鋁制缸套濕式離合器極限滑摩轉(zhuǎn)矩測(cè)試研究

宿博康，唐長(zhǎng)亮，王立勇，劉曉波

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

0 引言

濕式離合器具有結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻效果好、可以承受較大功率和扭矩等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于履帶車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)中。濕式離合器是裝甲車(chē)輛動(dòng)力換擋的關(guān)鍵部件，隨著傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和功率密度的提高，現(xiàn)有濕式離合器經(jīng)常由于過(guò)載而發(fā)生打滑現(xiàn)象導(dǎo)致摩擦副過(guò)度磨損、局部燒損、鋼片翹曲等問(wèn)題而失效，成為車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的易損件之一[1]。現(xiàn)有的濕式離合器采用合金鋼材料，在戰(zhàn)車(chē)高機(jī)動(dòng)性的要求下，采用輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的緊迫性日益增強(qiáng)。為適應(yīng)新一代裝甲車(chē)輛對(duì)減重和變速箱功率密度提升的要求，尋找一種新型材料的缸套具有工程價(jià)值。

本項(xiàng)目研究了一種新型鋁合金材料離合器缸套，搭建了離合器摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)試臺(tái)架，并且對(duì)鋁合金缸套離合器包箱進(jìn)行滑摩轉(zhuǎn)矩測(cè)試，主要研究了抱死制動(dòng)狀態(tài)下雙副雙鋼片與雙副單鋼片兩種安裝條件下的離合器進(jìn)行負(fù)載測(cè)試，以檢驗(yàn)鋁制離合器缸套是否達(dá)到車(chē)用離合器所規(guī)定的產(chǎn)品狀態(tài)和主要性能，為以后的研究提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 濕式離合器摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

濕式離合器摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)試臺(tái)架主要由動(dòng)力裝置（變頻電機(jī)）、被試離合器包箱、液壓系統(tǒng)（泵站、控制及潤(rùn)滑油路），測(cè)試系統(tǒng)（壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器等）以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)這五部分組成（圖1）。

圖1 濕式離合器摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)試臺(tái)結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)臺(tái)采用的是SIEMENS 235 kW 變頻調(diào)速電機(jī)，其最高輸出轉(zhuǎn)速為4500 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1500 N·m，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍為0～1500 r/min。被試離合器包箱中的離合器缸套采用了航空鋁合金材料，包箱內(nèi)部如圖2 所示。控制用油和潤(rùn)滑用油均由一個(gè)移動(dòng)式液壓泵站提供，該泵站可提供雙路液壓系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中使用一路液壓油作為控制油路，負(fù)責(zé)提供離合器接合時(shí)所需要的接合油壓，另外一路作為潤(rùn)滑油路，負(fù)責(zé)給離合器摩擦副和包箱內(nèi)軸承提供潤(rùn)滑冷卻（圖3）。泵站供給的潤(rùn)滑油壓力和控制油壓力如下：潤(rùn)滑油壓0～0.3 MPa，流量6～15 L/min；控制油壓0～1.6 MPa。

在測(cè)試過(guò)程中，主要監(jiān)測(cè)電機(jī)輸出功率和扭矩值，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用FTIS 公司的齒盤(pán)式扭矩儀，扭矩儀額定測(cè)量范圍0～2000 N·m，最高可測(cè)轉(zhuǎn)速為12 000 r/min（圖4）。為了滿(mǎn)足多路采集信號(hào)的需求，本次試驗(yàn)基于PLC 技術(shù)開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要采集電機(jī)的輸出功率和扭矩。

圖2 濕式離合器包箱內(nèi)部

2 新型濕式離合器滑摩轉(zhuǎn)矩測(cè)試

主要研究離合器最大滑摩轉(zhuǎn)矩及考核鋁質(zhì)缸套的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。試驗(yàn)通過(guò)濕式離合器摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)試臺(tái)開(kāi)展，進(jìn)行兩種不同摩擦副安裝條件下的離合器負(fù)載測(cè)試，即抱死制動(dòng)狀態(tài)下雙副雙鋼片與雙副單鋼片安裝條件下的極限滑摩轉(zhuǎn)矩測(cè)試。

2.1 測(cè)試步驟

圖3 液壓泵站

圖4 齒盤(pán)式扭矩儀

打開(kāi)測(cè)試軟件，對(duì)電機(jī)變頻器進(jìn)行設(shè)置，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定值；打開(kāi)泵站與回油泵，讓潤(rùn)滑油液正常循環(huán)；調(diào)節(jié)潤(rùn)滑壓力和潤(rùn)滑流量到規(guī)定值，調(diào)節(jié)離合器控制油壓到規(guī)定值；制動(dòng)器加壓制動(dòng)；手動(dòng)控制離合器結(jié)合油壓，結(jié)合操作開(kāi)始的同時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；當(dāng)離合器持續(xù)滑摩達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，開(kāi)始分離，制動(dòng)器泄壓，數(shù)據(jù)記錄結(jié)束。如此往復(fù)進(jìn)行多次測(cè)試。

2.2 兩種安裝方式

選取抱死制動(dòng)狀態(tài)下雙副雙鋼片與雙副單鋼片安裝方式，其他試驗(yàn)條件不變的情況下，進(jìn)行滑摩接合實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 雙副雙鋼片滑摩轉(zhuǎn)矩測(cè)試

采用抱死型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖如圖5 所示，實(shí)物照片如圖6 所示，摩擦片和鋼片安裝如圖7 所示。

測(cè)試中初始油溫為20 ℃，潤(rùn)滑油壓0.20～0.25 MPa，潤(rùn)滑流量在6～10 L/min 范圍調(diào)整，接合油壓為1.2～1.6 MPa，不夠穩(wěn)定，但處于此范圍內(nèi)。調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速為1029 r/min，液力變矩器閉鎖，ZF592 變速箱設(shè)置為1 擋，則離合器輸入轉(zhuǎn)速為300 r/min。測(cè)試時(shí)，離合器接合與滑摩時(shí)間為4～7 s/次。

2.2.2 雙副單鋼片滑摩轉(zhuǎn)矩測(cè)試

圖5 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)

圖6 試驗(yàn)臺(tái)架

圖7 摩擦副安裝示意

圖8 摩擦副安裝示意

測(cè)試仍采用抱死型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)與上述試驗(yàn)結(jié)構(gòu)一樣，為了進(jìn)一步測(cè)試極限載荷下鋼片與缸套“嚙合接觸特性”，采用圖8 的摩擦片和鋼片布置方案，將其中2 個(gè)鋼片的外齒線(xiàn)切割去除，第三個(gè)鋼片居中放置。此種安裝，將測(cè)試一對(duì)摩擦副下的承受極限載荷狀態(tài)的特性。

本組試驗(yàn)條件與上述試驗(yàn)一致，進(jìn)行滑摩接合實(shí)驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.3.1 雙副雙鋼片滑摩轉(zhuǎn)矩測(cè)試

為了避免測(cè)試中的偶然性，進(jìn)行了大量的重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖9～圖10。圖9 為變速箱1 擋，離合器輸入轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，滑摩轉(zhuǎn)矩與功率曲線(xiàn)圖，圖10 為相應(yīng)的帶排功率與油溫曲線(xiàn)圖。

從圖9 可以看出，離合器輸入轉(zhuǎn)速300 r/min 時(shí)，測(cè)得滑摩峰值功率73.0 kW，峰值扭矩為2263.80 N·m，滑摩峰值功率與滑摩峰值轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)是一致的，隨著滑摩次數(shù)的增加，兩者波動(dòng)明顯，但基本處在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)；帶排功率與帶排轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)也一致，而且隨著滑摩次數(shù)的增加，逐步穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)。

圖9 功率與轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)

圖10 帶排功率與油溫曲線(xiàn)

觀(guān)察圖10 可以發(fā)現(xiàn)，隨著滑摩次數(shù)的增加，潤(rùn)滑油箱中的油溫一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從20 ℃增加到90 ℃；采用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量，離合器中的油溫已達(dá)到100 ℃；隨著油溫的增加，帶排功率和帶排轉(zhuǎn)矩逐漸下降，帶排功率從19 kW 降到5 kW 左右，帶排轉(zhuǎn)矩從590 N·m 降低到150 N·m。這說(shuō)明油溫越大，帶排功率與帶排轉(zhuǎn)矩越小。

拆解后，觀(guān)察摩擦片以及缸套未發(fā)現(xiàn)明顯損壞和變形。

2.3.2 雙副雙鋼片滑摩轉(zhuǎn)矩測(cè)試

進(jìn)行了大量的重復(fù)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理處理，如圖11 所示為變速箱1 擋，離合器輸入轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)滑摩功率與扭矩變化圖。

觀(guān)察圖11 可知，離合器輸入轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)，多次測(cè)得滑摩峰值功率為76.87 kW，峰值扭矩為2371.4 N·m；在第7次滑摩接合過(guò)程中，峰值扭矩達(dá)到1900 N·m，導(dǎo)致聯(lián)軸器斷裂；在第53 次滑摩接合過(guò)程中，峰值扭矩達(dá)到2400 N·m，開(kāi)箱后發(fā)現(xiàn)居中安裝的“有齒”鋼片發(fā)生嚴(yán)重?zé)g翹曲，并且缸套出現(xiàn)磨痕（為無(wú)齒鋼片旋轉(zhuǎn)磨損）。由于試驗(yàn)離合器安裝時(shí)，采用了2 個(gè)無(wú)齒鋼片，滑摩試驗(yàn)時(shí)，無(wú)齒鋼片外周與缸套內(nèi)壁發(fā)生滑動(dòng)摩擦，造成了一圓周磨痕，通過(guò)測(cè)量可知，磨痕深度約0.5 mm，寬度略大于鋼片厚度，約為2～3 mm。

3 結(jié)論

圖11 功率與扭矩曲線(xiàn)

（1）抱死制動(dòng)狀態(tài)下，雙副雙鋼片安裝時(shí)滑摩峰值扭矩為2263.80 N·m，雙副單鋼片安裝時(shí)滑摩峰值扭矩為2371.4 N·m，滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。

（2）滑摩峰值功率與滑摩峰值轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)一致，隨著滑摩次數(shù)的增加兩者波動(dòng)明顯，但基本處在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)；油溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，帶排功率與帶排轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

（3）鋁質(zhì)缸套離合器在極限轉(zhuǎn)矩條件下強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，未出現(xiàn)明顯磨損。