溝槽面積對不同潤滑油溫下離合器摩擦磨損特性的影響*

于 亮，馬 彪，鄭長松，劉宇鍵，魏福華，陽仁奇

（1.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081；2.陸軍裝備部駐北京地區某軍事代表室，北京100072；3.陸軍裝備部駐湘潭地區某軍事代表室，湘潭411100）

前言

濕式換擋離合器被廣泛應用于車輛變速器中，主要功能是傳遞或切斷發動機動力［1-2］。摩擦元件的摩擦材料決定了離合器的摩擦學性能，摩擦材料需要具有穩定、大的動摩擦因數以及低的磨損率［3］。此外，離合器與摩擦元件的結構［4］、潤滑油的流量與溫度［5］和工作參數［6］等對離合器的摩擦磨損特性均有顯著影響。

為了提高離合器的綜合性能并延長其使用壽命，國內外學者對上述課題進行了大量的研究。Gong等［7］通過測量摩擦元件的磨損率，建立了預測摩擦材料磨損過程的磨損圖譜。Wang和Wei［8］研究了連續制動條件下濕式制動器的溫度場和最佳潤滑油供給。Li等［9］發現了接觸壓力對碳纖維濕式離合器的動態摩擦因數影響最大。李和言等［10］建立了離合器摩擦元件周向間歇接觸溫度場模型，研究了與花鍵齒相對應的間歇接觸對離合器溫度場的影響規律。

在沒有充分冷卻的情況下，離合器局部高溫會導致摩擦元件熱翹曲變形以及潤滑油的氧化和分解。為了提供更有效的冷卻，摩擦片設計了各種溝槽，以便潤滑油流過摩擦副［11］。Xie等［12］研究了槽形對離合器溫度場的影響，發現了矩形截面的復合槽平均溫升最低。Jang等［13］通過修正的Reynolds方程對含溝槽濕式離合器進行了三維熱力學研究，發現溝槽不僅影響溫度場，而且對接合時間和轉矩響應有很大影響。此外，Li等［14］研究了考慮華夫槽、徑向槽和螺旋槽的摩擦元件的磨損行為，其中華夫槽磨損率最大。

摩擦片溝槽的類型、寬度、深度和表面積對濕式離合器的摩擦磨損性能有著重要的影響。然而，為不同的離合器匹配最合適的摩擦片溝槽以獲得最佳的摩擦磨損性能，仍然是需要攻克的難題。因此，本文旨在研究不同潤滑油溫度條件下摩擦片溝槽面積對離合器摩擦磨損特性的影響。

本文中以銅基濕式離合器為研究對象，建立了摩擦副微凸體接觸模型，研究了不同壓力和溫度條件下，微凸體接觸壓力和接觸面積的變化規律。隨后，進行了離合器臺架實驗，得到了不同溝槽面積和潤滑油溫度下，離合器接合過程中摩擦轉矩和表面溫度的變化規律，以及摩擦元件的磨損狀態，最終為摩擦元件溝槽面積的設計提供理論基礎。

1 微凸體接觸模型

在濕式離合器滑摩過程中，摩擦副可以分為粗糙接觸區和流體潤滑區，流體潤滑區的流體動壓力可通過雷諾方程計算［15］：

式中：pv為流體動壓力；h為油膜厚度；ρ、η和v分別為潤滑油的密度、黏度和速度。

在粗糙接觸區，潤滑油膜厚度趨于零，粗糙接觸壓力可通過修正雷諾方程計算得到：

求解摩擦副接觸壓力變化時，需要滿足邊界條件如下：

式中a表示計算區域的長度。

在混合潤滑區，局部壓力應滿足連續性邊界條件，潤滑區和粗糙區之間的接觸壓力為

式中pc為粗糙接觸區的接觸壓力。

摩擦副局部油膜厚度可表示為

式中：h0為初始潤滑油膜厚度；δ為粗糙度厚度；ζ為表面變形［16］。

式中E'為等效彈性模量，可表示為

式中：E和υ分別表示彈性模量和泊松比；下標1和2表示接觸面。

通過點熱源積分法，摩擦副局部接觸區域任意點（x，y）的溫度變化［17］可表示為

式中：ρs、cs和αs分別為摩擦材料的密度、比熱和熱擴散率；q為熱流密度；us為熱源移動速度。

潤滑油的黏度和密度受溫度的影響很大，可以表示為［15］

式中η0、ρ0和T0分別為潤滑油的初始黏度、密度和溫度。由于活塞壓力由流體動壓力和接觸壓力共同承載，壓力平衡方程可表示為

潤滑油膜剪切和微凸體接觸產生的摩擦力可表示為

式中τv和τc為潤滑油膜和微凸體的剪應力。

2 仿真分析

在仿真研究中，摩擦片的初始形貌是從銅基摩擦片的真實表面導出［18］，摩擦元件和潤滑油的熱物理參數如表1所示，仿真工況如表2所示。微凸體接觸模型中涉及的物理參數較多且數量級差異較大，嚴重影響了數值模型的收斂性，故將上述方程無量綱化。采用有限差分格式求解控制方程，采用Gauss-Seidel松弛迭代法求解雷諾方程，詳細求解流程如圖1所示。此外，流體潤滑區和粗糙接觸區由膜厚閾值來區分，壓力和膜厚松弛迭代的收斂需要同時滿足壓力收斂條件和負載平衡條件。

圖1 微凸體接觸模型流程圖

表1 摩擦元件和潤滑油的熱物理參數

表2 離合器仿真和實驗工況

不同潤滑油溫度下的接觸壓力如圖2所示。由圖可見：隨著潤滑油溫度的增加，油膜承載的紫色低壓區逐漸收縮，微凸體承載的紅色高壓區逐漸增大；最 高 接 觸 壓 力 分 別 為0.037、0.043、0.048和0.059 GPa。隨著潤滑油溫度的增加，潤滑油黏度逐漸降低，油膜厚度減小，流體動壓效應減弱，導致了流體剪切應力減小；同時，微凸體承載了更多的活塞壓力，粗糙接觸剪切應力增加。較高的微凸體將承載更多壓力，從而導致最大接觸壓力的增加。

圖2 不同潤滑油溫度下的接觸壓力

圖3 所示黑點為微凸體接觸區域，隨著潤滑油溫度的增加，微凸體接觸點的數量緩慢增加，對應的接觸面積比分別為2.2%、2.6%、3.2%和4.5%。一方面，潤滑油溫度的增加導致了油膜厚度減小，較高的微凸體需要承載更大的活塞壓力，從而發生了彈塑性變形；另一方面，脆弱且較高的微凸體容易在粗糙剪切力作用下被切斷，較低高度的微凸體也開始承載活塞壓力，促進了承壓微凸體數量的增加。

圖3 不同潤滑油溫度下的接觸面積

根據上述仿真結果，圖4展現了不同溝槽面積和潤滑油溫度對摩擦副接觸狀態的影響。

圖4 微凸體接觸示意圖

活塞壓力是由油膜動壓力和粗糙接觸壓力共同承載。濕式離合器空轉時，潤滑油膜的厚度遠大于微凸體的高度，對偶鋼片和摩擦片被油膜分開，摩擦副處于流體動壓潤滑狀態；當施加活塞壓力后，潤滑油膜的厚度迅速減小，微凸體開始接觸。摩擦片溝槽面積的增大導致了摩擦副名義接觸面積的減少，從而促進了摩擦副實際接觸比壓顯著增大。增加摩擦片溝槽面積有助于摩擦副局部接觸壓強的增加，促進了油膜的擠壓和微凸體的接觸，從而導致實際接觸面積的增大，以及不同溝槽面積下的粗糙接觸面積差異擴大。隨著潤滑油溫度的升高，潤滑油黏度顯著降低，潤滑效果降低；摩擦副的潤滑狀態由流體動壓潤滑變為混合潤滑，最后變為邊界潤滑，在極端或惡劣情況下變為干摩擦狀態。因此，隨著潤滑油溫度的升高，油膜承壓效果逐漸減弱，微凸體接觸面積逐漸增大。所以，溝槽面積和潤滑油溫度的增加，都有助于增加粗糙接觸面積的增加。

3 實驗分析與對比驗證

3.1 實驗材料

實驗使用的摩擦元件由杭州粉末研究院提供。對偶鋼片采用65Mn鋼為原材料，厚度為2 mm，硬度為HRC42~HRC48。如圖5所示，摩擦襯片由銅基粉末冶金材料通過高溫燒結而粘連在摩擦基板兩側。銅基摩擦材料的RMS粗糙度為8.4×10-6m，極限抗剪切強度大于3.0 MPa。另外，摩擦片的雙螺旋槽采用壓花工藝制作而成。通過改變摩擦片溝槽寬度來改變溝槽面積。因此，溝槽寬度設置為0.7、1和1.5 mm 3個級別，對應的溝槽面積分別占總面積的25%、35%和50%，將對應的離合器分別命名為工況1、2和3。

圖5 摩擦片二維示意圖

3.2 實驗方法

SAE#2（美國機械工程學會摩擦實驗機）濕式離合器實驗臺架被應用于研究摩擦片溝槽面積對離合器摩擦性能的影響，臺架的結構和配置已經在之前的研究中進行了詳細介紹［19］，此處不再贅述。本實驗的實驗工況如表2所示，實驗步驟和數據處理方法完全遵照標準SAE—J2490。另外，潤滑油牌號為10W?40CF，流量為10 mL/（min·cm2）。在實驗前，3種工況的離合器都需要在低壓低速條件下進行200次的磨合實驗以穩定動摩擦因數。

如圖6所示，濕式離合器由一個6摩擦副系統組成。從活塞到壓板，對偶鋼片和摩擦片交替排列到缸套上，摩擦片按軸向位置依次編號為摩擦片1、2和3；同理，對偶鋼片也如此編號。由于離合器的缸套和對偶鋼片都被制動鼓固定，選擇鋼片2和3為測溫鋼片，其厚度方向都有一個深度為6 mm的測溫孔。因此，兩個測溫鋼片的平均溫度被認為是離合器的平均溫度。

圖6 摩擦元件布置方案圖

4 實驗結果與討論

4.1 摩擦特性

如圖7所示，摩擦轉矩的變化分別由準備接合階段A、線性增長階段B和指數增長階段C組成［19］。在階段A中，離合器處于空轉狀態，摩擦轉矩約等于0；在階段B初期，離合器給活塞施壓，摩擦轉矩瞬時增加，此時的摩擦轉矩定義為Mmin；另外，摩擦副的間隙和潤滑油膜厚度迅速減小，導致了黏性轉矩減小，如果黏性轉矩的減小率大于粗糙轉矩的增長率，摩擦轉矩將下降。隨后，摩擦副間的微凸體接觸占主導地位，摩擦轉矩幾乎呈線性增長。在階段C，摩擦轉矩呈指數增長，這是由于摩擦副間動摩擦和靜摩擦之間的轉換引起的。

隨著潤滑油溫度的升高，這3種溝槽面積工況下的摩擦轉矩差異逐漸擴大。如圖7（a）所示，3種工況的Mmin分別為173.6、177.4和164.6 N·m；隨后，摩擦轉矩呈現下降趨勢，下降速率分別為104.7、71.1和47.1（N·m）/s。這是因為在較低的潤滑油溫度條件下，流體動壓效應較強，使得階段B黏性轉矩的下降速率遠大于接觸轉矩的增長速率。隨著潤滑油溫度從80升高到120℃，工況1的Mmin分別為145.9、128.4和130.3 N·m，階段B的轉矩變化率分別為-32.1、2.1和33.4（N·m）/s。工況3的Mmin分別為142.8、143.9和144.6 N·m，階段B的轉矩變化率分別為15.5、60.3和88.5（N·m）/s。可見，隨著潤滑油溫度的升高，潤滑油膜的剪切應力逐漸減弱，粗糙接觸逐漸成為承載活塞壓力的主要因素，階段B的摩擦轉矩變化率也逐漸增大，變化趨勢從緩慢下降變為逐漸增加。此外，增加摩擦片溝槽面積可以加速上述過程。當潤滑油溫度升高到80℃時，工況3中的粗糙接觸占主導地位；隨后，初始摩擦轉矩隨潤滑油溫度的升高而略有變化。然而，在潤滑油溫度達到100℃時，工況1中的粗糙接觸才占主導地位。

圖7 不同溝槽面積下的摩擦轉矩

由圖8（a）~圖8（c）可見，隨著溝槽面積的增加，離合器平均溫度呈現先下降后上升的趨勢，圖8（a）中的溫度增長率分別為30.94、24.54和39.07 °C/s。離合器溫升是由摩擦副產生的摩擦熱和潤滑油的吸熱量決定的。一方面，溝槽面積越大，微凸體接觸面積越大，產生的摩擦熱越多；另一方面，溝槽面積的增加有利于潤滑油吸熱，從而加速離合器散熱。因此，工況3中的摩擦片具有最佳的產熱和冷卻能力，但其產熱能力遠大于其散熱能力。相反地，工況1中摩擦元件的散熱能力較弱，導致溫度快速上升。如圖8（d）所示，當潤滑油溫度達到120℃時，工況1和工況2的溫度增長率基本相同。這是因為3種工況下的實際接觸面積的差異隨著潤滑油溫度的升高而逐漸擴大，導致它們的產熱差異逐漸擴大。雖然工況2的散熱能力優于工況1，但在高潤滑油溫度下工況2的產熱能力遠優于工況1。

圖8 不同溝槽面積條件下的表面溫度

如圖9所示，隨著潤滑油溫度的升高，階段B的平均摩擦因數呈現出先略有下降后有所上升的趨勢。這是因為潤滑油溫度升高會降低其黏度，導致油膜厚度降低，所以摩擦副的潤滑狀態從流體動壓潤滑轉變為混合潤滑，再到邊界潤滑。溝槽面積的增加有助于促進溫度增加，導致摩擦副潤滑狀態的轉化，工況3最先從混合潤滑過渡到邊界潤滑狀態。所以，隨著潤滑油溫度的升高，不同溝槽面積下的平均摩擦因數的差異越來越顯著；在60°C時3個工況下的平均摩擦因數分別為0.054、0.058和0.059，而在120°C時分別為0.057、0.063和0.069。

圖9 離合器的平均摩擦因數（階段B）

4.2 磨損特性

圖10 為實驗后3種工況下的摩擦片實物圖，僅選取每個摩擦片面朝活塞的摩擦表面。為了更清晰地觀察摩擦表面的摩擦磨損狀態，使用掃描電鏡地到了3種溝槽面積摩擦片的磨損圖，如圖11所示。工況1中的摩擦片上積累了大量的炭黑，其次是工況2和工況3。由于潤滑油從離合器傳動軸的軸孔中甩出，然后在離心力作用下進入摩擦片的溝槽和孔隙中對離合器進行冷卻和潤滑。一方面，對于相同長度的溝槽，寬度越窄，溝槽內的潤滑油越少，這將導致潤滑油溫升越快。因此，小的溝槽面積更容易使潤滑油溫度升高，從而導致其碳化。另一方面，由于從傳動軸甩出的潤滑油流量恒定，更多的潤滑油進入小溝槽面積摩擦片的孔隙中，導致了孔隙中的潤滑油會吸收摩擦熱然后碳化。此外，由于摩擦片外徑處的熱流密度高，潤滑油一般在摩擦片的外徑處碳化；炭黑具有很強的吸附性，很容易吸附在摩擦片上。所以，炭黑傾向于形成并粘附在溝槽面積較小的摩擦片外徑上。

圖10 實驗后的摩擦片

從圖11摩擦表面電鏡掃描圖可知，工況3摩擦片的磨損最為嚴重，其次是工況2和工況1。雖然在工況1的摩擦片上積累了大量的炭黑，但它們只是輕微磨損。對于工況2，摩擦表面劃痕清晰可見，磨損機理為典型的磨粒磨損。在工況3中，摩擦片2（S3和S4）已經經歷磨損失效，摩擦表面出現裂縫和剝落，這是由于較大的接觸壓力下對較高微凸體擠壓和剪切導致的。此外，其余摩擦表面已經變得光滑，摩擦元件受到大量累積的磨損顆粒的擠壓和摩擦，摩擦表面接觸區域增多，摩擦表面更加光滑。所以，溝槽面積的增大會導致摩擦盤磨損加劇。為了優化濕式離合器的增摩減磨性能，應該充分考慮溝槽面積對離合器摩擦磨損特性的影響，同時也需要合理配置工作參數，才能提高離合器的工作品質、延長使用壽命。

5 結論

（1）建立了摩擦副微凸體接觸數值模型，研究了潤滑油溫度對摩擦副局部接觸壓力和接觸面積的影響。隨著潤滑油溫度的升高，油膜承壓效果逐漸減弱，微凸體接觸面積和最高接觸壓力逐漸增大。

（2）搭建了SAE#2離合器實驗臺架，揭示了摩擦片溝槽面積在不同潤滑油溫度下對離合器摩擦特性的影響。隨著潤滑油溫度的升高，3種溝槽面積工況下的摩擦轉矩和摩擦因數的差異逐漸擴大。

（3）溝槽面積越大，摩擦轉矩越大，摩擦片上吸附的炭黑越少，摩擦片磨損越嚴重。然而，隨著溝槽面積的增加，離合器平均溫度呈現先下降后上升的趨勢，離合器在工況3中溫度增長率最大，其次是工況1和工況2。