鋁制缸套濕式離合器極限滑摩轉矩測試研究

宿博康，唐長亮，王立勇，劉曉波

（北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

濕式離合器具有結構緊湊、冷卻效果好、可以承受較大功率和扭矩等特點，廣泛應用于履帶車輛的傳動系統中。濕式離合器是裝甲車輛動力換擋的關鍵部件，隨著傳動系統轉速和功率密度的提高，現有濕式離合器經常由于過載而發生打滑現象導致摩擦副過度磨損、局部燒損、鋼片翹曲等問題而失效，成為車輛傳動系統的易損件之一[1]。現有的濕式離合器采用合金鋼材料，在戰車高機動性的要求下，采用輕質高強結構設計的緊迫性日益增強。為適應新一代裝甲車輛對減重和變速箱功率密度提升的要求，尋找一種新型材料的缸套具有工程價值。

本項目研究了一種新型鋁合金材料離合器缸套，搭建了離合器摩擦轉矩測試臺架，并且對鋁合金缸套離合器包箱進行滑摩轉矩測試，主要研究了抱死制動狀態下雙副雙鋼片與雙副單鋼片兩種安裝條件下的離合器進行負載測試，以檢驗鋁制離合器缸套是否達到車用離合器所規定的產品狀態和主要性能，為以后的研究提供試驗依據。

1 濕式離合器摩擦轉矩測試試驗臺

濕式離合器摩擦轉矩測試臺架主要由動力裝置（變頻電機）、被試離合器包箱、液壓系統（泵站、控制及潤滑油路），測試系統（壓力、轉速、轉矩傳感器等）以及計算機數據采集系統這五部分組成（圖1）。

圖1 濕式離合器摩擦轉矩測試臺結構

本試驗臺采用的是SIEMENS 235 kW 變頻調速電機，其最高輸出轉速為4500 r/min，額定轉矩為1500 N·m，恒轉矩區所對應的轉速范圍為0～1500 r/min。被試離合器包箱中的離合器缸套采用了航空鋁合金材料，包箱內部如圖2 所示。控制用油和潤滑用油均由一個移動式液壓泵站提供，該泵站可提供雙路液壓系統，實驗中使用一路液壓油作為控制油路，負責提供離合器接合時所需要的接合油壓，另外一路作為潤滑油路，負責給離合器摩擦副和包箱內軸承提供潤滑冷卻（圖3）。泵站供給的潤滑油壓力和控制油壓力如下：潤滑油壓0～0.3 MPa，流量6～15 L/min；控制油壓0～1.6 MPa。

在測試過程中，主要監測電機輸出功率和扭矩值，數據采集設備采用FTIS 公司的齒盤式扭矩儀，扭矩儀額定測量范圍0～2000 N·m，最高可測轉速為12 000 r/min（圖4）。為了滿足多路采集信號的需求，本次試驗基于PLC 技術開發了實時數據采集系統，主要采集電機的輸出功率和扭矩。

圖2 濕式離合器包箱內部

圖3 液壓泵站

圖4 齒盤式扭矩儀

2 新型濕式離合器滑摩轉矩測試

主要研究離合器最大滑摩轉矩及考核鋁質缸套的結構強度。試驗通過濕式離合器摩擦轉矩測試臺開展，進行兩種不同摩擦副安裝條件下的離合器負載測試，即抱死制動狀態下雙副雙鋼片與雙副單鋼片安裝條件下的極限滑摩轉矩測試。

2.1 測試步驟

打開測試軟件，對電機變頻器進行設置，使電機轉速達到規定值；打開泵站與回油泵，讓潤滑油液正常循環；調節潤滑壓力和潤滑流量到規定值，調節離合器控制油壓到規定值；制動器加壓制動；手動控制離合器結合油壓，結合操作開始的同時，數據采集系統開始記錄實驗數據；當離合器持續滑摩達到設定時間后，開始分離，制動器泄壓，數據記錄結束。如此往復進行多次測試。

2.2 兩種安裝方式

選取抱死制動狀態下雙副雙鋼片與雙副單鋼片安裝方式，其他試驗條件不變的情況下，進行滑摩接合實驗。

2.2.1 雙副雙鋼片滑摩轉矩測試

采用抱死型試驗臺進行，試驗臺簡圖如圖5 所示，實物照片如圖6 所示，摩擦片和鋼片安裝如圖7 所示。

測試中初始油溫為20 ℃，潤滑油壓0.20～0.25 MPa，潤滑流量在6～10 L/min 范圍調整，接合油壓為1.2～1.6 MPa，不夠穩定，但處于此范圍內。調整電機轉速為1029 r/min，液力變矩器閉鎖，ZF592 變速箱設置為1 擋，則離合器輸入轉速為300 r/min。測試時，離合器接合與滑摩時間為4～7 s/次。

2.2.2 雙副單鋼片滑摩轉矩測試

測試仍采用抱死型試驗臺進行，試驗臺與上述試驗結構一樣，為了進一步測試極限載荷下鋼片與缸套“嚙合接觸特性”，采用圖8 的摩擦片和鋼片布置方案，將其中2 個鋼片的外齒線切割去除，第三個鋼片居中放置。此種安裝，將測試一對摩擦副下的承受極限載荷狀態的特性。

本組試驗條件與上述試驗一致，進行滑摩接合實驗。

圖5 試驗臺架結構

圖6 試驗臺架

圖7 摩擦副安裝示意

圖8 摩擦副安裝示意

2.3 試驗數據分析

2.3.1 雙副雙鋼片滑摩轉矩測試

為了避免測試中的偶然性，進行了大量的重復試驗，結果見圖9～圖10。圖9 為變速箱1 擋，離合器輸入轉速為300 r/min時，滑摩轉矩與功率曲線圖，圖10 為相應的帶排功率與油溫曲線圖。

從圖9 可以看出，離合器輸入轉速300 r/min 時，測得滑摩峰值功率73.0 kW，峰值扭矩為2263.80 N·m，滑摩峰值功率與滑摩峰值轉矩的變化趨勢是一致的，隨著滑摩次數的增加，兩者波動明顯，但基本處在相對穩定的范圍內；帶排功率與帶排轉矩的變化趨勢也一致，而且隨著滑摩次數的增加，逐步穩定在一個范圍內。

圖9 功率與轉矩曲線

圖10 帶排功率與油溫曲線

觀察圖10 可以發現，隨著滑摩次數的增加，潤滑油箱中的油溫一直呈現上升趨勢，從20 ℃增加到90 ℃；采用點溫計測量，離合器中的油溫已達到100 ℃；隨著油溫的增加，帶排功率和帶排轉矩逐漸下降，帶排功率從19 kW 降到5 kW 左右，帶排轉矩從590 N·m 降低到150 N·m。這說明油溫越大，帶排功率與帶排轉矩越小。

拆解后，觀察摩擦片以及缸套未發現明顯損壞和變形。

2.3.2 雙副雙鋼片滑摩轉矩測試

進行了大量的重復試驗，對試驗數據進行整理處理，如圖11 所示為變速箱1 擋，離合器輸入轉速為300 r/min 時滑摩功率與扭矩變化圖。

圖11 功率與扭矩曲線

觀察圖11 可知，離合器輸入轉速為300 r/min 時，多次測得滑摩峰值功率為76.87 kW，峰值扭矩為2371.4 N·m；在第7次滑摩接合過程中，峰值扭矩達到1900 N·m，導致聯軸器斷裂；在第53 次滑摩接合過程中，峰值扭矩達到2400 N·m，開箱后發現居中安裝的“有齒”鋼片發生嚴重燒蝕翹曲，并且缸套出現磨痕（為無齒鋼片旋轉磨損）。由于試驗離合器安裝時，采用了2 個無齒鋼片，滑摩試驗時，無齒鋼片外周與缸套內壁發生滑動摩擦，造成了一圓周磨痕，通過測量可知，磨痕深度約0.5 mm，寬度略大于鋼片厚度，約為2～3 mm。

3 結論

（1）抱死制動狀態下，雙副雙鋼片安裝時滑摩峰值扭矩為2263.80 N·m，雙副單鋼片安裝時滑摩峰值扭矩為2371.4 N·m，滿足實際使用要求。

（2）滑摩峰值功率與滑摩峰值轉矩的變化趨勢一致，隨著滑摩次數的增加兩者波動明顯，但基本處在相對穩定的范圍內；油溫呈現上升趨勢，帶排功率與帶排轉矩呈現下降趨勢。

（3）鋁質缸套離合器在極限轉矩條件下強度滿足要求，未出現明顯磨損。