濕式離合器摩擦副摩擦特性機理探究

韓旭鑫

畢業(yè)于武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，本科學(xué)歷?，F(xiàn)就職于東風(fēng)鼎新動力系統(tǒng)科技有限公司技術(shù)中心，任離合器及液壓設(shè)計組長，主要研究方向為乘用車變速箱濕式雙離合器系統(tǒng)、新能源電驅(qū)動減速箱液壓系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用。

摘" 要：雙離合器系統(tǒng)的摩擦系數(shù)決定了雙離合變速箱的扭矩傳遞特性，結(jié)合某款成熟型號濕式雙離合器，從流體力學(xué)和機械分子學(xué)說角度，闡述了離合器摩擦副的工作原理，并分別分析了摩擦系數(shù)隨滑差增加而變大和隨壓力增加而減小的機理，為離合器設(shè)計開發(fā)、標(biāo)定控制和相關(guān)抖動問題分析提供了理論基礎(chǔ)。針對某車型開發(fā)階段由于摩擦系數(shù)失效導(dǎo)致的抖動問題，運用運動學(xué)模型分析了相關(guān)失效原理，并通過離合器摩擦系統(tǒng)實驗進行了失效確認(rèn)，進一步驗證了濕式雙離合器的摩擦系數(shù)特點和機理。

關(guān)鍵詞：濕式雙離合器;摩擦系數(shù);滑摩;壓力;抖動

中圖分類號：U463.211" " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2022）04-0084-05

Mechanism Study of Wet Clutch Friction Pairs

Friction Characteristic

HAN Xu-xin， WU Na， WANG Xi-wen， ZHU Li-dan， CHEN Long

（ Dongfeng Dinsin Powertrain Technology Co.， Ltd. Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： Torque-transfer characteristic of dual clutch transmission is depended on the dual clutch system friction characteristic， based on one type of wet dual clutch product in serial production status， the friction behavior indicates that， within certain degree the friction coefficient of wet clutch improves with slip speed level up and pressure level down according to fluid mechanics and mechanical molecular theory. Regarding to the judder problem during one type of vehicle development process caused by abnormal friction behavior， by analyzing the failure model with kinematics model and confirmation with special friction test， the wet dual clutch friction characteristic and mechanism is future verified.

Key Words：" Wet Dual Clutch; Friction Coefficient; Slip; Pressure; Judder

近年來雙離合變速箱因其優(yōu)異的動力性和經(jīng)濟性逐漸被大家關(guān)注，其中濕式雙離合器變速箱更是占據(jù)主流。作為變速箱的核心部件之一，探究和了解濕式雙離合器摩擦副的摩擦機理是我們了解和運用離合器的關(guān)鍵。

1" " 濕式離合器摩擦副結(jié)構(gòu)

區(qū)別于干式離合器的干燥無油工作環(huán)境，濕式離合器工作時浸泡在油液之中，并以油液作為摩擦副的重要介質(zhì)。某款濕式雙離合器結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示，內(nèi)外兩個離合器分別對應(yīng)兩組摩擦副。

其摩擦副由對偶鋼片、摩擦片和位于二者之間的油膜共同組成。典型結(jié)構(gòu)可簡化至如圖2所示，可以看到，對偶鋼片和摩擦片交替層疊布置，離合器工作時，在壓力和二者接觸面之間油膜的配合下，建立摩擦產(chǎn)生摩擦力，從而傳遞扭矩。

在起步和換擋過程中，所對應(yīng)的離合器對偶鋼片和摩擦片之間會存在相對滑動，我們將此稱之為滑摩，將二者的相對滑動轉(zhuǎn)速差稱之為滑差。由于內(nèi)外離合器具有相同的設(shè)計原理和功能，本研究僅選取內(nèi)外離合器中的一個摩擦副進行研究。

2" " 濕式離合器摩擦副摩擦特性機理

我們知道動態(tài)摩擦系數(shù)并非一成不變，而是會受到外界條件影響，其中最主要的影響因素有溫度、壓力和相對運動速度即滑差。濕式離合器摩擦副之間存在油膜，由于溫度涉及到油膜油品性質(zhì)的變化，本文對溫度和油品類型對摩擦系數(shù)的影響暫不做探究。

2.1" "滑差對動態(tài)摩擦系數(shù)的影響

油膜作為摩擦副的重要介質(zhì)，可作為分析對象，從流體力學(xué)的角度進行分析，可將圖2摩擦副中油膜流體運動模型簡化如圖3所示，圖3所示為一平板流體模型，其中下平板固定，上平板相對運動，上下平板分別相當(dāng)于兩個摩擦平面，兩平板之間充滿油膜介質(zhì)。

根據(jù)流體力學(xué)牛頓流體內(nèi)摩擦定律，兩相鄰平板之間流體內(nèi)液層摩擦力具有以下特點，即相鄰液層之間內(nèi)摩擦力與液層接觸面積和液層之間速度梯度成正比，即：

（1）

式中，T為相鄰液層之間內(nèi)摩擦力;η為油液的動力粘度，該參數(shù)由液體性質(zhì)和液體所處溫度和壓強環(huán)境決定，溫度越低該參數(shù)越低，而壓強只有在超過50Mpa時才會對該參數(shù)有顯著影響，本文研究的離合器最高工作壓強只有1.5Mpa;v為相對運動速;A為摩擦面積，即對偶鋼片和摩擦片宏觀摩擦接觸面積;h為油膜厚度。

在工作時，在一定壓力作用下，油膜介質(zhì)的厚度相對兩平板尺寸而言很小，可將油膜簡化為單一液層，因此（1）可簡化為：

（2）

顯然由（2）可知，在一定條件下，油膜所受摩擦力與兩平板之間相對運動速度即滑差呈正相關(guān)關(guān)系，根據(jù)牛頓第三定律，平板所受摩擦力也與滑差呈正相關(guān)。對于某一成熟離合器產(chǎn)品而言，摩擦面積等幾何參數(shù)是固定的，摩擦力就是摩擦系數(shù)的體現(xiàn)，因此，在外界條件一定時，摩擦副的動態(tài)摩擦系數(shù)與滑差也呈正相關(guān)關(guān)系。

2.2" "壓力對動態(tài)摩擦系數(shù)的影響

摩擦副接觸面并不是絕對理想的平整光滑面，摩擦副微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示，上下兩個摩擦面分別代表離合器的摩擦片和對偶鋼片，對偶鋼片的表面粗糙度相對于摩擦片而言要理想很多，兩個摩擦表面之間存在凹凸不平的微觀接觸，油膜存在于該間隙之中，壓力會影響該微觀接觸狀態(tài)，從微觀的機械分子學(xué)說對摩擦副上平板進行受力分析。

則摩擦力為：

T=μ'（N+N'）" " " " " " " " " " （3）

式中，μ'為微觀接觸面的動態(tài)摩擦系數(shù)，與表面粗糙度有關(guān);N為摩擦面正壓力;N'為摩擦面之間分子吸力的合力，摩擦面越光滑，接觸面積越大，分子吸力越大;

如果，用A'表示考慮微觀后的實際接觸面積，用F'表示單位面積上的分子吸引力，則

N'=A'F'" " " " " " " " " " " " " " "（4）

而在我們的計算中，微觀狀態(tài)往往難以直接量化，通常只考慮宏觀參數(shù)，因此摩擦力通常被表述為：

T=μN" " " " " " " " " " " " " " " （5）

式中，μ為計算動態(tài)摩擦系數(shù)，這是我們宏觀計算中實際用到的摩擦系數(shù)，是我們本文研究的主要對象。

而正壓力N可表述為：

N=PA" " " " " " " " " " " " " " "（6）

式中，P為壓強;A為正壓力方向上的投影面積，這是我們實際宏觀計算中用到的面積。

聯(lián)立（3）、（4） 、（5）、（6）可得：

（7）

實際的實驗結(jié)果表明，在一定條件下，壓強P的增加會導(dǎo)致微觀實際接觸面積A'增加，但是壓強P的增加速度比微觀實際接觸面積A'快，且該款該離合器工作在低壓環(huán)境下，壓強P的增加對微觀接觸面的動態(tài)摩擦系數(shù)μ' 的影響十分有限，可忽略影響。

因此通過（7）可知，在其他條件一定的情況下，計算動態(tài)摩擦系數(shù)μ 隨正壓力增加而減小。

3" " 摩擦特性失效導(dǎo)致的抖動機理

我們引入經(jīng)典的滑塊模型來類比離合器工作原理，如圖5所示，其中滑塊處于皮帶輪上，與彈簧相連，皮帶輪可進行圖示的順時針勻速旋轉(zhuǎn)，并通過摩擦力帶動滑塊運動。在該模型中，皮帶相當(dāng)于離合器的輸入端，即發(fā)動機側(cè);滑塊相當(dāng)于離合器的輸出端，即輪端;而固定彈簧的拉力相當(dāng)于整車阻力;滑塊和皮帶輪之間的摩擦副相當(dāng)于濕式離合器的摩擦副。對滑塊進行滑摩方向受力分析如圖5所示。

其中，F(xiàn)e為發(fā)動機給變速箱的摩擦力，相當(dāng)于動力;Ff 為整車給變速箱的阻力。

當(dāng)皮帶輪從靜止到啟動運轉(zhuǎn)，由于接觸面摩擦力的存在，皮帶會將滑塊從完全靜止帶至運動狀態(tài)?；瑝K在運動過程中將會經(jīng)歷三個階段。

3.1" "初始階段

初始運動階段，當(dāng)滑塊與皮帶相對靜止，即二者之間不存在滑摩時，F(xiàn)e一直為靜摩擦力，且無論Fe和Ff 如何變化，F(xiàn)e始終大于Ff，給滑塊一個向右的加速度，帶動滑塊向右運動。

3.2" "平衡態(tài)

滑塊的運動將會帶動彈簧拉伸伸長，當(dāng)彈簧伸長至一定程度時，由于彈簧力Ff 的逐漸增大，總會出現(xiàn)一個彈簧力Ff 與滑塊所受摩擦力Fe相等的狀態(tài)，該臨界狀態(tài)稱之為平衡態(tài)。

3.3" "滑摩階段

當(dāng)滑塊繼續(xù)運動越過平衡態(tài)時，滑塊與皮帶之間必然會產(chǎn)生相對滑動，稱之為滑摩階段，二者相對運動速度稱之為滑差。由于動態(tài)摩擦系數(shù)會隨摩擦條件的變化而變化，因此隨相對運動狀態(tài)的改變，滑塊所受摩擦力Ff理論上存在三種狀態(tài)。

3.3.1 Fe= Ff

若滑動摩擦力Fe與之前靜態(tài)摩擦力Ff 相等，即動態(tài)摩擦系數(shù)不隨滑差變化，始終存在Ff =Fe，則滑塊將始終處于平衡狀態(tài)，滑塊無法被繼續(xù)加速，其運動狀態(tài)也將無法被改變。類比到傳動系統(tǒng)則輸出端將無法被加速。

3.3.2 Fe

若滑動摩擦力Fe相比之前靜態(tài)摩擦力Ff 小，則彈簧將會很快收縮，此時滑差逐漸加劇，這種情況下，無論Fe隨滑差變大還是變小，由于彈簧收縮，當(dāng)彈簧收縮到一定程度時，總會存在Fe>Ff 時，之后彈簧又會被拉伸，該過程將往復(fù)進行，無法穩(wěn)定。

3.3.3 Fe > Ff

若滑動摩擦力Fe相比之前靜態(tài)摩擦力大，則彈簧將會被繼續(xù)拉伸，此時滑差逐漸降低。

a）如果Fe隨之逐漸變大，彈簧會被持續(xù)拉伸，即動態(tài)摩擦系數(shù)隨滑差變小而變大，F(xiàn)f" 逐漸變大，最終Ff >Fe時，彈簧開始收縮，該過程將往復(fù)進行，無法穩(wěn)定。

b）如果Fe隨之逐漸變小，即動態(tài)摩擦系數(shù)隨滑差變小而變小，隨著彈簧拉伸，F(xiàn)f 會逐漸變大，F(xiàn)e與Ff" 會逐漸趨于平衡，最終達到一個穩(wěn)態(tài)。

綜上所述，只有3.3.3中的b）狀態(tài)能夠合理存在，即摩擦系數(shù)與滑摩轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，亦即dμ/dvgt;0，否則滑塊運動狀態(tài)將出現(xiàn)往復(fù)，類比到整車上即表現(xiàn)為扭矩或者轉(zhuǎn)速的往復(fù)波動特征。

4" " 濕式離合器摩擦副特性

表1是某款量產(chǎn)濕式雙離合器在實際生產(chǎn)中動態(tài)摩擦系數(shù)實驗的測試條件。

圖6是在表1測試條件下該雙離合器外離合器的動態(tài)摩擦系數(shù)水平實測表現(xiàn)。

從圖中曲線可以看出：

1）在壓力水平一定時，動態(tài)摩擦系數(shù)隨滑差變大而增大，反之;

2）在滑差一定時，動態(tài)摩擦系數(shù)水平隨壓力水平增高而減小，反之。

實際上，上述兩條規(guī)律就是濕式離合器摩擦特性的兩個重要基本性質(zhì)。

5" " 摩擦特性失效案列分析

工程開發(fā)中發(fā)現(xiàn)一類起步抖動故障，通過互換實驗已鎖定為離合器故障。故障具體表現(xiàn)為外離合器起步時，在滑摩階段，外離合器對應(yīng)輸入軸1出現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)速波動，利用FAMOS軟件對采集到的整車信號進行分析，如圖7所示：

sds_eng_spd_if＼XCP：1：發(fā)動機轉(zhuǎn)速

sds_ins_spd_if[0]＼XCP：1：輸入軸1轉(zhuǎn)速

通過MATLAB工具對采集信號進行傅里葉頻譜分析，如圖8所示，圖中曲線表示轉(zhuǎn)速信號的頻域，色譜代表故障信號的頻域，當(dāng)曲線變化與亮帶區(qū)域重合性完全一致時，說明該曲線代表的信號與故障信號具有關(guān)聯(lián)性。

Eng Order1：發(fā)動機頻域曲線

Ins0 Order1：輸入軸1頻域曲線

Slip1Order1：外離合器滑摩頻域曲線

圖8顯示，亮帶區(qū)域并沒有與任何一個信號完全重合，說明圖中信號均與故障表現(xiàn)無關(guān)。初步分析，推測該類故障與摩擦系數(shù)異常存在關(guān)聯(lián)性。對該問題離合器進行外離合器摩擦系數(shù)檢測，排查摩擦系數(shù)是否符合之前所述摩擦特性規(guī)律，實驗方法同表1，摩擦系數(shù)實測結(jié)果如圖9所示。

顯然，摩擦系數(shù)表現(xiàn)出隨滑摩轉(zhuǎn)速升高而降低的趨勢，與正常離合器的動態(tài)摩擦表現(xiàn)完全不一致，呈現(xiàn)dμ/dvlt;0的特點，根據(jù)3.3中運動學(xué)原理，這不可避免會在滑摩階段表現(xiàn)出扭矩或者轉(zhuǎn)速的往復(fù)波動。

6" " 結(jié)論

濕式離合器摩擦副的動態(tài)摩擦系數(shù)是扭矩傳遞和控制的關(guān)鍵參數(shù)。在一定條件下，其動態(tài)摩擦系數(shù)與滑差呈正相關(guān)，與壓力呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)該性質(zhì)不再保持時，將會在整車上出現(xiàn)抖動。該摩擦機理對離合器的設(shè)計開發(fā)、標(biāo)定控制和相關(guān)抖動問題分析提供理論支撐。

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專家推薦語

李少華

東風(fēng)商用車技術(shù)中心動力總成部

傳動系統(tǒng)總工程師" 研究員高級工程師

本文針對某車型開發(fā)階段出現(xiàn)的抖動問題論述了濕式雙離合器的摩擦系數(shù)特點和機理。文中內(nèi)容對離合器的設(shè)計開發(fā)、標(biāo)定控制和相關(guān)抖動問題分析提供了借鑒意義。