車橋不受限制運(yùn)轉(zhuǎn)。d由于生產(chǎn)過程中的制造、裝配等諸多因素，不能保證每個粘性離合器的特性都和設(shè)計目標(biāo)一致，如果達(dá)不到預(yù)期的傳動效果，則汽車的性能會受到影響，所以標(biāo)定粘性離合器扭矩特性時，必須同時考慮夏天和冬天兩種驅(qū)動情況，同時盡量將急轉(zhuǎn)彎時的影響降到最小狀態(tài)。

5 使用注意事項

粘性離合器是一種粘液離合器，通過摩擦片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生速度差，摩擦產(chǎn)生熱量進(jìn)行工作，但在實際使用中應(yīng)注意以下幾個事項：a在使用過程中不應(yīng)長時間使粘性離合器處于工作狀態(tài)，當(dāng)暫時無法脫困時中間應(yīng)有足夠間歇，否則粘性離合器會因此產(chǎn)生過熱現(xiàn)象而燒毀。b汽車發(fā)生故障需要拖車時，應(yīng)注意四輪要全部拖起，否則粘性離合器會因前后存在輪速差長期處于工作狀態(tài)而燒毀。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱華衛(wèi).液體粘性聯(lián)軸器特性及其檢測方法研究[J].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.08.01.