變速器用摩擦材料的技術(shù)動(dòng)向

【日】 永井聰 小泉貴幸

材 料 工 藝

變速器用摩擦材料的技術(shù)動(dòng)向

【日】 永井聰 小泉貴幸

對(duì)于品種呈現(xiàn)多樣化趨勢的汽車用變速器，迫切要求開展改善燃油經(jīng)濟(jì)性、舒適性及操控性方面的研究。論述了自動(dòng)變速器的技術(shù)動(dòng)向，回顧了濕式多片離合器及摩擦材料的發(fā)展歷史，介紹了其技術(shù)開發(fā)動(dòng)向及產(chǎn)品中采用的新技術(shù)和新工藝。

變速器 濕式多片離合器 摩擦材料 技術(shù)發(fā)展

0 前言

汽車的自動(dòng)變速器(AT)是非常貼近生活的技術(shù)，AT(包括無級(jí)變速器(CVT))的普及率，在日本國內(nèi)超過90%。

與手動(dòng)變速器(MT)相比，AT傳動(dòng)效率、燃油消耗率表現(xiàn)稍差。有報(bào)道稱，在最新的車輛上，AT的上述指標(biāo)與MT大致相同或稍有差異，有些指標(biāo)超過了MT(圖1)。

1 濕式多片離合器

圖2為濕式多片離合器(以下稱離合器)的實(shí)例。離合器由粘貼摩擦片的鋼制芯板及鋼制的隔板構(gòu)成。通過液壓使活塞動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)離合器的接合和斷開。

圖2 濕式多片離合器實(shí)例

離全器接合時(shí)，使輸入軸與輸出軸相對(duì)旋轉(zhuǎn)的同步滑動(dòng)，主要功能為無損地傳遞扭矩。離合器接合時(shí)吸收能量產(chǎn)生摩擦熱，所以利用離合器內(nèi)周側(cè)的變速器潤滑油進(jìn)行冷卻。

2 AT的技術(shù)動(dòng)向與離合器

近年來，AT開發(fā)的主要亮點(diǎn)是變速級(jí)數(shù)增加(即呈多級(jí)化趨勢)。早期的AT多為2檔[2]、3檔[3]、4檔[4]，而近期變?yōu)?檔[5]、7檔[6]、8檔[7]，而且還在開發(fā)9檔[8]和10檔的AT。隨多級(jí)化獲得的技術(shù)優(yōu)勢是：產(chǎn)品系列型譜化及調(diào)節(jié)有效范圍的擴(kuò)大使燃油消耗率降低，并提高了駕駛(操控)性能和舒適性。

AT的多級(jí)化通常意味著離合器數(shù)增加。隨著近年來齒輪系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)，在不增加離合器數(shù)量情況下，亦可達(dá)成AT的多級(jí)化(圖3(a))。與此同時(shí)，每個(gè)離合器的工作環(huán)境和使用條件越來越苛刻，離合器斷開時(shí)的最大相對(duì)轉(zhuǎn)速上升(圖3(b))的接合次數(shù)增加。

預(yù)期離合器斷開時(shí)不傳遞扭矩，但摩擦片與隔板之間流過的潤滑油的微小的剪切阻力仍會(huì)產(chǎn)生拖曳(打滑)扭矩。多級(jí)化的AT離合器斷開時(shí)最高形成轉(zhuǎn)速1 400 r/min以上轉(zhuǎn)速的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，即便拖曳扭矩很小也可能產(chǎn)生發(fā)熱和損傷等故障。

此外，高速旋轉(zhuǎn)中也可能發(fā)生由摩擦片的固有振動(dòng)造成的不穩(wěn)定振動(dòng)[9]現(xiàn)象。

針對(duì)這些技術(shù)課題，正在開展離合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

圖4 離合器油槽的開發(fā)推移與斷開時(shí)的拖曳扭矩

在摩擦材料上開了用于潤滑的油槽，而由于形狀的最佳化，降低了離合器斷開時(shí)的拖曳扭矩。圖4表示油槽技術(shù)開發(fā)的歷史。相比于傳統(tǒng)離合器的設(shè)計(jì)，近年來的新技術(shù)使大幅度降低拖曳扭矩成為可能。

圖5 離合器斷開時(shí)拖曳扭矩的比較

關(guān)于離合器斷開時(shí)高速空轉(zhuǎn)中的不穩(wěn)定振動(dòng)，也因?yàn)槟Σ疗w的優(yōu)化設(shè)計(jì)而得到抑制。至于傳統(tǒng)型的設(shè)計(jì)，為了改善接合特性，降低斷開時(shí)的扭矩，部分產(chǎn)品在摩擦片的芯板上加工出波紋形狀，但在高速空轉(zhuǎn)中，這種板件產(chǎn)生固有振動(dòng)，有時(shí)會(huì)成為不穩(wěn)定振動(dòng)。作為對(duì)策，將芯板做成平板狀，清除了不穩(wěn)定振動(dòng)，同時(shí)通過油槽優(yōu)化設(shè)計(jì)力求降低斷開時(shí)的拖曳扭矩(圖5)。

摩擦材料的改進(jìn)對(duì)于AT多級(jí)化十分重要。對(duì)于多級(jí)化的AT，由于離合器斷開時(shí)的高速相對(duì)旋轉(zhuǎn)，離合器接合前的相對(duì)轉(zhuǎn)速也較高。同時(shí)，離合器的緊湊化使得摩擦材料吸收能量增加，離合器的熱負(fù)荷呈現(xiàn)增高趨勢。因而，對(duì)摩擦材料要求具有耐受多級(jí)化造成接合次數(shù)增加的高壽命。

滿足這類技術(shù)要求的摩擦材料的開發(fā)正在持續(xù)地展開，耐熱纖維的配合比例不斷增加，并開展了纖維的取合結(jié)構(gòu)、整體配套的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。圖6示出摩擦材料的耐熱性和壽命的發(fā)展。

圖6 摩擦材料的接合能量-壽命線圖

此外，高轉(zhuǎn)速、高吸收能量條件下的離合器接合中，除可能發(fā)生摩擦材料的燒損之外，由于隔板表面局部發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生過熱斑點(diǎn)，加劇摩擦材料的磨損(圖7)。要抑制過熱斑點(diǎn)，可通過提高摩擦材料表面面向摩擦副配對(duì)材料(即隔板)表面的跟隨性來實(shí)現(xiàn)。高氣孔率提高了表面平滑性，這種耐高熱摩擦材料(圖8)正在開發(fā)中。

圖7 過熱斑點(diǎn)的發(fā)生過程

3 CVT的技術(shù)動(dòng)向與離合器

使用CVT時(shí)，離合器基本上只在前進(jìn)、后退的轉(zhuǎn)換中使用，行駛中的變速在鋼制的皮帶與皮帶輪中進(jìn)行，而不通過離合器。CVT為連續(xù)變速，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的變動(dòng)少，有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率，但受限于皮帶-皮帶輪結(jié)構(gòu)，致使有效調(diào)節(jié)范圍在技術(shù)上有限度。2009年公布的帶副變速的CVT[10]中，將離合器用于變速，擴(kuò)大了有效調(diào)節(jié)范圍，改善燃油消耗率。

若CVT有變速感，則損害了本來的商品性(無級(jí)變速)，因此要求副變速器的離合器的變速?zèng)_擊特性盡量少且控制性能良好。以日本生產(chǎn)商為中心，開展了CVT技術(shù)開發(fā)和普及，預(yù)計(jì)今后的應(yīng)用范圍會(huì)增加。

圖8 高負(fù)荷耐久試驗(yàn)后的外觀照片

4 自鎖離合器的技術(shù)動(dòng)向

普通的AT和CVT裝備液力變矩器是車輛起步關(guān)鍵部件(圖9)。液力變矩器是通過變速器用機(jī)油將輸入側(cè)(發(fā)動(dòng)機(jī))的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向輸出側(cè)(變速器)傳遞，由于旋轉(zhuǎn)差異不可避免的產(chǎn)生傳遞損失，但使用摩擦材料的自動(dòng)鎖緊離合器(圖10)直接連接發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器，可降低傳動(dòng)損失，以改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖9 液力變矩器的實(shí)例

圖10 自動(dòng)鎖緊離合器實(shí)例

早期的自動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)只在4檔等高速檔位動(dòng)作；而近年來，對(duì)效率及節(jié)省燃油的要求更高，從低速檔位就使自動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，由此大幅度改善傳動(dòng)效率。另一方面，自動(dòng)鎖緊動(dòng)作時(shí)可能產(chǎn)生沖擊，在低速工況下由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞，導(dǎo)致舒適性降低，但通過在低速區(qū)域采用使自動(dòng)鎖緊離合器微小滑動(dòng)的控制方式吸收沖擊和振動(dòng)，可兼顧舒適性并改善燃油耗。另外，自動(dòng)鎖緊離合器的多片化使滑動(dòng)控制性能提高，也推進(jìn)了離合器結(jié)構(gòu)的緊湊化。

伴隨自動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)鎖緊離合器用摩擦材料的耐久性提出了更高的要求。應(yīng)特別重視材料強(qiáng)度，以應(yīng)對(duì)由于自動(dòng)鎖緊動(dòng)作區(qū)域擴(kuò)大引起接合頻度大幅度增加，并重視應(yīng)對(duì)滑動(dòng)控制的耐熱性和摩擦穩(wěn)定性。自動(dòng)鎖緊離合器專用摩擦材料的改進(jìn)和開發(fā)工作在持續(xù)推進(jìn)中(圖11)。

5 雙離合變速器(DCT)的技術(shù)動(dòng)向與離合器

圖12 AT與DCT的離合器使用條件比較實(shí)例

DCT于2003年發(fā)布，是用于乘用車變速器的新型實(shí)用技術(shù)。它與傳統(tǒng)MT類似，由齒輪機(jī)構(gòu)和同步機(jī)構(gòu)及2個(gè)濕式離合器組成。AT和CVT利用液力變矩器組成，并在車輛起步時(shí)進(jìn)行動(dòng)力傳遞。而DCT沒有液力變矩器，車輛起步時(shí)也使用離合器，即離合器除了變速時(shí)的動(dòng)力傳動(dòng)及斷開之外，也進(jìn)行起步時(shí)的動(dòng)力傳遞。

與變速時(shí)相比，車輛從停止?fàn)顟B(tài)到起步、加速進(jìn)行順暢的動(dòng)力傳動(dòng)需要大的能量，所以離合器接收的能量增加(圖12)。

為適應(yīng)這種能量的增加，應(yīng)重新評(píng)價(jià)潤滑油流量，傳統(tǒng)的AT上流量約為0.5～2.0 L/min，而DCT在起步時(shí)的流量約為25～35 L/min。綜上，DCT的離合器使用環(huán)境與AT、CVT的大不相同，為應(yīng)對(duì)這種差異，需要采用不同離合器的設(shè)計(jì)和技術(shù)。

圖13示出代表性的離合器的形狀。為了滿足高效冷卻而加大機(jī)油流量的需求，可在DCT的離合器上增加油槽。

圖13 AT離合器與DCT離合器的比較

摩擦材料的改進(jìn)及技術(shù)開發(fā)也在進(jìn)行之中。如前文所述，因?yàn)镈CT未設(shè)液力變矩器，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)通過機(jī)械式的減振器及離合器來吸收。在離合器沒有完全接合狀態(tài)下，通常用于轉(zhuǎn)速100 r/min的低速滑動(dòng)，以該方式控制發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)振動(dòng)的吸收。另外，起步時(shí)離合器滑動(dòng)時(shí)間長達(dá)30 s左右，滑動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生令人不舒適的異常抖動(dòng)。

綜上，對(duì)于摩擦材料，不僅要求提高耐熱性，而且為防止抖動(dòng)現(xiàn)象還要求大幅度提高摩擦特性。為此，正在開展以下技術(shù)開發(fā)工作：重新評(píng)估摩擦調(diào)整劑、進(jìn)行材料配比的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用表面平滑化加工方法等。

圖14為摩擦材料表面性質(zhì)的比較。相比傳統(tǒng)型材料，面向DCT開發(fā)的材料要求平滑性大幅度提高。

圖14 摩擦材料的表面性質(zhì)比較

6 結(jié)語

回顧了汽車用離合器及濕式摩擦材料的歷史。AT的普及推進(jìn)了離合器技術(shù)開發(fā)，但隨CVT普及和可能不需要離合器的混合動(dòng)力車輛、電動(dòng)汽車的發(fā)展和產(chǎn)品化，離合器的前景受到質(zhì)疑。

近年來，隨著配裝發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的技術(shù)創(chuàng)新，其燃油消耗率可與混合動(dòng)力車輛抗衡。AT和CVT的多級(jí)化和高效率化，DCT的產(chǎn)品開發(fā)等有利于汽車的發(fā)展，因而對(duì)離合器及摩擦材料的技術(shù)要求還在提升。

今后，摩擦學(xué)技術(shù)工作者應(yīng)致力于濕式多片離合器及摩擦材料的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品開發(fā)，以降低汽車的燃油耗。

[1] 國土交通省.自動(dòng)車燃費(fèi)一覽(H17.3)，(H21.3)(H27.3)他.

[2] 三本木.濕式摩擦材の技術(shù)動(dòng)向[J].トライボロジト，2008，53(9)：593.

[3] 小川.世界の車かす紙の技術(shù)[J].自動(dòng)車技術(shù)會(huì)中部支部報(bào)，2008，62：13.

[4] Dabich S. Ford motor company automatic overdrive transmission[C].SAE Paper 800004.

[5] Scherer H. ZF 6-speed automatic transmission for passenger cars[C]. SAE Paper 2003-01-0596.

[6] Takatori K. Development of all new 7-speed automatic transmission for RWD vehicles[C]. SAE Paper 2009-01-0512.

[7] Scherer H. ZF new 8-speed automatic transmission 8HP70-basic design and hybridization[C]. SAE Paper 2009-01-0510.

[8] Gaertner L, Ebenhoch M. The ZF automatic transmission 9HP48: transmission system, design and mechanical parts[C]. SAE Paper 2013-01-1276.

[10] Nonomura R. Fuel economy improvement technology and control system in new-generation small CVT[C]. CTI, 2010: 559.

彭惠民 譯自 自動(dòng)車技術(shù)， 2015， 69(10)

許 蕾 編輯

2016-06-13)