敏感的自動變速器離合器鋼片

在汽車自動變速器中，一個關鍵的性能件就是離合器，它的作用是為能量從一個運動件向另一個靜止或不同運動速度的零件提供機械的傳遞。而實現這些傳遞的功能性零件就是構成離合器的摩擦片和它的對偶片——鋼片。

大多數人都會認為鋼片在離合器中的重要性比較低，而且零件簡單，但是實際情況并非如此。在離合器的所有故障現象中，燒蝕是最常見的。而所有的離合器燒蝕都是以鋼片出現間隔性的黑色斑點為初始征兆，這些黑斑我們稱之為熱點(圖1)。不少人知道一旦鋼片上出現了熱點就需要更換了，但是并不知道出現黑斑的原因。

離合器在工作中僅承受垂直于摩擦表面的正向力，所以盡管摩擦片上的摩擦材料是紙基的而且很軟，但是由于零件只是在摩擦面上垂直受力所以摩擦材料不會被撕裂。同樣鋼片的受力也是如此，而且由于鋼片是剛性體，所以只要鋼片是平的并且正向的作用力作用均勻垂直，鋼片各處的摩擦作用就是均勻的。

如果我們使用輪廓儀(粗糙度儀)來測量一塊鋼板的表面，會發現原來微觀的鋼板表面并不是平的。如圖2所示，在測量的6.35mm長度上，最高點竟然比基準面高出了0.381μm, 而最低點也超出了0.254μm。這只是一個例子，它說明鋼板的表面是粗糙的，在機械行業中我們用粗糙度來描述一個鋼板表面粗糙的程度，它的定義是對于在一定長度內測得的十點高低點的數值進行算術平均，其值Ra(十個點的正負值相加再除以十)就是所測表面的粗糙度，它的單位是μm。

既然鋼板表面存在高點，那么這些高點在摩擦時就會因為高出別的地方而承受更多的壓力，這些受壓力大的點在摩擦時就會產生比別處更多熱。按照物質熱脹冷縮的定律，這些點會膨脹，而它們膨脹的傾向就是增高。所以越磨越熱，越熱越脹，越脹越高，越高壓力越大，最后過熱燒黑，燒毀摩擦片。同時，當鋼片上的熱不能有效地排出時，由于熱效應，鋼片本身開始膨脹變形，這時軋制和沖壓而蓄積在鋼片內部的應力也開始釋放。但是由于鋼片是一個封閉的圓形，所以內應力分別自鋼片的外徑和內徑向兩個相反地方向釋放造成鋼片的漏斗形形變。這就是鋼片燒蝕和變形的全過程。所以鋼片不是隨便用鋼板沖壓就可以的。

專業廠家對于鋼片的表面要特殊處理，還要釋放其加工形成的內在應力。此后，鋼片的微觀高點會變得趨于一致并且沒有了刀尖式的尖峰點。但是如同機械加工存在公差一樣，這只是相對的，一旦離合器的工作條件偏離了原設計設定的條件范圍或者壓力變得不均勻，熱點和變形就會立即出現。對于專業廠商的鋼片來說，對于尖峰點和內應力的有效控制，其耐受的熱條件比沒有尖峰和應力控制的產品更寬。

為了降低離合器燒蝕的風險，擴大離合器工作條件的范圍，今天的離合器摩擦材料更多地選用軟式的紙基摩擦材料(圖3)。由于鋼片表面的微觀尖峰在進行表面處理時已經得到控制，所以軟的、更富有彈性的紙基摩擦材料就能提供給鋼片更多地摩擦面積，從而減小微觀高點的受力。對于經常不更換鋼片的維修市場來說，由于有的鋼片可能已經發生微小形變或出現熱點病灶而未被發現，所以相對更軟些的摩擦材料就更能補償這些微小變化。

沒必要擔心軟的紙基摩擦材料會不結實，由于摩擦片只是受垂直于摩擦面的正向力，因此摩擦材料是不會撕裂的。事實上使用時在摩擦片的摩擦紙和鋼片的鋼表面之間有一個薄薄的油膜，它產生并保持了摩擦片和鋼片間的強有力的接合。這一油膜產生的結合使得離合器組可以完成上千次的離合而不產生磨損。摩擦紙由于并不和鋼片產生物理接觸所以理論上不會出現磨損。這就是為什么一個已運行了100000km的變速器，它里面有的摩擦片厚度與出廠時仍然一致。