自動變速器濕式離合器片的失效形式與原因分析

賈鵬

恩斯克華納變速器零部件(上海)有限公司 上海市 201401

1 引言

當前常見的汽車自動變速器，包括傳統的AT、CVT變速器以及新式的DCT雙離合器變速器等都有用到離合器模塊，用于動力的切換、換擋、制動等。其中的濕式離合器片作為離合器組件的關鍵部分，直接影響變速器正常運轉和安全工作，需要其具備很好的穩定性、耐久性、和耐熱性。因此，熟悉離合器片的相關工作原理及其失效形式，對于自動變速器的離合器設計和故障分析非常重要。本文將主要論述濕式離合器片的失效形式及其發生原因。

2 濕式離合片的組成

如下圖1所示，濕式離合器片由摩擦片和與之相配合的對偶鋼片組成，其中起關鍵作用的是摩擦片，直接影響離合器的工作性能。摩擦片是由芯片和摩擦材料膠接組成，摩擦材料分多種，有干式和濕式兩種，這里主要分析目前廣泛應用的濕式紙基摩擦材料。紙基摩擦材料是一種復合材料，由高分子粘合劑、增強纖維、調節劑等組成。其特點是具有良好的摩擦特性、高耐熱性、耐磨性和機械強度。

3 工作原理

離合器的工作原理是通過液壓系統控制離合器的結合與分離，以實現離合器的動力傳遞、換擋、制動等功能。離合器的大致結構如下圖2所示，主要由摩擦片、對偶鋼片、驅動活塞、外殼、軸套、卡環等元件組成，外殼與軸套分別連接不同的單元。工作時在油壓作用下，活塞壓緊多個摩擦片和鋼片使其嚙合，依靠摩擦片的摩擦力矩或傳動元件的剛性結合傳遞能量，實現輸出不同扭矩和轉速，回油壓后則在彈簧力的作用下使摩擦片和鋼片分離，從而斷開接合，使外殼和軸套分別以各自形式運轉。

4 常見的失效形式及其現象

失效是指失去原設計所規定的功能，離合器片失效模式分為熱失效和機械失效。常見的失效形式主要有三種：離合器片的磨損、離合器片燒蝕以及摩擦特性的改變。下面分別對這三種失效形式及其現象進行說明。

4.1 摩擦片的磨損、剝離

摩擦片在工作過程中，如果選材不當或控制不良，摩擦材表面會發生劣化、磨耗，嚴重甚至發生碳化、剝離的現象，稱為磨損失效，如下圖3所示，摩擦材表面已磨光，出現碳化變黑。根據磨損情形不同可分為：熱磨損和機械磨損。熱磨損主要是由于離合器工作過程中產生的摩擦熱量過大，導致摩擦材料中的化學物質逐漸分解、碳化，使摩擦材表面油孔減少。隨著散熱能力的下降，磨損加劇，造成功能失效。機械磨損主要是由接觸引起，摩擦片在承受較大壓力情況下，負荷增大，在不斷的工作循環中摩擦材料厚度逐漸減少造成磨損失效。

圖1

4.2 摩擦片、對偶片的燒蝕

離合器接合過程由于摩擦作用將產生大量的熱量，當離合片承受的熱負荷超過其極限值時，鋼片表面將發生金屬相變，表面會出現點狀或片狀的燒損黑點，如下圖4所示，隨著熱量的聚集鋼片可能會發生彎曲變形。摩擦片的燒損與鋼片有所不同，一般摩擦材料承受的熱負荷要大于鋼片，所以通常發生燒片時鋼片會先燒損，當鋼片發生燒損后，繼續運行會導致熱負荷急劇增大，溫度達到一定值后將燒損摩擦材料，使摩擦材料表面碳化變黑，摩擦片變形，摩擦片的有效面積銳減，造成離合器喪失穩定性而失效。

圖2

圖3

4.3 摩擦特性改變

離合器片是靠摩擦傳遞動力，因此摩擦片的摩擦特性直接影響離合器的正常工作，摩擦片摩擦系數過高或過低都會影響變速器性能。如果摩擦特性發生變化，比如摩擦系數下降到一定值，則離合器正常工作所需的扭矩將不足，離合器不能正常嚙合，換擋時可能會出現打滑或者抖動的現象。摩擦系數過高不穩定的話，會產生沖擊，使離合器不能穩定正常的工作，嚴重時將引發失效。

5 失效原因解析

分析離合器片的失效原因，可以從外部因素和內部因素兩方面考慮。如下表所示，外部因素是指離合器片之外的因素，具體有油壓、離合器控制、潤滑、以及和離合器配合的對手件等因素。內部因素是指離合器片（摩擦片、鋼片）的自身因素。下面將對其進行具體分析。

5.1 外部因素

①離合器嚙合時如果油壓過大，將導致摩擦材的接觸面壓過大，摩擦材料容易發生磨損，經過長時間磨耗以后，摩擦片表面的氣孔將逐漸減少，摩擦特性下降從而失去摩擦功效。反之，如果作用的油壓或活塞推力不足時，離合器片嚙合時扭矩將不足，很容易發生滑動摩擦，使熱量急劇升高，引發燒損。

圖4

表1

②離合器設計時需要對其嚙合時間，嚙合時的速度，次數等進行控制，如果嚙合時間過長、嚙合時差速過大、嚙合次數過多都可能會使摩擦熱能過大，摩擦材料磨耗增大，超過其極限值從而引發燒片、磨損等。

③離合器片嚙合時，由于摩擦作用離合器片表面產生很大熱量，需要用潤滑油對其進行冷卻，如果冷卻油量不足或流量過小無法及時冷卻，將造成離合器片局部溫度過高，超出其臨界值引發燒損。此外如果使用的潤滑油劣化變質也將造成冷卻不良。

④關聯零部件是指與離合器片相配合的關聯零部件，包括活塞，卡環、離合器轂、軸套等。如果其位置、形狀設計不當、或者加工精度、剛性不能滿足要求的話，都可能會造成離合器片的失效。例如活塞形狀、卡環位置設計不當的話，將造成接觸不良，局部接觸面壓過高。如果是轂或軸的齒形設計不良或加工精度不足時，其與摩擦片、鋼片嚙合時齒形部位易滑動，造成局部溫度過大。此外如果是剛性不良的話，容易發生磨耗，另外也會造成局部壓力過大，這些都會引發離合器片的失效。

5.2 內部因素

①摩擦片的不良，具體包括摩擦特性不良、摩擦片強度不足、加工精度不足等。摩擦材料產品的關鍵，在于其具備優異的摩擦性能和耐熱、耐久性，能使自動變速箱的變速換擋平穩進行，可以說摩擦材料就是摩擦片的生命。摩擦特性的一個重要指標是摩擦系數，按摩擦狀態分為靜摩擦系數和動摩擦系數。根據離合器扭矩計算公式T=μFL（μ為摩擦系數，F為壓力，L為有效距離）可以發現，如果摩擦系數不足，則扭矩達不到要求值，離合器不能有效嚙合，將發生打滑，這時熱能迅速上升，造成摩擦片或鋼片燒損。

濕式摩擦材的另外一個重要特性是熱負荷性，可以承受一定的溫度。其散熱是通過油熱交換散熱，摩擦材料表面分布有大量油孔，同時摩擦片表面也會設計一定形狀的若干油槽，以保證潤滑油的充分潤滑。如果其散熱性不足，熱量聚集很容易使摩擦片和鋼片燒損。

摩擦材料還有一個重要特點耐磨性，需要一定強度。如果摩擦片強度不足，在離合器不斷的嚙合中，將承受持續的壓力和剪切力，摩擦材表面容易發生磨損，甚至剝離。

如果是摩擦片芯片剛性強度不足，則可能發生變形。

此外，摩擦片在加工時的精度控制非常重要，首先是安裝精度，為了保證穩定運行，加工時對其精度、誤差的控制需要特別注意，如果控制不當，將導致其功能失效。另外就是對厚度和平面度的精度控制，如果精度不足，可能會造成局部壓力分布不均，影響其功能。

②離合器工作過程中需要反復的接合與分離，在機械力與摩擦力作用下，對偶鋼片容易發生熱疲勞損壞，嚴重時可能是鋼片變形、破損。因此對于鋼材的選擇很重要，鋼材要求具有相應的剛性強度和耐熱性，如果選擇不當將使離合器功能失效，直接影響其壽命。

另外，對于鋼片的加工精度也有很高的要求，特別是厚度、平面度、粗糙度的精度控制。如果是厚度和平面度的不良，會使壓力分布不均，造成局部面壓過大。如果是粗糙度和硬度過大，容易引發摩擦片和與之相嚙合的對手件磨損。

6 結語

通過以上對離合器片失效原因的分析，可以發現其失效原因復雜多樣。在進行離合器設計時需要清楚的理解離合器片的工作原理，對其工作和潤滑情況進行合理有效的控制，另外就是選用符合條件的離合器片，控制各相關零件的加工精度對于離合器的設計成功非常重要。在進行離合器片故障分析時，需根據實際故障情況，從外因和內因兩方面進行排查，準確的找出問題點。