自動(dòng)變速器濕式離合器片的失效形式與原因分析

賈鵬

恩斯克華納變速器零部件(上海)有限公司 上海市 201401

1 引言

當(dāng)前常見的汽車自動(dòng)變速器，包括傳統(tǒng)的AT、CVT變速器以及新式的DCT雙離合器變速器等都有用到離合器模塊，用于動(dòng)力的切換、換擋、制動(dòng)等。其中的濕式離合器片作為離合器組件的關(guān)鍵部分，直接影響變速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)和安全工作，需要其具備很好的穩(wěn)定性、耐久性、和耐熱性。因此，熟悉離合器片的相關(guān)工作原理及其失效形式，對(duì)于自動(dòng)變速器的離合器設(shè)計(jì)和故障分析非常重要。本文將主要論述濕式離合器片的失效形式及其發(fā)生原因。

2 濕式離合片的組成

如下圖1所示，濕式離合器片由摩擦片和與之相配合的對(duì)偶鋼片組成，其中起關(guān)鍵作用的是摩擦片，直接影響離合器的工作性能。摩擦片是由芯片和摩擦材料膠接組成，摩擦材料分多種，有干式和濕式兩種，這里主要分析目前廣泛應(yīng)用的濕式紙基摩擦材料。紙基摩擦材料是一種復(fù)合材料，由高分子粘合劑、增強(qiáng)纖維、調(diào)節(jié)劑等組成。其特點(diǎn)是具有良好的摩擦特性、高耐熱性、耐磨性和機(jī)械強(qiáng)度。

3 工作原理

離合器的工作原理是通過液壓系統(tǒng)控制離合器的結(jié)合與分離，以實(shí)現(xiàn)離合器的動(dòng)力傳遞、換擋、制動(dòng)等功能。離合器的大致結(jié)構(gòu)如下圖2所示，主要由摩擦片、對(duì)偶鋼片、驅(qū)動(dòng)活塞、外殼、軸套、卡環(huán)等元件組成，外殼與軸套分別連接不同的單元。工作時(shí)在油壓作用下，活塞壓緊多個(gè)摩擦片和鋼片使其嚙合，依靠摩擦片的摩擦力矩或傳動(dòng)元件的剛性結(jié)合傳遞能量，實(shí)現(xiàn)輸出不同扭矩和轉(zhuǎn)速，回油壓后則在彈簧力的作用下使摩擦片和鋼片分離，從而斷開接合，使外殼和軸套分別以各自形式運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 常見的失效形式及其現(xiàn)象

失效是指失去原設(shè)計(jì)所規(guī)定的功能，離合器片失效模式分為熱失效和機(jī)械失效。常見的失效形式主要有三種：離合器片的磨損、離合器片燒蝕以及摩擦特性的改變。下面分別對(duì)這三種失效形式及其現(xiàn)象進(jìn)行說明。

4.1 摩擦片的磨損、剝離

摩擦片在工作過程中，如果選材不當(dāng)或控制不良，摩擦材表面會(huì)發(fā)生劣化、磨耗，嚴(yán)重甚至發(fā)生碳化、剝離的現(xiàn)象，稱為磨損失效，如下圖3所示，摩擦材表面已磨光，出現(xiàn)碳化變黑。根據(jù)磨損情形不同可分為：熱磨損和機(jī)械磨損。熱磨損主要是由于離合器工作過程中產(chǎn)生的摩擦熱量過大，導(dǎo)致摩擦材料中的化學(xué)物質(zhì)逐漸分解、碳化，使摩擦材表面油孔減少。隨著散熱能力的下降，磨損加劇，造成功能失效。機(jī)械磨損主要是由接觸引起，摩擦片在承受較大壓力情況下，負(fù)荷增大，在不斷的工作循環(huán)中摩擦材料厚度逐漸減少造成磨損失效。

圖1

4.2 摩擦片、對(duì)偶片的燒蝕

離合器接合過程由于摩擦作用將產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)離合片承受的熱負(fù)荷超過其極限值時(shí)，鋼片表面將發(fā)生金屬相變，表面會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)狀或片狀的燒損黑點(diǎn)，如下圖4所示，隨著熱量的聚集鋼片可能會(huì)發(fā)生彎曲變形。摩擦片的燒損與鋼片有所不同，一般摩擦材料承受的熱負(fù)荷要大于鋼片，所以通常發(fā)生燒片時(shí)鋼片會(huì)先燒損，當(dāng)鋼片發(fā)生燒損后，繼續(xù)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致熱負(fù)荷急劇增大，溫度達(dá)到一定值后將燒損摩擦材料，使摩擦材料表面碳化變黑，摩擦片變形，摩擦片的有效面積銳減，造成離合器喪失穩(wěn)定性而失效。

圖2

圖3

4.3 摩擦特性改變

離合器片是靠摩擦傳遞動(dòng)力，因此摩擦片的摩擦特性直接影響離合器的正常工作，摩擦片摩擦系數(shù)過高或過低都會(huì)影響變速器性能。如果摩擦特性發(fā)生變化，比如摩擦系數(shù)下降到一定值，則離合器正常工作所需的扭矩將不足，離合器不能正常嚙合，換擋時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)打滑或者抖動(dòng)的現(xiàn)象。摩擦系數(shù)過高不穩(wěn)定的話，會(huì)產(chǎn)生沖擊，使離合器不能穩(wěn)定正常的工作，嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)失效。

5 失效原因解析

分析離合器片的失效原因，可以從外部因素和內(nèi)部因素兩方面考慮。如下表所示，外部因素是指離合器片之外的因素，具體有油壓、離合器控制、潤滑、以及和離合器配合的對(duì)手件等因素。內(nèi)部因素是指離合器片（摩擦片、鋼片）的自身因素。下面將對(duì)其進(jìn)行具體分析。

5.1 外部因素

①離合器嚙合時(shí)如果油壓過大，將導(dǎo)致摩擦材的接觸面壓過大，摩擦材料容易發(fā)生磨損，經(jīng)過長時(shí)間磨耗以后，摩擦片表面的氣孔將逐漸減少，摩擦特性下降從而失去摩擦功效。反之，如果作用的油壓或活塞推力不足時(shí)，離合器片嚙合時(shí)扭矩將不足，很容易發(fā)生滑動(dòng)摩擦，使熱量急劇升高，引發(fā)燒損。

圖4

表1

②離合器設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)其嚙合時(shí)間，嚙合時(shí)的速度，次數(shù)等進(jìn)行控制，如果嚙合時(shí)間過長、嚙合時(shí)差速過大、嚙合次數(shù)過多都可能會(huì)使摩擦熱能過大，摩擦材料磨耗增大，超過其極限值從而引發(fā)燒片、磨損等。

③離合器片嚙合時(shí)，由于摩擦作用離合器片表面產(chǎn)生很大熱量，需要用潤滑油對(duì)其進(jìn)行冷卻，如果冷卻油量不足或流量過小無法及時(shí)冷卻，將造成離合器片局部溫度過高，超出其臨界值引發(fā)燒損。此外如果使用的潤滑油劣化變質(zhì)也將造成冷卻不良。

④關(guān)聯(lián)零部件是指與離合器片相配合的關(guān)聯(lián)零部件，包括活塞，卡環(huán)、離合器轂、軸套等。如果其位置、形狀設(shè)計(jì)不當(dāng)、或者加工精度、剛性不能滿足要求的話，都可能會(huì)造成離合器片的失效。例如活塞形狀、卡環(huán)位置設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)脑挘瑢⒃斐山佑|不良，局部接觸面壓過高。如果是轂或軸的齒形設(shè)計(jì)不良或加工精度不足時(shí)，其與摩擦片、鋼片嚙合時(shí)齒形部位易滑動(dòng)，造成局部溫度過大。此外如果是剛性不良的話，容易發(fā)生磨耗，另外也會(huì)造成局部壓力過大，這些都會(huì)引發(fā)離合器片的失效。

5.2 內(nèi)部因素

①摩擦片的不良，具體包括摩擦特性不良、摩擦片強(qiáng)度不足、加工精度不足等。摩擦材料產(chǎn)品的關(guān)鍵，在于其具備優(yōu)異的摩擦性能和耐熱、耐久性，能使自動(dòng)變速箱的變速換擋平穩(wěn)進(jìn)行，可以說摩擦材料就是摩擦片的生命。摩擦特性的一個(gè)重要指標(biāo)是摩擦系數(shù)，按摩擦狀態(tài)分為靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)。根據(jù)離合器扭矩計(jì)算公式T=μFL（μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)為壓力，L為有效距離）可以發(fā)現(xiàn)，如果摩擦系數(shù)不足，則扭矩達(dá)不到要求值，離合器不能有效嚙合，將發(fā)生打滑，這時(shí)熱能迅速上升，造成摩擦片或鋼片燒損。

濕式摩擦材的另外一個(gè)重要特性是熱負(fù)荷性，可以承受一定的溫度。其散熱是通過油熱交換散熱，摩擦材料表面分布有大量油孔，同時(shí)摩擦片表面也會(huì)設(shè)計(jì)一定形狀的若干油槽，以保證潤滑油的充分潤滑。如果其散熱性不足，熱量聚集很容易使摩擦片和鋼片燒損。

摩擦材料還有一個(gè)重要特點(diǎn)耐磨性，需要一定強(qiáng)度。如果摩擦片強(qiáng)度不足，在離合器不斷的嚙合中，將承受持續(xù)的壓力和剪切力，摩擦材表面容易發(fā)生磨損，甚至剝離。

如果是摩擦片芯片剛性強(qiáng)度不足，則可能發(fā)生變形。

此外，摩擦片在加工時(shí)的精度控制非常重要，首先是安裝精度，為了保證穩(wěn)定運(yùn)行，加工時(shí)對(duì)其精度、誤差的控制需要特別注意，如果控制不當(dāng)，將導(dǎo)致其功能失效。另外就是對(duì)厚度和平面度的精度控制，如果精度不足，可能會(huì)造成局部壓力分布不均，影響其功能。

②離合器工作過程中需要反復(fù)的接合與分離，在機(jī)械力與摩擦力作用下，對(duì)偶鋼片容易發(fā)生熱疲勞損壞，嚴(yán)重時(shí)可能是鋼片變形、破損。因此對(duì)于鋼材的選擇很重要，鋼材要求具有相應(yīng)的剛性強(qiáng)度和耐熱性，如果選擇不當(dāng)將使離合器功能失效，直接影響其壽命。

另外，對(duì)于鋼片的加工精度也有很高的要求，特別是厚度、平面度、粗糙度的精度控制。如果是厚度和平面度的不良，會(huì)使壓力分布不均，造成局部面壓過大。如果是粗糙度和硬度過大，容易引發(fā)摩擦片和與之相嚙合的對(duì)手件磨損。

6 結(jié)語

通過以上對(duì)離合器片失效原因的分析，可以發(fā)現(xiàn)其失效原因復(fù)雜多樣。在進(jìn)行離合器設(shè)計(jì)時(shí)需要清楚的理解離合器片的工作原理，對(duì)其工作和潤滑情況進(jìn)行合理有效的控制，另外就是選用符合條件的離合器片，控制各相關(guān)零件的加工精度對(duì)于離合器的設(shè)計(jì)成功非常重要。在進(jìn)行離合器片故障分析時(shí)，需根據(jù)實(shí)際故障情況，從外因和內(nèi)因兩方面進(jìn)行排查，準(zhǔn)確的找出問題點(diǎn)。