離合器片纏繞模型建立及高速旋轉(zhuǎn)失效分析探討

黃順民

摘要 ：本文對離合器片的纏繞軌跡及其旋轉(zhuǎn)爆裂強度的理論計算進行了分析，建立了實用模型，指出產(chǎn)品的外型尺寸及材料的抗張強度及紗線材質(zhì)和加工狀態(tài)是影響旋轉(zhuǎn)強度的主要因素，由于面片常為非均質(zhì)量，故此方法所推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型可供離合器片生產(chǎn)企業(yè)進行質(zhì)量控制，也可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求進行參數(shù)設(shè)定的參考。

關(guān)鍵詞 ：離合器片 纏繞模型 旋轉(zhuǎn)失效 探討

1、前言

離合器面片是摩擦材料的一種，是將玻璃纖維等纖維制成紗線后通過浸樹脂、上膠、盤坯纏繞、熱壓、熱處理等加工過程而制成。在盤坯纏繞時，將生產(chǎn)纏繞式離合器片的纏繞工序簡要描述如下：一個凸輪控制下作水平往復(fù)運動的噴頭不斷出上膠的紗線，鋪放在勻速轉(zhuǎn)動的一個圓環(huán)胎盤中，當(dāng)紗線達到總長度時停止，，除了電機、減速器等傳動機構(gòu)，進料機構(gòu)、固化成型機構(gòu)和機架等常規(guī)設(shè)計實現(xiàn)外，這個工藝設(shè)計首要問題是考慮曲線鋪放在模具中的形狀，進而形成對凸輪的設(shè)計，這是工藝設(shè)計中的核心問題。離合器面片作為第一批列入國家生產(chǎn)許可證目錄的產(chǎn)品，是汽車工業(yè)的關(guān)鍵部件，主要起到汽車傳遞動力的作用，車輛離合平衡，不打滑、不抖動及耐磨性好作為關(guān)鍵指標(biāo)，對汽車的傳動起到關(guān)鍵作用，如果由于離合器片質(zhì)量不合格，將會導(dǎo)致汽車在行駛半途過程中離合器打滑、抖動等情況甚至由于離合器面破裂而損壞整個離合器，因此質(zhì)量不合格的離合器面片對汽車行駛造成嚴(yán)重的安全隱患，在傳遞扭矩過程中，離合器面片除了應(yīng)具有適當(dāng)?shù)哪Σ料禂?shù)以保證扭矩的平穩(wěn)傳遞外，還應(yīng)有足夠的強度，由于現(xiàn)代汽車發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速已超過5000r/min，因此，離合器片要承受巨大的離心力的作用，也會因高速而造成整個離合器的失效，因此通過緾繞模型的建立來分析離心力受力情況，根據(jù)其形狀，離合器片應(yīng)是很平的環(huán)形片狀，顯然上膠密度要均勻，即要求膠線鋪設(shè)均勻，又滿足一定的力學(xué)條件（彎曲強度，旋轉(zhuǎn)爆裂強度）這就需要紗線在環(huán)內(nèi)不斷交叉形成網(wǎng)狀，整條曲線應(yīng)分為若干形狀完全相同的段，即曲線應(yīng)有周期，并且在每個周期中曲線應(yīng)與內(nèi)、外圓至少各相交一次，習(xí)慣上，稱一個圓周中的周期個數(shù)為花瓣數(shù)，經(jīng)驗上看，花瓣數(shù)至少為2，用數(shù)學(xué)語言來描述這個問題，即在一個平面環(huán)形（內(nèi)半徑r1，外半徑r2）區(qū)域中自環(huán)內(nèi)某點開始出發(fā)作一條曲線，要求曲線滿足以下條件：膠線要連續(xù)，總長度為L，設(shè)曲線從內(nèi)圓上某點開始，波動式地在環(huán)形內(nèi)纏繞，具有周期性，花瓣數(shù)至少為2，曲線間必須是相交的且多次相交不許重復(fù)，在每個周期內(nèi)必須和內(nèi)圓、外圓至少各相交一次，要求圓環(huán)內(nèi)任何位置，單位面積中所含各條曲線的總長度盡量相同，即均勻分布， 盡量簡單，便于實現(xiàn)。

本文重點介紹離合器片的纏繞軌跡及其旋轉(zhuǎn)爆裂強度的理論計算方程，既要使線盡量避免重疊，又要使其排列方式，有利于離合器片能承受最大旋轉(zhuǎn)爆破應(yīng)力，為了提高制品的產(chǎn)量和質(zhì)量，探索正確設(shè)計纏繞機的理論依據(jù)，研究纏繞的規(guī)律，提出了一種新的方程式，便于計算的通用數(shù)學(xué)模型，并以此進行參數(shù)的設(shè)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，所推導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)爆裂強度數(shù)學(xué)模型可供生產(chǎn)企業(yè)技質(zhì)量控制用。

表1是浙江某公司提供的各種材質(zhì)和加工工藝的纏繞離合器片的抗拉強度和旋轉(zhuǎn)爆裂強度的測試數(shù)據(jù)，同時也列出了本文所提供的數(shù)學(xué)模型用抗拉強度計算的旋轉(zhuǎn)爆裂強度的計算值，從表1可看出，離合器面片旋轉(zhuǎn)強度的實測值和用材料抗張強度計算的計算值相當(dāng)接近，其誤差低于3%，因此本文提出的數(shù)學(xué)模型有較實用性。

本數(shù)學(xué)模型對造成離合器片旋轉(zhuǎn)失效的各相關(guān)因素進行了分析，其中產(chǎn)品的外形尺寸及材料的抗張強度是影響旋轉(zhuǎn)強度的主要因素，對同一尺寸的產(chǎn)品來說，提高旋轉(zhuǎn)強度的關(guān)鍵是提高材料的抗張強度，從這一意義上來講，在暫不具備旋轉(zhuǎn)強度試驗條件的單位，可將抗張強度納入產(chǎn)品檢驗內(nèi)容。

本數(shù)學(xué)模型是一個理想化的公式，實際上，離合器片是非均質(zhì)的，在加工過程中材料內(nèi)部也會有細(xì)微傷痕，所以實測值和理論值有一定差距，因此用材質(zhì)和工藝修正系數(shù)進行修正，若計算值在不合格區(qū)間，則應(yīng)分析面片在生產(chǎn)工藝過程中可能存在的問，特別是槳料質(zhì)量和上膠率及紗線本身的抗拉強度，修正系數(shù)見表2。

9 、結(jié)束語

1、該數(shù)學(xué)模型，由于波峰的轉(zhuǎn)變，并非突變，而是按正弦波的規(guī)律自然過渡，尤其M較小時，波峰曲率半徑大，中心層的強度分量相對提高，對纏線強度較為有利。

2、設(shè)計時，為了得到勻稱均勻的圖案，保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定，應(yīng)考慮選擇非重波型，即I，U互質(zhì)的圖案，僅量不用重波型圖案。

3、纏繞參數(shù)M，U，i值的選定，可根據(jù)離合器片的尺寸和生產(chǎn)條件以及旋轉(zhuǎn)爆裂強度的要求綜合考慮決定，建議M=2-5，U=8-25，i

4、若所生產(chǎn)的離合器片或設(shè)計的纏繞機，能按上述數(shù)學(xué)模型進行，也必將會得到質(zhì)量滿意的結(jié)果。

5、可充分利用該數(shù)學(xué)模型，進行圖案的模擬設(shè)計，以增加設(shè)計的準(zhǔn)確性、可行性，提高設(shè)計效率。

6、為纏繞機的正確設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù)，按分析完全可以找到一些方案能滿足這種方程的實施。

7、由于旋轉(zhuǎn)爆裂試驗機價格高，大部分企業(yè)沒有購買，但拉力強度試驗機絕大部分企業(yè)均有，因此企業(yè)技術(shù)人員均可按本文之公式進行旋轉(zhuǎn)爆裂強度的計算，以控制產(chǎn)品質(zhì)量。

8、由于離合器片所使用的紗線不同，爆裂強度相差較大，因此，本模型根據(jù)線的材質(zhì)不同，確定了一個不同紗線材質(zhì)的校準(zhǔn)系數(shù)K1。

9、離合器片的加工狀態(tài)對爆裂強度影響較大，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是無槽無孔的樣品，而實際上，離合器面片大多數(shù)都是有排灰槽的，有的產(chǎn)品交付時是鉆孔狀態(tài)，而且根據(jù)從動盤設(shè)計要求有單排孔，也有雙排孔，鉆孔產(chǎn)品對爆裂強度影響很大，因此，根據(jù)較多數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果確定了加工工藝K2校準(zhǔn)系數(shù)。

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