混動(dòng)變速箱濕式多片離合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

白建勇，徐章祿，張彤

(科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 201501)

0 引言

濕式多片離合器是自動(dòng)變速箱中重要的結(jié)合元件，用于兩個(gè)運(yùn)動(dòng)件之間的結(jié)合與分離。在混合動(dòng)力變速箱中，包括離合器和制動(dòng)器兩種類型的結(jié)合元件，在變速箱升擋和降擋過程中，伴隨著摩擦片和對(duì)偶鋼片頻繁的結(jié)合與分離，離合器元件的耐久性能對(duì)變速箱整體壽命具有重要影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在裝載自動(dòng)變速箱的汽車售后服務(wù)中，離合器出現(xiàn)故障的概率是最大的。目前針對(duì)離合器的研究主要包括帶排轉(zhuǎn)矩[1-3]、摩擦片的油槽結(jié)構(gòu)散熱分析[4]、熱機(jī)耦合分析[5]、熱彈性不穩(wěn)定[6]、摩擦噪聲理論分析，但針對(duì)卡環(huán)式離合器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究相對(duì)較少。作者針對(duì)一型離合器在設(shè)計(jì)開發(fā)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究。

濕式多片離合器的摩擦片、對(duì)偶片、卡環(huán)和活塞的結(jié)構(gòu)對(duì)離合器滑摩性能具有較大的影響，摩擦片與對(duì)偶片的接觸性能影響著滑摩扭矩的大小、滑摩時(shí)間、結(jié)構(gòu)耐久性等關(guān)鍵因素[7]。因此針對(duì)混合動(dòng)力變速箱中離合器對(duì)偶片、卡環(huán)優(yōu)化，獲得最佳的接觸性能。

1 濕式多片離合器工作原理

卡環(huán)濕式多片離合器由活塞、卡環(huán)、摩擦片、對(duì)偶鋼片和離合器內(nèi)外支架等部件構(gòu)成。如圖1所示，由于采用卡環(huán)支撐自身的特點(diǎn)，在活塞擠壓對(duì)偶片夾緊摩擦片時(shí)，導(dǎo)致對(duì)偶片與摩擦片的內(nèi)外圈的位移量不一致，摩擦片的外圈壓力大于內(nèi)圈，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理時(shí)，適當(dāng)?shù)钠d有助于發(fā)揮離合器最大滑摩扭矩、縮減滑摩時(shí)間、有效提高對(duì)偶片耐久性；李樂等人[8]針對(duì)濕式離合器摩擦片建立了磨損系數(shù)K與時(shí)間的函數(shù)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了不同接觸比下的磨損量計(jì)算模型。當(dāng)偏載嚴(yán)重時(shí)，較大局部壓力容易引起滑摩功率急劇增大，形成局部熱斑，加劇對(duì)偶片的熱彈性不穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)對(duì)偶鋼片產(chǎn)生波浪狀的翹曲變形[9]，或?qū)е履Σ疗馊Φ募埢牧厦撀?，接觸比率降低，整體壽命大大降低。

圖1 卡環(huán)濕式多片離合器結(jié)構(gòu)原理

面壓偏載盡管不是直接導(dǎo)致離合器摩擦片燒蝕的原因，但離合器工作過程中，結(jié)構(gòu)偏載導(dǎo)致離合器首先發(fā)生外圈接觸，對(duì)偶片和摩擦片的外圈位移量大于內(nèi)圈，紙基材料外圈長(zhǎng)時(shí)間在高壓力高剪切高溫作用下，容易發(fā)生脫落發(fā)黑，形成麻坑，外圈首先受到磨損，從外圈到內(nèi)圈的接觸方式將導(dǎo)致外圈最容易發(fā)生剝落。紙基材料剝落后，接觸面進(jìn)一步減小，接觸壓力增大，滑摩功率升高，更容易引起對(duì)偶片燒蝕。較大的壓差也不利于離合器最大滑摩扭矩的充分利用，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的傳遞扭矩需求，因此改善偏載嚴(yán)重的離合器摩擦片的壓力分布，有利于提高離合器的使用壽命。

2 摩擦片面壓試驗(yàn)與分析

離合器面壓試驗(yàn)在離合器單體試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，將面壓紙剪裁好，夾持在離合器與摩擦片之間，加載油壓后，靜置5 min，拆下取出面壓紙，面壓紙受壓力大小不一致而形成具有顏色梯度的印記。分別對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后(僅將對(duì)偶端片的厚度由初始的2 mm加寬至4 mm)的離合器進(jìn)行面壓試驗(yàn)，面壓紙安裝位置如圖1所示。

如圖2、圖3所示，經(jīng)過優(yōu)化后進(jìn)行試驗(yàn)的Z樣機(jī)面壓紙，較優(yōu)化前有較大的改進(jìn)。1號(hào)對(duì)偶片接觸情況比2號(hào)對(duì)偶片要惡劣得多。

圖2 優(yōu)化前后的1號(hào)面壓紙?jiān)囼?yàn)結(jié)果對(duì)比

圖3 優(yōu)化前后的2號(hào)面壓紙的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

建立與試驗(yàn)近似的仿真模型，分析面壓紙?jiān)谟蛪鹤饔孟录埢Σ疗膲毫Ψ植?，如圖4、圖5所示。

圖4 優(yōu)化前后1號(hào)面壓紙仿真結(jié)果對(duì)比

圖5 優(yōu)化前后2號(hào)面壓紙的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

如圖4、圖5所示，仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析顯示：兩者貼合度較好，對(duì)偶端片厚度加大，摩擦片的面壓均勻性改善。

針對(duì)離合器的摩擦片偏載情況，建立離合器的有限元模型，針對(duì)對(duì)偶端片厚度，卡環(huán)內(nèi)外徑、寬度進(jìn)行優(yōu)化研究。

3 離合器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)及仿真分析發(fā)現(xiàn)，靠近卡環(huán)的1號(hào)對(duì)偶片的剛度、卡環(huán)與對(duì)偶片的接觸寬度、卡環(huán)厚度幾個(gè)重要參數(shù)對(duì)離合器的性能具有重要影響。由離合器臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1號(hào)對(duì)偶片容易發(fā)生變形，對(duì)摩擦片壓力影響最大，如圖6所示。

圖6 1號(hào)對(duì)偶片的臺(tái)架試驗(yàn)拱形變形圖

針對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

表1 對(duì)偶片計(jì)算方案設(shè)計(jì) mm

3.1 1號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)偏載的影響

首先在其他結(jié)構(gòu)不變的條件下，分析1號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)離合器面壓的影響。

如圖7所示：隨著1號(hào)對(duì)偶片厚度的增加，摩擦片1和2的接觸壓力逐漸下降，接觸壓力更均勻。

圖7 1號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)摩擦片最大壓力的影響

如圖8所示：隨著對(duì)偶片厚度的增加，摩擦片1的外圈壓力逐漸下降，內(nèi)圈壓力逐漸上升，摩擦片的接觸狀況逐漸得到改善。在滑摩時(shí)有更多的區(qū)域參與摩擦傳遞扭矩。

圖8 1號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)摩擦片1壓力的影響

如圖9所示：隨著1號(hào)對(duì)偶片厚度的增加，2號(hào)摩擦片的外圈最大壓力逐漸下降，內(nèi)圈最低壓力逐漸上升，接觸壓力的分布梯度得到改善。

圖9 1號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)摩擦片2壓力的影響

3.2 2號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)偏載的影響

在其他結(jié)構(gòu)不變條件下，分析2號(hào)對(duì)偶片厚度的大小對(duì)摩擦片接觸壓力的影響。

如圖10所示：隨著2號(hào)對(duì)偶片厚度的增加，1號(hào)摩擦片的外圈最大壓力逐漸上升，接觸狀況條件惡化，2號(hào)摩擦片隨著對(duì)偶片厚度的增加外圈最大壓力逐漸減小。

圖10 2號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)摩擦片壓力的影響

如圖11所示：2號(hào)對(duì)偶片厚度增加后，1號(hào)摩擦片外圈最大壓力上升，有惡化的傾向。設(shè)計(jì)時(shí)2號(hào)對(duì)偶片在滿足熱容量的前提下，較小厚度有利于改善摩擦片接觸條件。

圖11 2號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)摩擦片1壓力的影響

如圖12所示，增加2號(hào)對(duì)偶片厚度有利于改善2號(hào)摩擦片的接觸狀況。

圖12 2號(hào)對(duì)偶片厚度與摩擦片2壓力

3.3 3號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)偏載的影響

在其他條件不變下，分析3號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)摩擦片接觸壓力的影響關(guān)系。

如圖13所示：3號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)摩擦片的靜接觸壓力無明顯影響，基本維持在一個(gè)水平位置。從這一角度出發(fā)，設(shè)計(jì)時(shí)3號(hào)對(duì)偶片只需要滿足熱容量即可，可采用較小的厚度實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

如圖14所示：3號(hào)對(duì)偶片厚度對(duì)接觸壓力的影響較小，對(duì)接觸壓力的改善幾乎無影響。設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)降低該對(duì)偶片的厚度來獲得緊湊的結(jié)構(gòu)。

圖13 3號(hào)對(duì)偶片厚度與摩擦片壓力

圖14 3號(hào)對(duì)偶片厚度與摩擦片接觸壓力

4 卡環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

卡環(huán)作為濕式多片離合器中的定位元件，其結(jié)構(gòu)對(duì)整體的力學(xué)特性具有重要影響?？ōh(huán)的一側(cè)與離合器外支架的卡環(huán)槽側(cè)面接觸，一側(cè)與對(duì)偶片接觸。在活塞作用下，卡環(huán)承受軸向載荷，由于對(duì)偶片寬度大于卡環(huán)寬度，形成局部支撐，導(dǎo)致對(duì)偶片內(nèi)外圈變形量出現(xiàn)差別，對(duì)滑摩產(chǎn)生影響，因此對(duì)卡環(huán)與對(duì)偶片的接觸寬度、卡環(huán)厚度進(jìn)行分析?？ōh(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：卡環(huán)與對(duì)偶片的接觸寬度(卡環(huán)內(nèi)徑的大小)、卡環(huán)寬度、卡環(huán)開口距離等。計(jì)算方案見表2。

表2 卡環(huán)計(jì)算方案設(shè)計(jì) mm

4.1 卡環(huán)厚度

在其他結(jié)構(gòu)不變條件下，分析不同卡環(huán)厚度對(duì)摩擦片接觸壓力的影響?？ōh(huán)厚度增加，卡環(huán)自身的支撐剛度增加。

如圖15所示：隨著卡環(huán)厚度的增加，1號(hào)和2號(hào)摩擦片的接觸壓力均逐漸降低，但效果不如1號(hào)對(duì)偶片厚度增加帶來的效果。

4.2 卡環(huán)內(nèi)徑

其他結(jié)構(gòu)不變條件下，分析不同卡環(huán)內(nèi)徑對(duì)接觸狀況的影響?？ōh(huán)內(nèi)徑越大，接觸寬度越小，支撐剛性越差。如圖16所示，隨著卡環(huán)內(nèi)徑增大，1號(hào)和2號(hào)摩擦片外圈最大壓力均逐漸增大，也就是卡環(huán)與對(duì)偶片的接觸寬度越大，摩擦片的接觸有惡化趨勢(shì)。

圖16 卡環(huán)內(nèi)徑對(duì)摩擦片壓力的影響

5 結(jié)論

增大對(duì)偶端片厚度，能同時(shí)改善兩個(gè)摩擦片的接觸狀況，降低摩擦片內(nèi)外圈的壓力差，有利于提高摩擦片的最大滑摩扭矩。

增大中間對(duì)偶片厚度，惡化了1號(hào)摩擦片的接觸條件，改善了2號(hào)摩擦片的接觸條件，但由于1號(hào)摩擦片接觸狀態(tài)較2號(hào)摩擦片更惡劣，壽命取決于1號(hào)摩擦片，整體上卻降低了離合器的壽命。增加3號(hào)對(duì)偶片的厚度，對(duì)兩個(gè)摩擦片的接觸幾乎無影響。

增加卡環(huán)厚度有利于摩擦片的接觸，內(nèi)外圈壓力差降低；增加卡環(huán)內(nèi)徑(減小卡環(huán)與對(duì)偶片的接觸寬度)同樣有利于摩擦片接觸的改善。