摩擦離合器壽命計算分析

楊紅圖，楊長盛，高鵬

（南京模擬技術研究所，南京 210016）

0 引言

摩擦離合器作為直升機變轉速傳動系統(tǒng)的重要組成部分，布置在高速路徑中，將直接關系著直升機的換擋安全。結構緊湊、性能優(yōu)越、可靠性高的濕式摩擦離合器可大幅提高變轉速直升機的換擋性能。濕式摩擦離合器是變速系統(tǒng)最核心的部件，它布置在高速路徑中，航空濕式摩擦離合器所需轉速高、所需功率大，濕式摩擦離合器的性能將直接影響直升機變速換擋期間的輸出性能與使用壽命。國內外的學者對于車用/船用濕式離合器已經開展了相應的研究，但對于適用于直升機變速系統(tǒng)的濕式摩擦離合器，相應的研究較少。鑒于以上背景，開展航空濕式摩擦離合器的壽命預測，對改善變速系統(tǒng)換擋期間的輸出性能具有重要意義。

張志剛[1]基于雷諾方程和粗糙表面接觸模型分析了濕式離合器在接合過程中的磨損。考慮了塑性磨損系數和彈性磨損系數對整個摩擦盤磨損的影響，但未考慮磨合次數的影響。王立勇[2]直接將滑動距離視為速度和時間的乘積來計算摩擦盤的磨損，并進行了試驗驗證研究。王立勇[3]開展了滑磨試驗研究，測量了摩擦片磨損前后的厚度，監(jiān)測了摩擦片的磨損的狀態(tài)。M. Hoic等[4]介紹了兩種離合器磨損相關影響的實驗表征和數學建模結果。M. Kneissler等[5]采用了一種新型方法確定離合器摩擦片磨損，可以防止由于磨損導致摩擦襯片功能下降影響磨損量的計算。

摩擦離合器也存在工作壽命，摩擦材料從摩擦副表面逐漸剝落是造成零件失效的主要原因之一。因此摩擦離合器的計算壽命成為預測離合器工作時長的重要指標。本文研究了摩擦離合器壽命與輸入轉速、材料磨損率、油槽深度、從動軸轉動慣量和油槽面積系數相關，為離合器的設計和分析提供參考。

1 摩擦離合器的工作原理

圖1所示為摩擦離合器的結構示意圖。摩擦離合器接合時，控制液壓油通過油道逐漸進入活塞腔，并不斷填充活塞腔，推動活塞克服復位彈簧的力，使活塞向左移動，從而壓縮活塞，推動內齒摩擦片和外齒鋼片接合，完成接合過程。脫開時，壓力油通過控制油道返回，回位彈簧推動活塞逐漸返回，從而實現(xiàn)了內齒摩擦片與外齒鋼片的分離[3]。

圖1 摩擦離合器的結構示意圖

2 摩擦離合器壽命計算模型

通過查閱機械設計手冊[6]得，摩擦離合器的壽命公式為

式中：N為壽命期內結合次數；V為磨損限度內（即壽命期內）摩擦片磨損的總磨損體積，mm3；Am為結合一次的摩擦功，J；Kω為摩擦材料的磨損率，mm3/J，對于銅基粉末冶金材料，Kω=（3～6）×10-5mm3/J；對于半金屬型摩擦材料，Kω=（5～10）×10-5mm3/J；對于鐵基粉末冶金材料，Kω=（5～9）×10-5mm3/J；對于樹脂型材料，Kω=（6～12）×10-5mm3/J。

其中結合一次的摩擦功Am根據機械設計手冊[6]得

實際工程中，磨損限度內的摩擦片總磨損體積為將摩擦片表面微凸體高度磨損至油槽處，此時摩擦片徹底失效。假設摩擦片中微凸體高度大小相等，形狀為上部分為半球體下部分為圓柱體。則可計算總磨損體積V為

式中：R為微凸體曲率半徑，mm；h為摩擦片油槽深度，mm。

然而考慮到摩擦片上微凸體高度并不均勻，而且微凸體并非理想半球體，且磨損時有犁溝產生，并且存在油膜破裂的情況，油膜破裂的破壞分數為β，β取值為0.5[2]。

故實際磨損量的表達式為

3 仿真結果及分析

計算在功率為3 kW，轉速為2000 r/min時摩擦離合器的接合壽命，摩擦離合器的各初始參數如表1所示。本文中取紙基材料為摩擦材料，樹脂型摩擦材料的磨損率Kω取值為6×10-5mm3/J。

表1 離合器重要參數

根據式（1）與表1可計算得接合壽命為56 228次。

如圖2所示，在3 kW輸入功率下，離合器隨著輸入轉速的提高，接合壽命不斷下降，但下降的速率由快到慢。

圖2 轉速對接合壽命的影響

摩擦材料的磨損率Kω取值范圍在為（3～13）×10-5m3/J。將磨損率Kω從3×10-5mm3/J逐漸增大，計算相對應接合壽命，如圖3所示，接合壽命隨著磨損率的增大而減小，但隨著磨損率不斷增大，壽命減小的速率在降低。

圖3 磨損率對接合壽命的影響

摩擦片的油槽深度對摩擦離合器的壽命影響如圖4所示。h取值范圍在為（0.24～0.40）mm。將磨損率h從0.2 mm逐漸增大，計算相對應接合壽命，接合壽命隨著油槽深度的增大而增大。

圖4 油槽深度對接合壽命的影響

從動軸轉動慣量對摩擦離合器的壽命影響如圖5所示。主動軸轉動慣量固定為0.4 kg·m2，Jo取值范圍在為0.2～1.2 kg·m2。將從動軸轉動慣量Jo從0.2～1.2 kg·m2逐漸增大，計算相對應接合壽命，如圖5所示，接合壽命隨著從動軸轉動慣量的增大而減小，但隨著從動軸轉動慣量不斷增大，壽命減小的速率在降低。

圖5 從動軸轉動慣量對接合壽命的影響

油槽面積系數對摩擦離合器的壽命影響如圖6所示。槽型的選擇與摩擦片的設計共同決定了摩擦片的油槽系數。將油槽面積系數c從0.2～1.0逐漸增大，計算相對應接合壽命，如圖6所示，接合壽命隨著油槽面積系數的增大而增大。

圖6 油槽面積系數對摩擦離合器的壽命影響

4 結論

在濕式摩擦離合器壽命計算模型中可知，離合器壽命與輸入轉速、材料磨損率、油槽深度、從動軸轉動慣量和油槽面積系數相關。對于同一種摩擦材料，在輸入功率不變的情況下，離合器壽命隨著輸入轉速的增大而減小。離合器壽命隨著材料磨損率的增大而減小；離合器壽命隨著油槽深度的增大而增大；離合器壽命隨著從動軸轉動慣量的增大而減小；接合壽命隨著油槽面積系數的增大而增大。為保證較大的摩擦離合器使用壽命，綜合考慮采用小磨損率、大油槽深度、大油槽面積系數的摩擦片，滿足工況條件下降低輸入轉速。