液力自動變速器離合器鋼片溫度差異分析及優(yōu)化

白景峰 樊立桃 紀曉輝 田廣召 柳彥濤

摘? 要：為解決某液力自動變速器離合器在某些特殊工況下的過熱及鋼片間溫度差異問題，通過對離合器進行滑摩工況的臺架測試，結(jié)合離合器溫升機理的分析與計算，提出改善離合器殼體結(jié)構(gòu)的整改方案。結(jié)果表明，該措施有效提升離合器潤滑油液分布，不同摩擦片間的分布差異由37%降低至17%，且鋼片間溫度差異由36℃降低至10℃，有效降低離合器耐熱性能。

關鍵詞：液力自動變速器；過熱；溫升；潤滑

中圖分類號：U463.211+.2? ? ?文獻標識碼：B? ? ?文章編號：1005-2550（2023）02-0039-04

Analysis and Optimization of Clutch Steel Plates Temperature Difference for AT transmission

BAI Jing-feng， Fan Li-tao， Ji Xiao-hui， Tian Guang-zhao， Liu Yan-tao

（ HYCET Transmission Technology Hebei Co.， Ltd.， Baoding 071000， China）

Abstract： In order to solve clutch over heat and difference with different steel plates issue for AT transmission in special condition. Based on clutch test in test bench and clutch temperature increasing method， provide to optimize clutch housing structure. Test result show， the structure will improve clutch lube flow distribution. The difference of friction plate will reduce to 17% from 37% and the difference of steel plate reduce to 10℃ from 36℃， will increase clutch heat resistance.

Key? Words：? AT Transmission; Overheating; Temperature Rise; Lube Flow

白景峰

畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學，碩士研究生學歷?，F(xiàn)就職于蜂巢傳動科技河北有限公司，任濕式離合器設計組長，主要研究方向為自動變速器濕式離合器系統(tǒng)設計開發(fā)與應用。

引? ?言

液力自動變速器（AT）由于其動力性能充足、換擋性能優(yōu)越及換擋策略簡單等優(yōu)點，被廣泛應用于各個整車企業(yè)生產(chǎn)中。

液力自動變速器主要由行星排機構(gòu)、離合器機構(gòu)、制動器機構(gòu)、液力變矩器和電液控制模塊等零部件構(gòu)成。而離合器機構(gòu)和制動器機構(gòu)作為液力自動變速器換擋構(gòu)成的關鍵零部件，其性能將嚴重影響變速器整體換擋性能，其離合器及制動器在換擋或某些特殊工況中，離合器及制動器處于滑摩狀態(tài)，在離合器滑摩過程中，由于扭矩加載會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量若不能被潤滑油液及時帶走，將導致摩擦片及鋼片溫度迅速升高，從而造成離合器鋼片及摩擦片發(fā)生熱斑、翹曲、粘結(jié)等問題，從而造成車輛換擋性能異?；蜍囕v無法行駛等問題，引起顧客抱怨[1-2]。

本文針對某液力自動變速器中的某一離合器（如圖1所示）進行鋼片溫度采集、問題分析、整體原因分析及樣件整改方案，為解決離合器過熱問題，提升離合器潤滑油液分布及利用率，進而對離合器耐熱性能提升起到一定積極作用。

1? ? 離合器溫度變化基本理論

離合器熱量產(chǎn)生主要為離合器摩擦片及鋼片間存在滑摩轉(zhuǎn)速，當離合器傳遞扭矩時，離合器摩擦片及鋼片間將產(chǎn)生滑摩能量。所產(chǎn)生的滑摩能量主要通過熱傳遞、熱傳導和熱輻射散出，其中熱傳遞是通過潤滑油將摩擦副間的熱量帶走，熱傳導為離合器摩擦副通過和離合器殼體接觸將熱量傳遞至離合器殼體上，此部分熱量較少，通常計算過程中忽略不計，熱輻射為摩擦副產(chǎn)生的熱量傳遞到周圍環(huán)境中，同樣在計算過程中多數(shù)不進行考慮。

1.1? ?摩擦副熱量計算

根據(jù)滑摩原理[3]。濕式離合器摩擦產(chǎn)生的熱量如下公式所示：

式中：

Q：摩擦副滑摩產(chǎn)生的熱量（kJ）；

Tcl：摩擦副間滑摩扭矩（Nm）；

nslip：摩擦副滑摩轉(zhuǎn)速（rpm），nslip= n1-n2，其中n1為摩擦片轉(zhuǎn)速（rpm）n2為鋼片轉(zhuǎn)速（rpm）；

t：離合器滑摩時間（s）。

1.2? ?摩擦副產(chǎn)熱分配

摩擦片和鋼片滑摩過程中，產(chǎn)生的熱量會進入鋼片和摩擦片，造成二者升溫，熱流分配系數(shù)可以有效表示分別進入摩擦片及鋼片的熱量，具體依據(jù)下述公式進行計算[4]：

式中：

ρ：材料密度（g/mm3）；

C：材料比熱容（J/kg/K）；

λ：材料的熱傳遞系數(shù)（W/m/K）；

s：表示鋼片；

f：表示摩擦片。

依據(jù)上述公式（2）及摩擦片和鋼片材料基本特性計算可以得到K=26.01，即摩擦副產(chǎn)生熱量將3.7%傳遞至摩擦片，96.3%將進入鋼片中。

1.3? ?離合器熱對流模型

離合器摩擦副產(chǎn)生的熱量會被流動的潤滑油液帶走大部分熱量，且對流形式主要流動的為強制對流，流體的形態(tài)為層流流動。且離合器在滑摩狀態(tài)下，潤滑油液的流通主要通過摩擦片間的溝槽進行流動。

為研究離合器流動狀態(tài)對對流傳熱的影響，離合器熱計算過程中引入雷諾數(shù)計算公式[5/6]，具體公式如下所示：

Re=ρoil×v×l/λoil? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：

ρoil：油液密度（kg/m?）；

v：油液相對于鋼片的速度（m/s）；

l：溝槽冷卻油特性長度（m）；

λoil：冷卻油動力粘度（pa*s）.

流體層流狀態(tài)的特朗普系數(shù)Pr為：

Pr=Cp×λoil/k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中

Cp：油液比熱容（J/kg/K）；

k：冷卻油熱傳導系數(shù)（W/m/k）；

依據(jù)雷諾系數(shù)和特朗普系數(shù)，流體層流狀態(tài)平均努賽爾系數(shù)Nu為：

Nu=0.664×Re1/2×Pr1/3? ? ? ? ? ?（5）

依據(jù)努賽爾系數(shù)，溝槽內(nèi)冷卻油對鋼片對流換熱系數(shù)為：

h = k/l×Nu? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

依據(jù)上述公式（2-6）可計算得到對流換熱系數(shù)，并依據(jù)換熱系數(shù)計算鋼片溫度Ts，具體計算公式如下：

Ts = Q/（h×A）+Toil? ? ? ? ? ? ? （7）

式中

A：熱對流接觸面積（m?）；

Toil：油液溫度（℃）。

2? ? 離合器過熱計算及測量

2.1? ?離合器鋼片溫度測量及計算

由圖1中可知，離合器鋼片由左向右依次編號為Nr.1，Nr.2，Nr.3，Nr.4和Nr.5，其中Nr.1到Nr.4的鋼片內(nèi)部裝配溫度傳感器，進行離合器鋼片溫度測試，其測試工況如表1所示：

結(jié)合離合器溫度計算公式（1-7）及測試過程，可得到離合器溫升曲線如下圖所示：

由測量及計算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，離合器鋼片計算溫度集中與鋼片測量溫度Nr.1相似，均集中在95℃～108℃之間，但是測試結(jié)果顯示，Nr.2，Nr.3和Nr.4溫度集中與100℃～140℃之間，不同鋼片件溫度差距為36℃左右，鋼片間溫度差異較高。

2.2? ?鋼片溫度差異分析

經(jīng)過調(diào)整離合器潤滑流量進行計算，發(fā)現(xiàn)離合器潤滑流量降低后，理論計算曲線可趨近于Nr.2-Nr.4鋼片溫度范圍，如圖3所示。

因此，離合器不同鋼片間的溫度差異來自于離合器不同鋼片間的潤滑流量不均勻?qū)е?，同時進行潤滑流量CFD仿真進行潤滑流量分布計算，可得到不同離合器鋼片間潤滑流量占比，結(jié)果表明離合器鋼片溫升與潤滑流量成反比，溫升低的鋼片潤滑流量較高，溫升高的鋼片潤滑流量較低。潤滑流量占比結(jié)果如表2所示：

3? ? 離合器設計方案修正及驗證

3.1? ?潤滑流量不均問題分析

離合器殼體為離合器潤滑油路重要支撐，離合器殼體的設計尤為重要，當前離合器殼體設計采用油孔外部全部流通形式，未經(jīng)油孔進入摩擦副的潤滑流量將全部累積在離合器左側(cè)，并通過活塞的作用將潤滑油液回灌至第一個摩擦副之間，導致第一摩擦副潤滑油聚集，其他位置潤滑油液不足（如圖4所示），因此，改善離合器油孔及殼體結(jié)構(gòu)將成為改善離合器潤滑流量的關鍵因素。

3.2? ?離合器殼體改善方案

依據(jù)上述分析，為使更多潤滑流量均勻進入到不同摩擦片間，最直接措施是增加離合器殼體擋油功能，同時增大潤滑油孔。結(jié)合考慮離合器內(nèi)殼結(jié)構(gòu)強度，油孔由直徑3mm圓形油孔，修改至3×4.5mm的槽型油孔，同時在離合器殼體前端增加擋油裝置，如圖5所示。

3.3? ?改善方案驗證

經(jīng)CFD仿真分析，離合器殼體改善方案造成不同鋼片間的潤滑流量占比如表3所示：

通過試驗測試及校核計算，不同鋼片間的溫度差異降低至10℃左右（如圖6所示），由此可知，新設計方案離合器內(nèi)殼結(jié)構(gòu)對離合器潤滑具有顯著提升。

4? ? 結(jié)論

本文通過對離合器進滑摩能量臺架測試，結(jié)合離合器溫度變化理論模型，得到離合器不同鋼片間溫度差異的原因，并提出離合器內(nèi)殼改善方案。通過上述分析，本文可得到以下結(jié)論：

（1）鋼片溫度升高高低與鋼片間潤滑流量的大小成反比；

（2）通過改善離合器內(nèi)殼油孔結(jié)構(gòu)，使不同離合器鋼片間潤滑流量差異由36%降低至17%，提高離合器鋼片溫度均勻性；

（3）同時通過改善離合器結(jié)構(gòu)，使不同離合器鋼片的溫升差異由36℃降低至10℃，便于離合器過熱保護的穩(wěn)定性。

參考文獻：

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[2]司俊領.濕式離合器對偶鋼片溫度場數(shù)值仿真與試驗研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2020.

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[4]Kulkarni Manish， Shim Taehyun， Zhang Yi.? Modeling and Control for Launch and Shift of Dual Clutch Transmission Vehicles[A]. 17th? International Conference on Design Theory? and Methodology[C]. US：2005. 597-604.

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專家推薦語

李少華

東風商用車技術(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

本文通過對離合器進行滑摩能量臺架測試，結(jié)合離合器溫度變化仿真分析，得出離合器不同鋼片間溫度差異，從而分析出改善方案。文章對離合器溫升分析有很好的借鑒意義。