溫度對(duì)離合器性能影響的研究

唐　俊，孫晉松，汪　江，馬　成，蘇家杰，王志強(qiáng)，于　堯

溫度對(duì)離合器性能影響的研究

唐俊，孫晉松，汪江，馬成，蘇家杰，王志強(qiáng)，于堯

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥230011）

離合器作為整車傳動(dòng)系不可或缺的零部件，其使用故障多數(shù)為高溫?zé)g，所以有必要深入了解溫度與離合器性能之間的相互關(guān)系，找出影響離合器表面溫度的因素和溫度對(duì)離合器性能的影響，為整車離合器匹配設(shè)計(jì)提供支持。

離合器；溫度；性能影響；匹配設(shè)計(jì)

隨著汽車開發(fā)技術(shù)水平的提高和顧客對(duì)汽車性能需求的不斷提升，在同等情況下，開發(fā)動(dòng)力性更強(qiáng)、可靠性更高及操縱舒適性更好的汽車成為必然趨勢(shì)［1］。離合器性能直接關(guān)系到整車的動(dòng)力性、可靠性及操縱舒適性［2］。在影響離合器性能的各種因素中，溫度無疑是至關(guān)重要的一項(xiàng)，即離合器工作時(shí)，摩擦片表面溫度及周邊空氣溫度均對(duì)離合器性能產(chǎn)生重要影響［3-4］。本文通過分析溫度對(duì)離合器性能的影響，進(jìn)而提出提升離合器性能的優(yōu)化方案［5-8］。

1　溫度影響機(jī)理分析

離合器被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體后端面上的飛輪上，同時(shí)離合器被離殼包圍在里面。離合器的工作特性是頻繁結(jié)合與分離，在此過程中離合器摩擦片會(huì)因?yàn)椴粩嗟啬Σ炼l(fā)熱，從而造成其表面和周邊空氣溫度的改變。一方面由于摩擦片表面溫度的升高將導(dǎo)致其摩擦片內(nèi)的高聚物分解為氣體和低分子物，造成性能衰退；另一方面由于周邊空氣溫度的上升，將造成摩擦片表面溫度難以降低，熱傳遞受阻。溫度過高情況下，將導(dǎo)致與離合器摩擦片匹配件飛輪和壓盤出現(xiàn)裂紋或表面翹曲，從而進(jìn)一步加劇離合器性能的衰退。所以摩擦片的材質(zhì)和離殼通風(fēng)結(jié)構(gòu)是影響摩擦片表面溫度最重要的兩個(gè)方面，也即是說，這兩個(gè)方面將對(duì)離合器性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響［9］。

1.1離合器材質(zhì)的溫度影響

根據(jù)文獻(xiàn)［3］，離合器表面溫度計(jì)算公式如下：

式中：θ面為離合器從動(dòng)盤表面溫度；L為滑磨功，J；kL為滑磨功分配系數(shù)；τN為滑磨功率無因次參數(shù)，該參數(shù)隨時(shí)間變化，理論和實(shí)踐證實(shí)在0.45～0.65時(shí)，θ面最大；τL為滑磨功無因次參數(shù)，該參數(shù)隨時(shí)間變化，理論和實(shí)踐證實(shí)在0.45～0.65時(shí)，θ面最大；λ1為壓盤或飛輪的材料導(dǎo)熱系數(shù)；λ2為離合器從動(dòng)盤的材料導(dǎo)熱系數(shù)；C1為壓盤或飛輪的材料比熱容；C2為離合器從動(dòng)盤的比熱容；γ1為壓盤或飛輪的密度；γ2為離合器從動(dòng)盤的密度。

如公式（1）所示，離合器表面溫度θ面主要與滑磨功L及離合器從動(dòng)盤、壓盤或飛輪材質(zhì)有關(guān)；而由文獻(xiàn)［3］可知，一旦整車參數(shù)、輪胎及速比確定后，滑磨功則已確定。所以最終主要影響離合器表面溫度因素是材質(zhì)，尤其是離合器從動(dòng)盤摩擦片材質(zhì)。相關(guān)材質(zhì)中一般壓盤本體和飛輪均采用HT250。

1.2離殼通風(fēng)散熱分析

為較直觀地說明離殼的通風(fēng)散熱性對(duì)離合器內(nèi)溫度的影響情況，特對(duì)1款手動(dòng)檔變速器離殼進(jìn)行了優(yōu)化（如表1所示，主要是在滿足殼體強(qiáng)度及剛度情況下，適當(dāng)擴(kuò)大離殼的通風(fēng)散熱孔數(shù)量及面積），同時(shí)分別將優(yōu)化前后的變速器裝配到兩輛整車上（兩輛車分別編號(hào)為A3和A4，見表1），然后進(jìn)行離合器坡起耐久性試驗(yàn)（與2.1節(jié)中試驗(yàn)過程及方法相同），直至離合器打滑，全過程監(jiān)測(cè)離殼內(nèi)溫度。

表1　試驗(yàn)車離殼主要參數(shù)

A3和A4完成試驗(yàn)后，坡起次數(shù)與離殼內(nèi)溫度變化情況如圖1所示。

從圖1可知，A3車完成25次坡起試驗(yàn)，A4車完成35次；A3車離殼內(nèi)最高溫度為188℃，A4車離殼內(nèi)最高溫度為185.5℃；A3車離殼內(nèi)溫度的上升速度明顯快于A4車。因此，A3車離殼的通風(fēng)散熱性比A4車差，適當(dāng)擴(kuò)大通風(fēng)散熱數(shù)量及面積，可有效控制溫度的上升速度，同時(shí)對(duì)離合器的性能有較大影響。

2　離合器升溫及性能影響試驗(yàn)

2.1離合器溫升試驗(yàn)

根據(jù)以如上分析可知，對(duì)溫度產(chǎn)生關(guān)鍵影響的因素是摩擦片材質(zhì)［10］?，F(xiàn)選取兩種典型材質(zhì)F815和F815MCC的離合器從動(dòng)盤，通過進(jìn)行整車坡起耐久性試驗(yàn)，觀察材質(zhì)對(duì)溫度的影響情況。兩種材質(zhì)的主要性能參數(shù)見表2，其對(duì)比雷達(dá)圖見圖2。

表2　摩擦片主要性能參數(shù)對(duì)比

根據(jù)以上性能參數(shù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)F815MCC綜合性能優(yōu)于F815。下面將兩輛同一款A(yù)級(jí)車分別匹配如上兩種同規(guī)格、不同材質(zhì)的離合器從動(dòng)盤總成（匹配F815材質(zhì)整車代號(hào)為A1，匹配F815MCC材質(zhì)整車代號(hào)為A2），先后進(jìn)行整車坡起耐久性試驗(yàn)，全過程記錄離殼內(nèi)部溫度變化情況（見圖3）。

試驗(yàn)過程如下：

1）駐坡。在30%的坡道上使用手剎，使車輛駐坡。

2）起步爬行。踩下離合踏板，掛1檔，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到2 500 r/min后，慢松離合踏板，使車輛動(dòng)力緩緩結(jié)合，5 s內(nèi)車輛爬行最少為1個(gè)車身長(zhǎng)度的距離。

3）起步加速。完成起步爬行后，離合器完全結(jié)合，全油門加速，使車輛行駛2.5倍車身長(zhǎng)度的距離。

4）空檔倒回。完成起步加速后，使用行車制動(dòng)停車，掛空檔，車輛倒退到初始駐坡位置。

5）上述1）-4）為一個(gè)坡起循環(huán)，每個(gè)循環(huán)用時(shí)60 s（可在坡頂或坡底停車?yán)鋮s一定時(shí)間，但需每個(gè)循環(huán)操作相同），共需不間斷進(jìn)行，直至離合器打滑。

根據(jù)如上試驗(yàn)過程（如圖3所示），按圖4所示在離合器離殼內(nèi)布置溫度傳感器，試驗(yàn)完成坡起次數(shù)與離殼內(nèi)溫度變化情況如圖5所示。

從圖5可以看出，A1車完成25次坡起試驗(yàn)，A2車完成94次；A1車離殼內(nèi)最高溫度為189.5℃，A2車離殼內(nèi)最高溫度為297.2℃；A1車離殼內(nèi)溫度的上升速度明顯快于A2車。

A2車所用F815MCC材質(zhì)離合器耐磨性更好，即該材質(zhì)離合器從動(dòng)盤摩擦片對(duì)于溫度的敏感性更小，能夠承受更高的溫度。

2.2溫度對(duì)離合器性能的影響

下面選取兩種典型摩擦片材質(zhì)（代號(hào)分別為F815 和F815MCC）的離合器進(jìn)行溫度循環(huán)耐久臺(tái)架試驗(yàn)。該臺(tái)架試驗(yàn)類似于頻繁換檔工況［11］，試驗(yàn)共計(jì)16步，每步包括不同的循環(huán)次數(shù)（如圖6所示）。針對(duì)該試驗(yàn)中不同工況和離合器摩擦產(chǎn)生能量共計(jì)分為3個(gè)階段：第一階段——低能量測(cè)試（12 kJ，60/100℃），包括step1、step2、step3、step5、step6、step9、step10、step13、step14；第二階段——中能量測(cè)試（43 kJ，200℃），包括step4、step7、step11、step15；第三階段——高能量測(cè)試（81 kJ，200℃）包括step8、step12。

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，試驗(yàn)后兩種材質(zhì)的摩擦系數(shù)變化情況如圖7所示。

從圖7可以明顯看出，F(xiàn)815和F815MCC兩種材質(zhì)的摩擦片摩擦系數(shù)與溫度變化的趨勢(shì)一致。試驗(yàn)過程中摩擦系數(shù)偶爾上升，但高溫下摩擦系數(shù)總體會(huì)下降，僅僅是下降的速度有所不同，F(xiàn)815MCC下降得要慢一些，所以若長(zhǎng)時(shí)間半離合將造成摩擦片的快速磨損［12］。

3　結(jié)論

本文通過離合器性能和溫度之間的相互影響分析，得出如下結(jié)論：

1）離合器摩擦片材質(zhì)和離殼的通風(fēng)散熱性對(duì)離合器表面溫度起到至關(guān)重要的作用，離合器摩擦片材質(zhì)和離殼的通風(fēng)孔數(shù)量、面積是進(jìn)行離合器匹配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

2）高溫下離合器摩擦片材質(zhì)的摩擦系數(shù)會(huì)呈下降趨勢(shì)，僅僅是不同摩擦材料下降程度不同而已。

利用本文的研究成果可有效進(jìn)行離合器性能匹配設(shè)計(jì)，能夠有效提升離合器性能，特別為針對(duì)駕駛習(xí)慣惡劣、路況較差區(qū)域進(jìn)行整車離合器設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

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修改稿日期：2014-09-05

Research on Temperature of Clutch Performance Influence

TangJun，Sun Jinsong，WangJiang，Ma Cheng，Su Jiajie，WangZhiqiang，Yu Yao
（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230011，China）

As an integral part of the vehicle powertrain components，the clutch has a great number of faults which are high-temperature ablations，so it's necessary to deeply understand the relationship between temperature and clutch performance，in order to find out the factors which affect the clutch surface temperature and the influence of temperature on the clutch performance.This work will provide support for the match design ofthe vehicle clutch.

clutch；temperature；performance influence；match design

U463.211

B

1006-3331（2015）01-0020-03

唐?。?985-），男，工程師；從事汽車傳動(dòng)系研發(fā)設(shè)計(jì)工作。