液力自動(dòng)變速器離合器設(shè)計(jì)

葛敬廣 張 笑

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 西安710077

液力自動(dòng)變速器離合器設(shè)計(jì)

葛敬廣 張 笑

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 西安710077

離合器是液力自動(dòng)變速器(AT)中的核心部件之一，是連接變速器機(jī)械、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。本文主要從離合器靜態(tài)容量計(jì)算、離合器活塞和平衡活塞設(shè)計(jì)、離合器摩擦片設(shè)計(jì)、離合器潤(rùn)滑和離合器常見(jiàn)失效模式五個(gè)方面詳細(xì)闡釋AT設(shè)計(jì)過(guò)程中離合器的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)和簡(jiǎn)要開(kāi)發(fā)流程。

容量計(jì)算 活塞設(shè)計(jì) 摩擦片設(shè)計(jì) 潤(rùn)滑 失效模式

0 引言

液力自動(dòng)變速器(AT)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在世界范圍內(nèi)得到了極廣泛的應(yīng)用，然而我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展依然非常匱乏，除了國(guó)內(nèi)極少數(shù)的企業(yè)(山東盛瑞、陜西法士特)已有量產(chǎn)產(chǎn)品面世，大部分主機(jī)廠和零部件廠都沒(méi)有在這個(gè)領(lǐng)域有實(shí)質(zhì)性的突破。

AT的關(guān)鍵部件之一就是離合器，通常AT是由幾組行星輪系和幾組旋轉(zhuǎn)的離合器或者起制動(dòng)作用的制動(dòng)器組成，從而通過(guò)不同離合器的結(jié)合和松開(kāi)實(shí)現(xiàn)不同檔位的組合。

1 AT離合器

離合器是AT實(shí)現(xiàn)換檔的關(guān)鍵總成之一，主要包括活塞，回位彈簧，密封件，摩擦片、對(duì)偶片、背板、卡環(huán)等結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)離合器還包括平衡活塞，如圖1所示。AT正是通過(guò)調(diào)整通往控制油壓活塞腔的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)離合器的結(jié)合和脫離，從而實(shí)現(xiàn)換檔。制動(dòng)器是一種特殊的離合器，其對(duì)偶片與殼體通過(guò)花鍵連接,一直保持靜止，活塞壓緊對(duì)偶片后整個(gè)制動(dòng)器總成轉(zhuǎn)速為零，相比旋轉(zhuǎn)離合器不需要考慮活塞的壓力補(bǔ)償，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單一些。本文中離合器和制動(dòng)器統(tǒng)稱為離合器。

圖1 一種旋轉(zhuǎn)離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

AT在換檔過(guò)程中一個(gè)離合器結(jié)合，與此同時(shí)另一個(gè)離合器分離，在換檔過(guò)程中沒(méi)有動(dòng)力中斷，傳遞扭矩也更為平順。

2 AT離合器設(shè)計(jì)

AT離合器設(shè)計(jì)直接影響到變速器的空間布置、重量以及傳動(dòng)效率等。在傳動(dòng)路線、齒輪速比和載荷譜確定之后，就可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輸入扭矩和轉(zhuǎn)速信息結(jié)合變速器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置離合器。在前期概念設(shè)計(jì)階段主要包括離合器靜態(tài)容量的設(shè)計(jì)、離合器活塞和平衡活塞的設(shè)計(jì)、摩擦片的設(shè)計(jì)、離合器摩擦片和對(duì)偶片的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)以及拖曳力矩分析等。隨著設(shè)計(jì)改進(jìn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，應(yīng)該實(shí)時(shí)關(guān)注離合器的工作能力。

2.1 離合器容量計(jì)算

離合器容量設(shè)計(jì)主要涉及摩擦片、對(duì)偶片數(shù)量的選擇，摩擦片、對(duì)偶片尺寸的確定，活塞結(jié)構(gòu)及尺寸的確定。結(jié)構(gòu)和參數(shù)的選擇對(duì)整個(gè)變速器的空間布置、軸向尺寸、徑向尺寸和變速器的重量有很大的影響。

2.1.1 離合器扭矩容量計(jì)算

離合器是通過(guò)往活塞腔充有一定油壓的自動(dòng)變速器油(ATF)，對(duì)活塞產(chǎn)生一定的軸向壓力，從而壓緊對(duì)偶片和摩擦片組，對(duì)偶片和摩擦片之間便產(chǎn)生摩擦力，再通過(guò)其他機(jī)械連接(例如花鍵)傳遞一定的扭矩。如圖1所示，活塞腔內(nèi)充油后，活塞向右移動(dòng)壓緊對(duì)偶片和摩擦片組，離合器轂便和輸出轂通過(guò)對(duì)偶片和摩擦片組連接在一起。

離合器所能傳遞扭矩可通過(guò)式(1)計(jì)算得到：

(1)

(2)

其中μ為對(duì)偶片和摩擦片之間的摩擦系數(shù)，n為有效摩擦面?zhèn)€數(shù)，Ro為有效摩擦面的外徑值，Ri為有效摩擦面的內(nèi)徑值，P為控制油壓壓力，do為活塞腔的外徑值，di為活塞腔的內(nèi)徑值，F(xiàn)n為活塞對(duì)摩擦片的壓力，Tc為離合器所能達(dá)到的最大扭矩。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，摩擦片外徑值與內(nèi)徑值的比值一般選取1.2-1.35之間。選取摩擦片與對(duì)偶片之間摩擦系數(shù)μ的時(shí)候，需要與潛在的供應(yīng)商進(jìn)行充分溝通，綜合考慮選取的摩擦材料，溝槽形狀，ATF油的種類以及該摩擦材料的試驗(yàn)結(jié)果。

圖2是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的三條曲線，不同曲線代表不同的ATF油，在換檔開(kāi)始階段，摩擦系數(shù)主要取決于油的黏性、摩擦片的溝槽形式、摩擦材料的多孔性、摩擦材料的密度；而在換檔結(jié)束階段，摩擦系數(shù)主要受ATF添加劑，摩擦片和對(duì)偶片的反應(yīng)層和對(duì)偶片的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響。

圖2 換檔過(guò)程中摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線(來(lái)自ZF)

圖3是摩擦材料使用不同種類的潤(rùn)滑油后，摩擦系數(shù)與換檔次數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)曲線因此在選取ATF的時(shí)候需要考慮油品對(duì)摩擦材料的影響。在計(jì)算離合器扭矩容量的時(shí)候，摩擦系數(shù)一般選取0.11-0.13之間，具體值需要通過(guò)供應(yīng)商的試驗(yàn)確定。

圖3 摩擦系數(shù)與換檔次數(shù)和潤(rùn)滑油的關(guān)系(來(lái)自ZF)

Fig.3 The relationship between the coefficient of friction and the number of shifts and lubricants (from ZF)

當(dāng)AT傳動(dòng)路線和各個(gè)檔位速比確定之后，根據(jù)設(shè)計(jì)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩和對(duì)應(yīng)變矩器的變矩比計(jì)算各個(gè)離合器在不同檔位需要的最大扭矩Tn(如表1所示)和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，此處，還需要注意AT閉鎖檔位的設(shè)定，變矩器閉鎖之后無(wú)需考慮變矩比。

2.1.2 換檔能量對(duì)離合器設(shè)計(jì)的影響

選取摩擦片對(duì)偶片參數(shù)的時(shí)候，還需要關(guān)注換檔過(guò)程中產(chǎn)生的熱量對(duì)整個(gè)離合器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。當(dāng)某一個(gè)離合器結(jié)合或松開(kāi)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這部分熱量大部分會(huì)被對(duì)偶片通過(guò)溫度升高吸收，只有少量為潤(rùn)滑油帶走，待離合器徹底結(jié)合或松開(kāi)后，對(duì)偶片上的熱量再通過(guò)冷卻油或其他方式帶走。

表1 某變速器不同離合器在各檔位下傳遞的扭矩

在概念設(shè)計(jì)階段，可以按照式(3)對(duì)換檔過(guò)程中的熱量進(jìn)行一個(gè)粗略的估計(jì)，具體的分析需要在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段對(duì)對(duì)偶片和摩擦片進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析，從而調(diào)整不同對(duì)偶片的厚度。

(3)

(4)

其中Tavg是換檔(包括升檔、降檔和跳檔)前后離合器傳遞扭矩的均值，ω1為換檔前摩擦片的相對(duì)滑動(dòng)轉(zhuǎn)速，ω2為換擋后摩擦片的相對(duì)滑動(dòng)轉(zhuǎn)速(離合器結(jié)合后相對(duì)轉(zhuǎn)速為0)，t為離合器換檔過(guò)程中相對(duì)滑動(dòng)的時(shí)間，E是換檔過(guò)程中產(chǎn)生的能量，P是換檔過(guò)程中產(chǎn)熱的功率。

式(3)、(4)的分析是假設(shè)離合器摩擦片對(duì)偶片相對(duì)滑動(dòng)的過(guò)程中，相對(duì)轉(zhuǎn)速是線性變化的。

根據(jù)選取的摩擦片材料的類型，需要分別計(jì)算表1中的相關(guān)參數(shù)，并判斷是否超過(guò)其閾值，具體閾值需從供應(yīng)商獲取。

表2 某材料的相應(yīng)推薦值

此外還需要分析對(duì)偶片在換檔過(guò)程中的溫升，由于換檔過(guò)程中時(shí)間太短(1 s左右)，大部分熱量并非冷卻油帶走，而是通過(guò)對(duì)偶片溫升儲(chǔ)存起來(lái)。摩擦片雖然也有芯片，但是由于表面摩擦材料的隔熱作用，所以芯片吸收熱量很少。為了防止對(duì)偶片溫度升高過(guò)多，需要計(jì)算對(duì)偶片的熱容量，從而選取合適的對(duì)偶片厚度。一般情況下，對(duì)偶片的溫升要求不能超過(guò)80 ℃。

(5)

其中ΔT是換檔過(guò)程中的溫升，c0是對(duì)偶片的比熱容，ms是對(duì)偶片的總質(zhì)量。

2.2 離合器平衡活塞設(shè)計(jì)

2.2.1 離合器活塞離心壓力計(jì)算

旋轉(zhuǎn)式離合器在變速器工作的時(shí)候一直有一定的轉(zhuǎn)速，控制油腔里的殘余油便會(huì)由于離心力的作用產(chǎn)生一定的壓力，在離合器不工作的時(shí)候，這部分壓力會(huì)使離合器活塞壓緊摩擦片，減小了摩擦片和對(duì)偶片之間的間隙，增大了拖曳力矩，從而造成效率降低，更有甚者會(huì)使不該結(jié)合的離合器結(jié)合，造成關(guān)鍵零部件的損壞。

圖4是一種簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)離合器結(jié)構(gòu)，活塞腔內(nèi)不同半徑處由于離心力產(chǎn)生的油壓如式(6)所示。

(6)

其中，ρ是ATF的密度，ω是活塞的轉(zhuǎn)速，r0是活塞進(jìn)油孔的半徑，r是期望半徑處的壓力。

圖4 一種簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)離合器結(jié)構(gòu)(用于離心壓力計(jì)算)

作用在活塞面積dA上的壓力dF可由式(7)得到。

(7)

所以整個(gè)活塞受到的壓力為：

(8)

其中Ro是活塞腔的外徑，Ri是活塞腔的內(nèi)徑。整個(gè)活塞受到的離心壓力與活塞表面的形狀無(wú)關(guān)，主要受活塞腔的內(nèi)外徑影響，且半徑越大，壓力越大。

為了彌補(bǔ)液壓油離心力導(dǎo)致的對(duì)活塞的壓力，且離心壓力比較大的時(shí)候必須設(shè)計(jì)與之大致平衡的平衡腔，如圖1所示(活塞和平衡活塞間即平衡腔)。平衡腔里的油來(lái)自潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候依然可以對(duì)活塞產(chǎn)生離心壓力，對(duì)施力活塞而言，前后兩個(gè)端面會(huì)受到方向相反的離心壓力，這樣便補(bǔ)償了離心壓力對(duì)活塞帶來(lái)的影響。

平衡腔里的潤(rùn)滑油對(duì)活塞產(chǎn)生的壓力同樣按照式(8)進(jìn)行計(jì)算，但是其中Ro是平衡活塞腔的外徑，Ri是平衡活塞腔的內(nèi)徑，r0是平衡活塞進(jìn)油孔的半徑。

2.2.2 離合器活塞密封圈摩擦力

離合器在結(jié)合脫開(kāi)的時(shí)候都要克服活塞與活塞殼體間密封圈的摩擦力，這部分力的大小在設(shè)計(jì)過(guò)程中也需要予以估算。這部分力主要取決于選取的密封圈形式、壓縮率以及材料等因素。常用的密封形式包括O型密封圈、D型密封圈、唇形密封圈等，還有一種比較流行的密封形式是將密封材料與活塞粘結(jié)在一起。

密封圈與殼體或活塞間的壓力一般按1.5 N/mm進(jìn)行估算，也可根據(jù)選用廠家推薦的值進(jìn)行計(jì)算。

(9)

其中是k0密封圈的單位長(zhǎng)度壓力，d0是密封圈的直徑值，μ0是密封圈與活塞移動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)，μ0通常取0.1，F(xiàn)s是密封圈的摩擦力。

回位彈簧的主要功能體現(xiàn)在離合器松開(kāi)過(guò)程中，控制油壓逐漸變?yōu)榱?，與此同時(shí)，預(yù)壓縮的彈簧力作用于活塞上，使活塞回到初始位置，對(duì)偶片和摩擦片分開(kāi)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)離合器，如果沒(méi)有平衡腔的設(shè)計(jì)，回位彈簧的預(yù)壓縮力還應(yīng)大于活塞腔離心力導(dǎo)致的壓力，從而確?；钊粫?huì)在不應(yīng)該的時(shí)候壓緊對(duì)偶片和摩擦片。

需要的彈簧力大小可由式(10)得到。

(10)

其中F是活塞受到的控制油腔里ATF油的離心壓力，F(xiàn)1是平衡腔里ATF油對(duì)活塞的離心壓力，F(xiàn)2是平衡腔內(nèi)潤(rùn)滑油對(duì)活塞的壓力，壓力一般選取0.5 bar，F(xiàn)s是密封圈的總摩擦力。

實(shí)際的彈簧力一般會(huì)大于需要的彈簧力，需要注意的是彈簧力過(guò)大會(huì)降低離合器工作時(shí)候的扭矩容量。計(jì)算離合器扭矩容量的時(shí)候，需要除去彈簧的壓縮力，包括預(yù)壓緊力和活塞行走一定形成后產(chǎn)生的壓緊力。彈簧一般選取螺旋彈簧、蝶形彈簧和波形彈簧等形式，具體需根據(jù)結(jié)構(gòu)形式選取。

2.3 離合器摩擦片設(shè)計(jì)

2.3.1 離合器摩擦片溝槽形狀

摩擦片表面的溝槽形狀與潤(rùn)滑/冷卻方式相關(guān)，不同的潤(rùn)滑/冷卻形式對(duì)應(yīng)著不同的表面溝槽形狀。

表面溝槽形狀一般基于經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果選定。

董玘的文章總體上是樸淡深?yuàn)W、雍容紆徐的，但他的詩(shī)歌卻有一些抒發(fā)性靈之作，尤其是五絕寫(xiě)得頗好。比如《湖山春曉圖》：

2.3.2 花鍵強(qiáng)度校核

對(duì)偶片和摩擦片一般均通過(guò)花鍵與其他機(jī)械部件相連，根據(jù)傳遞的扭矩需要校核花鍵強(qiáng)度是否滿足要求，摩擦片花鍵一般為內(nèi)花鍵，位于芯片上。一般校核的是花鍵的接觸應(yīng)力(如式11所示)和剪切應(yīng)力(如式12所示)，計(jì)算過(guò)程中假設(shè)花鍵在配合時(shí)軸向和徑向均為100%接觸，也有公司在分析時(shí)假設(shè)有60%的齒在接觸，這樣計(jì)算結(jié)果會(huì)在式11和式12的基礎(chǔ)上除以0.6得到一個(gè)更高的值，這樣一般認(rèn)為接觸應(yīng)力低于140 Mpa即可，剪切應(yīng)力判斷標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)材料和熱處理選擇。

(11)

(12)

其中Sc是接觸應(yīng)力，Ss是剪切應(yīng)力，T是離合器傳遞的扭矩，z是花鍵齒數(shù)，t是花鍵齒厚，L是花鍵齒接觸長(zhǎng)度(外花鍵半徑減去內(nèi)花鍵半徑)，r是花鍵齒結(jié)合中點(diǎn)半徑，N是摩擦片/對(duì)偶片的片數(shù)，w是半徑r處齒寬。

2.3.3 離合器潤(rùn)滑/冷卻

離合器在換檔過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，對(duì)每個(gè)摩擦片而言，有一個(gè)單位面積的最低冷卻油流量，此值一般選取3 lpm/1000 cm2。根據(jù)此值和摩擦片的面積可以計(jì)算一個(gè)離合器需要的最小冷卻流量，然后根據(jù)此流量值和離合器結(jié)構(gòu)計(jì)算需要的冷卻油孔直徑大小。冷卻油需要均勻分布在整個(gè)摩擦片的表面上，在任何情況下都不允許干摩現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 離合器常見(jiàn)的失效形式

摩擦片和對(duì)偶片是離合器中最關(guān)鍵的零部件之一，其常見(jiàn)的失效形式如圖6和圖7所示。一般情況下，導(dǎo)致離合器摩擦材料脫落的原因主要有旋

圖6 摩擦片常見(jiàn)的幾種失效模式

圖7 對(duì)偶片常見(jiàn)的幾種失效模式

轉(zhuǎn)速度太高以至于線速度超過(guò)能承受的極限速度，導(dǎo)致粘接材料脫落。點(diǎn)蝕或者燒蝕的原因通常為潤(rùn)滑不良，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦?xí)r間過(guò)長(zhǎng)等。

3 結(jié)論

離合器作為AT中最重要的分總成之一，其設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞決定著整個(gè)變速器的性能。本文主要從離合器容量分析、換檔過(guò)程中能量分析、離合器平衡活塞設(shè)計(jì)、離合器回位彈簧設(shè)計(jì)、離合器摩擦片設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面簡(jiǎn)要介紹了AT中離合器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要流程。

離合器的設(shè)計(jì)主要是滿足變速器各個(gè)檔位扭矩容量需求，并能在變速器軸向和徑向尺寸上取得一個(gè)比較好的折衷。除此之外，為了保證離合器在整個(gè)變速器產(chǎn)品壽命周期不能或盡可能少的出現(xiàn)失效，需要保證設(shè)計(jì)的離合器結(jié)構(gòu)和選擇的摩擦材料能夠滿足疲勞耐久需求，這些都是通過(guò)以往已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，而獲取這些指標(biāo)的計(jì)算方法就是本文所闡釋的。

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[4] Hisanao Kitabayashi, Chen Yuli, Henry Hiraki, Analysis of the various factors affecting drag torque in multiple-plate wet clutches SAE 2003-01-1973.

Clutch design of automatic transmission

GeJingguangZhangXiao

(ShaanxiFastGearCo.,LTDXi'an710077 )

Clutch is one of the most important elements of automatic transmission (AT), it's a key connecting point of mechanical, electrical and hydraulic systems. It briefly explains the clutch design process in this paper about the clutch static torque capacity calculation, clutch piston and balance piston design, the friction plates design, the clutch lubrication and common failure modes.

torque capacity piston design friction plate design lubrication failure mode

1006-8244(2017)02-025-05

葛敬廣，

U463.211

B