淺談汽車軸間粘性離合器匹配研究

楊樂肖 魏明遠

摘 要：隨著家用轎車及城市型SUV的普及，人們對汽車的乘坐舒適性要求越來越高，所以很多家用轎車及城市型SUV開始使用液體介質離合器作為汽車傳動系統軸間差速器使用，這樣很大程度上提高了汽車的通過性，同時又保證了汽車的舒適性。本文主要以城市SUV車型使用的粘性離合器為例，對工作原理及使用注意事項進行簡單闡述。

關鍵詞：離合器;速度差;粘性;硅油;摩擦片;扭矩

1 概述

粘性離合器屬于被動耦合器的一種形式，是通過感應作用在離合器裝置兩邊的轉速差自動實現鎖止，產生粘液剪切扭矩或鎖止扭矩。最常用的粘性離合器是一個完全封閉的腔體，內部充滿專用硅油，并包含兩組傳遞扭矩的摩擦片，一組外摩擦片和一組內摩擦片，其中一組外摩擦片連接腔體并通過傳動軸與分動器連接，另一組內摩擦片通過聯軸器殼體與后橋主減的主齒軸連接，通過內、外摩擦片轉速差剪切高粘度硅油，實現鎖止傳遞扭矩。

2 工作原理

粘性離合器通過外殼旋轉帶動外摩擦片轉動，再由外摩擦片旋轉帶動高粘度硅油轉動，利用硅油的剪切力帶動內摩擦片轉動，內摩擦片和聯軸器殼體連在一起，從而實現轉矩的傳遞。粘性離合器有兩種工作狀態：粘性工作狀態和駝峰工作狀態。一般情況下，粘性離合器工作在粘性工作狀態下，通過硅油的剪切力傳遞扭矩。內外摩擦片之間存在相對轉動，形成一定轉速差，這時充滿腔體的硅油就會產生剪切力。由于粘性離合器的硅油通常是清澈無毒的，額定粘度一般在5000至30萬里斯，粘度越大傳遞扭矩越大。在極端情況下，粘性離合器產生很高的轉速差，硅油的溫度不斷增加，硅油的膨脹系數也不斷增大，隨著很高轉速差持續一定時間后，硅油充滿整個腔體，腔內壓力隨之迅速增大，推動內外摩擦片緊靠在一起，產生金屬摩擦，使粘性離合器傳遞扭矩倍增，此現象被稱為駝峰工作狀態。

3 性能計算

下面以某款車型粘性離合器為例，計算其扭矩特性。

粘性離合器參數如下：①輸出轉矩：180Nm;②最大轉速差：ΔN =150rpm;③硅油填充率90%;④內摩擦片23片，外摩擦片24片，片間隙為0.19mm，組數：23.5，內摩擦片外半徑r1=0.0495m，外摩擦片內半徑r2=0.021m。

3.1 剪切轉矩

①初選常溫下粘度為6×104mm2/s硅油;

②根據計算公式混合硅油密度ρ=ρ1η0+ρg（1-η0） =970kg/m3，

式中，硅油填充率η0=90%，標準狀態下空氣密度ρg=1.293kg/m3，硅油密度ρ1=971kg/m3;

③最大剪切扭矩。

粘性離合器在剪切工作狀態下，根據公式得出極限工作溫度：

Tmp=9.675×（ΔN）0.5085=9.675×（150）0.5085=123.65℃。

在極限工作溫度下，根據經驗公式得出最大剪切扭矩：

=328Nm

式中，ρ——混合硅油密度，ρ=970kg/m3;

v0——硅油初始運動粘度，v0=6×104mm2/s;

Tmp——硅油瞬間溫度，Tmp=123.65℃;

σ——油膜厚度，取σ=0.0006m;

γB——參考硅油剪切率，γB=300σ-1;

ΔN——輸入和輸出端的最大轉速差：ΔN =180rpm;

n——硅油流動指數（硅油填充率η0=85%-90%時，取1.1）;

r1——內摩擦片外半徑，r1=0.0495m;

r2——外摩擦片內半徑，r2=0.021m;

a、b、c、d——常數，a=722.44;b=0.322×10-4;c=1.0037;d=2.4466

3.2 駝峰扭矩

①粘性離合器處于駝峰工作狀態時，根據經驗公式，其內部溫度：

式中，硅油體積熱膨脹系數β=0.00095（1/°C），T0=25°C=298K;

②根據經驗公式，粘性離合器內部壓力：

式中，空氣的初始狀態為：空氣壓力P0，空氣溫度TS。

③駝峰扭矩。

根據庫倫摩擦定律，粘滯離合器駝峰轉矩：

T=π·k·f·p·m·（r-r）

=×3.14×0.8825×0.012×8.382×23.5×（0.0495-0.021）569Nm

式中，內外摩擦片接觸系數k=0.8825，摩擦系數f=0.012。

4 設計及匹配總結

粘性離合器在設計及匹配過程中應該注意以下幾個關鍵點：

a內外摩擦片的片數、直徑和間隙，硅油的粘度、填充比例等對粘性離合器傳遞扭矩的性能有很大關系，需要在整車測試過程中不斷優化。b駝峰工作狀態發生的時間點能夠通過改變內腔空氣和硅油的填充比例進行調節，調節駝峰工作狀態，使粘性離合器盡在極端的情況下發生駝峰現象，而不是所有狀態下都發生。c對于裝有防抱死制動系統（ABS），應考慮與之兼容性，在離合器與車橋之間加裝離合機構，當汽車緊急制動時暫時斷開與車橋的連接，使車橋不受限制運轉。d由于生產過程中的制造、裝配等諸多因素，不能保證每個粘性離合器的特性都和設計目標一致，如果達不到預期的傳動效果，則汽車的性能會受到影響，所以標定粘性離合器扭矩特性時，必須同時考慮夏天和冬天兩種驅動情況，同時盡量將急轉彎時的影響降到最小狀態。

5 使用注意事項

粘性離合器是一種粘液離合器，通過摩擦片旋轉產生速度差，摩擦產生熱量進行工作，但在實際使用中應注意以下幾個事項：a在使用過程中不應長時間使粘性離合器處于工作狀態，當暫時無法脫困時中間應有足夠間歇，否則粘性離合器會因此產生過熱現象而燒毀。b汽車發生故障需要拖車時，應注意四輪要全部拖起，否則粘性離合器會因前后存在輪速差長期處于工作狀態而燒毀。

參考文獻：

[1]朱華衛.液體粘性聯軸器特性及其檢測方法研究[J].浙江大學碩士學位論文，2006.08.01.