混動變速箱濕式多片離合器結構優化研究

白建勇，徐章祿，張彤

(科力遠混合動力技術有限公司，上海 201501)

0 引言

濕式多片離合器是自動變速箱中重要的結合元件，用于兩個運動件之間的結合與分離。在混合動力變速箱中，包括離合器和制動器兩種類型的結合元件，在變速箱升擋和降擋過程中，伴隨著摩擦片和對偶鋼片頻繁的結合與分離，離合器元件的耐久性能對變速箱整體壽命具有重要影響。據統計，在裝載自動變速箱的汽車售后服務中，離合器出現故障的概率是最大的。目前針對離合器的研究主要包括帶排轉矩[1-3]、摩擦片的油槽結構散熱分析[4]、熱機耦合分析[5]、熱彈性不穩定[6]、摩擦噪聲理論分析，但針對卡環式離合器結構參數優化的研究相對較少。作者針對一型離合器在設計開發中的結構參數優化進行研究。

濕式多片離合器的摩擦片、對偶片、卡環和活塞的結構對離合器滑摩性能具有較大的影響，摩擦片與對偶片的接觸性能影響著滑摩扭矩的大小、滑摩時間、結構耐久性等關鍵因素[7]。因此針對混合動力變速箱中離合器對偶片、卡環優化，獲得最佳的接觸性能。

1 濕式多片離合器工作原理

卡環濕式多片離合器由活塞、卡環、摩擦片、對偶鋼片和離合器內外支架等部件構成。如圖1所示，由于采用卡環支撐自身的特點，在活塞擠壓對偶片夾緊摩擦片時，導致對偶片與摩擦片的內外圈的位移量不一致，摩擦片的外圈壓力大于內圈，結構設計合理時，適當的偏載有助于發揮離合器最大滑摩扭矩、縮減滑摩時間、有效提高對偶片耐久性；李樂等人[8]針對濕式離合器摩擦片建立了磨損系數K與時間的函數，通過試驗驗證了不同接觸比下的磨損量計算模型。當偏載嚴重時，較大局部壓力容易引起滑摩功率急劇增大，形成局部熱斑，加劇對偶片的熱彈性不穩定性，嚴重時對偶鋼片產生波浪狀的翹曲變形[9]，或導致摩擦片外圈的紙基材料脫落，接觸比率降低，整體壽命大大降低。

圖1 卡環濕式多片離合器結構原理

面壓偏載盡管不是直接導致離合器摩擦片燒蝕的原因，但離合器工作過程中，結構偏載導致離合器首先發生外圈接觸，對偶片和摩擦片的外圈位移量大于內圈，紙基材料外圈長時間在高壓力高剪切高溫作用下，容易發生脫落發黑，形成麻坑，外圈首先受到磨損，從外圈到內圈的接觸方式將導致外圈最容易發生剝落。紙基材料剝落后，接觸面進一步減小，接觸壓力增大，滑摩功率升高，更容易引起對偶片燒蝕。較大的壓差也不利于離合器最大滑摩扭矩的充分利用，無法實現設計的傳遞扭矩需求，因此改善偏載嚴重的離合器摩擦片的壓力分布，有利于提高離合器的使用壽命。

2 摩擦片面壓試驗與分析

離合器面壓試驗在離合器單體試驗臺上進行，將面壓紙剪裁好，夾持在離合器與摩擦片之間，加載油壓后，靜置5 min，拆下取出面壓紙，面壓紙受壓力大小不一致而形成具有顏色梯度的印記。分別對結構優化前后(僅將對偶端片的厚度由初始的2 mm加寬至4 mm)的離合器進行面壓試驗，面壓紙安裝位置如圖1所示。

如圖2、圖3所示，經過優化后進行試驗的Z樣機面壓紙，較優化前有較大的改進。1號對偶片接觸情況比2號對偶片要惡劣得多。

圖2 優化前后的1號面壓紙試驗結果對比

圖3 優化前后的2號面壓紙的試驗結果對比

建立與試驗近似的仿真模型，分析面壓紙在油壓作用下紙基摩擦片的壓力分布，如圖4、圖5所示。

圖4 優化前后1號面壓紙仿真結果對比

圖5 優化前后2號面壓紙的試驗結果對比

如圖4、圖5所示，仿真分析與試驗結果對比分析顯示：兩者貼合度較好，對偶端片厚度加大，摩擦片的面壓均勻性改善。

針對離合器的摩擦片偏載情況，建立離合器的有限元模型，針對對偶端片厚度，卡環內外徑、寬度進行優化研究。

3 離合器關鍵結構優化

根據圖1所示的結構，通過試驗及仿真分析發現，靠近卡環的1號對偶片的剛度、卡環與對偶片的接觸寬度、卡環厚度幾個重要參數對離合器的性能具有重要影響。由離合器臺架試驗發現：1號對偶片容易發生變形，對摩擦片壓力影響最大，如圖6所示。

圖6 1號對偶片的臺架試驗拱形變形圖

針對這幾個參數進行詳細分析。

表1 對偶片計算方案設計 mm

3.1 1號對偶片厚度對偏載的影響

首先在其他結構不變的條件下，分析1號對偶片厚度對離合器面壓的影響。

如圖7所示：隨著1號對偶片厚度的增加，摩擦片1和2的接觸壓力逐漸下降，接觸壓力更均勻。

圖7 1號對偶片厚度對摩擦片最大壓力的影響

如圖8所示：隨著對偶片厚度的增加，摩擦片1的外圈壓力逐漸下降，內圈壓力逐漸上升，摩擦片的接觸狀況逐漸得到改善。在滑摩時有更多的區域參與摩擦傳遞扭矩。

圖8 1號對偶片厚度對摩擦片1壓力的影響

如圖9所示：隨著1號對偶片厚度的增加，2號摩擦片的外圈最大壓力逐漸下降，內圈最低壓力逐漸上升，接觸壓力的分布梯度得到改善。

圖9 1號對偶片厚度對摩擦片2壓力的影響

3.2 2號對偶片厚度對偏載的影響

在其他結構不變條件下，分析2號對偶片厚度的大小對摩擦片接觸壓力的影響。

如圖10所示：隨著2號對偶片厚度的增加，1號摩擦片的外圈最大壓力逐漸上升，接觸狀況條件惡化，2號摩擦片隨著對偶片厚度的增加外圈最大壓力逐漸減小。

圖10 2號對偶片厚度對摩擦片壓力的影響

如圖11所示：2號對偶片厚度增加后，1號摩擦片外圈最大壓力上升，有惡化的傾向。設計時2號對偶片在滿足熱容量的前提下，較小厚度有利于改善摩擦片接觸條件。

圖11 2號對偶片厚度對摩擦片1壓力的影響

如圖12所示，增加2號對偶片厚度有利于改善2號摩擦片的接觸狀況。

圖12 2號對偶片厚度與摩擦片2壓力

3.3 3號對偶片厚度對偏載的影響

在其他條件不變下，分析3號對偶片厚度對摩擦片接觸壓力的影響關系。

如圖13所示：3號對偶片厚度對摩擦片的靜接觸壓力無明顯影響，基本維持在一個水平位置。從這一角度出發，設計時3號對偶片只需要滿足熱容量即可，可采用較小的厚度實現緊湊的設計指標。

如圖14所示：3號對偶片厚度對接觸壓力的影響較小，對接觸壓力的改善幾乎無影響。設計時可適當降低該對偶片的厚度來獲得緊湊的結構。

圖13 3號對偶片厚度與摩擦片壓力

圖14 3號對偶片厚度與摩擦片接觸壓力

4 卡環結構優化分析

卡環作為濕式多片離合器中的定位元件，其結構對整體的力學特性具有重要影響。卡環的一側與離合器外支架的卡環槽側面接觸，一側與對偶片接觸。在活塞作用下，卡環承受軸向載荷，由于對偶片寬度大于卡環寬度，形成局部支撐，導致對偶片內外圈變形量出現差別，對滑摩產生影響，因此對卡環與對偶片的接觸寬度、卡環厚度進行分析。卡環的結構參數主要包括：卡環與對偶片的接觸寬度(卡環內徑的大小)、卡環寬度、卡環開口距離等。計算方案見表2。

表2 卡環計算方案設計 mm

4.1 卡環厚度

在其他結構不變條件下，分析不同卡環厚度對摩擦片接觸壓力的影響。卡環厚度增加，卡環自身的支撐剛度增加。

如圖15所示：隨著卡環厚度的增加，1號和2號摩擦片的接觸壓力均逐漸降低，但效果不如1號對偶片厚度增加帶來的效果。

4.2 卡環內徑

其他結構不變條件下，分析不同卡環內徑對接觸狀況的影響。卡環內徑越大，接觸寬度越小，支撐剛性越差。如圖16所示，隨著卡環內徑增大，1號和2號摩擦片外圈最大壓力均逐漸增大，也就是卡環與對偶片的接觸寬度越大，摩擦片的接觸有惡化趨勢。

圖16 卡環內徑對摩擦片壓力的影響

5 結論

增大對偶端片厚度，能同時改善兩個摩擦片的接觸狀況，降低摩擦片內外圈的壓力差，有利于提高摩擦片的最大滑摩扭矩。

增大中間對偶片厚度，惡化了1號摩擦片的接觸條件，改善了2號摩擦片的接觸條件，但由于1號摩擦片接觸狀態較2號摩擦片更惡劣，壽命取決于1號摩擦片，整體上卻降低了離合器的壽命。增加3號對偶片的厚度，對兩個摩擦片的接觸幾乎無影響。

增加卡環厚度有利于摩擦片的接觸，內外圈壓力差降低；增加卡環內徑(減小卡環與對偶片的接觸寬度)同樣有利于摩擦片接觸的改善。