湿式换挡离合器摩擦片磨损规律研究

第２８卷第４期北京理工大学学报Ｖ０１．２８Ｎｏ．４

２００８年４月ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｐｒ．２００８

湿式换挡离合器摩擦片磨损规律研究王立勇马彪李和言郑长松（ａｔ京理工大学机械与车辆工程学院，北京１０００８１）

摘要：研究湿式换挡离合器摩擦片工作过程的磨损量变化规律．基于离合器油压和转速特性，利用数值拟合的方法建立了摩擦片单次工作磨损量计算模型，通过对离合器摩擦片磨损试验过程的油液进行光谱分析，确定了磨损工况系数，并利用模型讨论了油压和转速对磨损量的影响．通过１８０００次综合传动换挡试验，得到了离合器磨损量与换挡次数的函数关系．经验证，湿式换挡离合器内齿摩擦片磨损量可以表示为离合器工作油压、滑摩转速和换挡次数的函数．关键词：综合传动；湿式换挡离合器；摩擦片；磨损中图分类号：Ｕ４６１．２文献标识码：Ａ文章编号：１００１—０６４５（２００８）０４—０３２４—０５

Ｗｅａｒｉｎｇｏｆ

Ｗｅｔ

ＳｈｉｆｔｉｎｇＣｌｕｔｃｈＦｒｉｃｔｉｏｎＤｉｓｃｓ

ＷＡＮＧＬｉ—ｙｏｎｇ，ＭＡＢｉａｏ，ＬＩＨｅ－ｙａｎ，ＺＨＥＮＧＣｈａｎｇ—ｓｏｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＶｅｈｉｃｕｌａｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｗｅａｒｉｎｇｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｄｉｓｃｓ，ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｗｅｔｓｈｉｆｔｉｎｇ

ｃｌｕｔｃｈｅｓｉＳｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｅｔｓｈｉｆｔｃｌｕｔｃｈｅｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｗｅａｒｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｄｉｓｃｉｓｓｅｔｕｐｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌ

ｆｉｔｔｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｗｅａｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｅｏｎｆｉｒｍｅｄｂａｓｅｄｏｎｓｐｅｃｔｒａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ

ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｆｒｉｃｔｉｏｎｄｉｓｃｗｅａｒａｎｄｅｌｅｍｅｎｔｓｓｕｃｈｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｒｏｔａｔｉｎｇ

ｓｐｅｅｄｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｆｔｅｒ１８０００ｔｉｍｅｓｏｆｃｌｕｔｃｈｓｈｉｆｔｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｗｅａｒａｎｄｓｈｉｆｔｉｎｇｔｉｍｅｉｓａｔｔａｉｎｅｄ．Ｉｔｗａｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｗｅａｒｏｆｗｅｔｓｈｉｆｔｉｎｇｃｌｕｔｃｈｃａｎ

ｂｅｅｘｐｒｅｓｓｅｄｔｈｒｏｕｇｈｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄａｎｄｔｉｍｅｓｏｆｓｈｉｆｔｉｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ—ｓｈｉｆｔｓｔｅｅｒｉｎｇｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｗｅｔｓｈｉｆｔｉｎｇｃｌｕｔｃｈ；ｆｒｉｃｔｉｏｎｄｉｓｃ；ｗｅａｒ

综合传动是集多挡、无级转向于一体的复杂传动系统，湿式换挡离合器是综合传动的关键部件，其摩擦片磨损程度将直接影响综合传动的可靠性和使用性能．离合器摩擦片磨损量常规测量方式是拆检后直接称重或测量厚度，这样虽然准确，但往往会破坏原有配合关系，且费时费力．原子发射光谱技术是利用物质受电能或热能激发后发射出特殊光谱来判断物质组成的方法，从综合传动箱体内部采集油样并进行光谱分析，就可以在不用停车和拆检的情况下持续获得反映其磨损量变化的定量信息［１］．作者通过对离合器摩擦片磨损过程的油液进行光谱分析，研究湿式换挡离合器摩擦片的磨损规律．１湿式换挡离合器工作原理综合传动湿式换挡离合器如图１所示，主要由摩擦片、活塞、油缸等部分组成．摩擦片由铜基粉末压制的内齿摩擦片和外齿对偶碟型钢片组成．内齿摩擦片基片为钢基片，两侧分别粘结约为０．６ｍｍ

厚的铜基粉末；外齿钢片为碟型钢片．离合器结合时，压力油经控制油道进入活塞左侧油缸，活塞在油压作用下向右移动，推动外齿钢片逐渐压紧内齿摩擦片，二者经过滑摩逐步达到同步，从而实现动力由

收稿日期：２００８—０２—２８基金项目：国家部委预研项目（４０４０２０６０１０４）；国家重点实验室基金资助项目（９１４０Ｃ３４０６０１０６０６；９１４０Ｃ３４０６０７０７０５）作者简介：王立勇（１９７７一），男，博士生，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｏｂｅｒｗｌ），＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｅｎ；马彪（１９６４一），男，教授。博士生导师．

　万方数据第４期王立勇等：湿式换挡离合器摩擦片磨损规律研究３２５传动轴经离合器鼓至传动齿轮的传递．离合器分离时，控制油路与油箱接通，工作油液经控制油道流回油箱，油缸内的结合油压快速下降，活塞在回位弹簧的推动下迅速向左移动，外齿钢片与内齿摩擦片实现分离．图Ｉ湿式换挡离合器结构图Ｆｉｇ．１Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｗｅｔｓｈｉｆｔｉｎｇｃｌｕｔｃｈ．２内齿摩擦片磨损量建模２．１磨损量数学建模对于结构尺寸参数已定的湿式换挡离合器，其摩擦片磨损情况主要与摩擦因数岸、工作油压户、滑摩转速Ａｎ和滑摩时间ｔ有关．离合器磨损率是磨损量的时间变化率．将离合器摩擦片摩擦系数综合考虑在工况条件系数Ｋ。中，可以将磨损率表示为），一ＫｏＰ４Ａｎ６．（１）式中：Ｋ。与摩擦片材料、表面品质和润滑状态等因素有关，其值大小可由试验结果确定；口和ｂ分别为有效工作油压与滑摩转速对磨损率的影响指数，它们的数值根据工况不同将在０．６～１．０之间变化．试验证明，对于综合传动湿式换挡离合器，内齿摩擦片磨损类型主要为磨粒磨损，而磨粒磨损的磨损率影响指数口和ｂ可取为１．０［２］．离合器典型工作油压特性曲线如图２所示［３］．主要分为快速充油阶段（Ａ—Ｂ）、缓冲升压阶段（Ｂ—Ｃ）和阶跃升压阶段（Ｃ—Ｄ）．离合器摩擦片的磨损主要发生在缓冲升压阶段，该阶段油压变化主要由缓冲阀特性决定，此阶段缓冲油压基本等同于离合器结合油压，可以利用缓冲阀缓冲特性进行结合油压的描述计算．缓冲阀油压输出特性为Ｈ］ｐｍ，一象（渊警（瓦１一去）ｔ＋压）‘．（２）式中：户。为缓冲阀出口压力；Ａ。为缓冲阀芯左端的承压面积；Ａ。为调压阀芯右端的承压面积；Ｋ。为缓冲弹簧刚度；ｚ。为缓冲弹簧的预压缩量；Ｃｄ为流量系数；Ｐ为油液密度；Ａｈ为节流孔的流通面积．

室屯

ＤＥ滑磨阶段＼／Ｃ＞／

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一，

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图２离合器工作油压特性曲线Ｆｉｇ．２Ｌｏａｄｉｎｇｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｃｌｕｔｃｈ

图３所示为离合器结合过程主被动边滑摩转速典型变化规律口］，由此可拟合出主动边钢片转速，ｚ。。和被动边摩擦片转速咒，。分别为，ｚ１】一一０．０７２０ｔ２—０．００４８ｔ＋０．３８８１，（３）以１２—０．３３９２ｔ２—０．０４０３ｔ＋０．２１１４．（４）

图３离台器转速变化特性曲线Ｆｉｇ．３Ｒｏｔａｔｅｓｐｅｅｄｏｆｃｌｕｔｃｈ

因此，结合过程摩擦片磨损率可近似表示为靠（￡）一ＫｏＰ。Ａｎｌ（￡）Ｚ—Ｋｏｐ。（住１１一咒１２）Ｚ，（５）式中Ｚ为摩擦片个数．在结合过程的滑摩起止时间内对磨损率进行积分，可以得到摩擦片一次结合过程的磨损量为ｗ。一ｒ２儿∽ｄ卢Ｋｏｚｒ２Ｐ。（‰一‰）ｄｔ，（６）

式中ｔ。。和ｔ。：分别为离合器摩擦片结合过程中滑摩的起止时刻．根据油压变化规律，分离压力ｐａ变化过程可表示为Ｐｄ（￡）＝０．００７７ｅ一３·４２３８‘＋４４．３８０３ｅ一５２·９５９ｍ．（７）分离过程中离合器外齿钢片转速％和内齿摩擦片转速％的变化规律为

　万方数据３２６北京理工大学学报第２８卷，１２１＝０．００６４ｔ２＋０．０２３Ｏｔ＋０．３８１１，（８）ｎ２２一一０．０７６８ｔ＋０．３９１７．（９）

因此，分离阶段的磨损率可以表示为拍（￡）＝ＫｏＰｄ（￡）Ａｎｚ（￡）Ｚ＝ＫｏＰｄ（￡）（咒２ｌ一孢２２）Ｚ．（１０）同理，在分离阶段的起止时间内对磨损率积分，可得摩擦片一次分离过程磨损量为Ｗｄ＝ｆ锄托∽ｄ卢Ｋｏｚｆ『ｚｚ“锄一物）批（１１）式中：ｔｚ。和ｔ：：分别为离合器分离过程中滑摩的起止时刻．综上，可以将离合器单次工作磨损量计算模型表示为Ｗ—Ｗ。＋Ｗｄ＝ＫｏＺｌｒ２Ｐｃ（￡）（以１１一ｎ１２）ｄｔ＋Ｉｔ２２Ｐｄ（￡）（锄一阮）ｄｔ１．（１２）２．２工况系数Ｋ。的确定为得到工况条件系数Ｋ。，建立了离合器摩擦片磨损量测试系统，系统结构如图４所示．厂一也等型］回一圈一［ｊ堕垂困一圈ｔｒ——————————————］ｌ塑堡皇塑塑墨竺Ｉ图４离合器摩擦片磨损量测试系统Ｆｉｇ．４Ｗｅａｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｃｌｕｔｃｈｆｒｉｃｔｉｏｎｄｉｓｃ每次结合摩擦片转速差为８００～１０００ｒ／ｍｉｎ，结合油压为１．５ＭＰａ，滑摩时间为０．５～ｏ．６ｓ，分离时间为０．１～ｏ．２Ｓ，累计结合次数为８００．离合器润滑与控制油路共计用油Ｖ＝２０Ｌ，取样位置为离合器包箱控制油压入口处．试验开始２０ｍｉｎ后采集初始油样一个，此后每完成２００次结合采油样一次，油样光谱分析结果如图５所示．图５内齿摩擦片工作次数与Ｃｕ元素质量浓度的关系Ｆｉｇ．５ＷｅａｒａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｔｉｍｅｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｄｉｓｃｍａｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＣｕ离合器摩擦片磨损量测试系统工作油液中分布着大量的Ｃｕ元素颗粒，这些磨损颗粒反映了内齿摩擦片的磨损信息．由图５可得，试验前后油液中

Ｃｕ元素质量浓度增量△＆。为１．６／－ｇ／ｍＬ．由表达式Ⅳ＝△ｍ。Ｖ可以计算出油液中Ｃｕ元素的质量浓度，然后根据式（１２），可得出Ｋ。的值约为０．８１９９．

２．３磨损量影响因素讨论２．３．１结合油压对磨损量的影响离合器结合过程缓冲油压由缓冲弹簧刚度和初始压缩量决定，图６所示为得到的４种缓冲油压特性，图７中的Ｗ。，～Ⅳ。。为对应缓冲油压Ｐ。。～Ｐ。。下摩擦片磨损量的变化规律．

图６结合油压随时间的变化Ｆｉｇ．６Ｏｉｌｐｒｅｓｓａｎｄｔｉｍｅｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ

图７结合过程磨损量随时间的变化Ｆｉｇ．７Ｗｅａｒａｎｄｔｉｍｅｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ

从图７中可以看出：①对应油压Ｐ。。下的磨损量Ⅳｄ，该磨损量先升高，后降低；②不同的缓冲油压特性对应不同的磨损量，油压力越大，磨损量也越大．２．３．２分离油压对磨损量的影响离合器分离油压主要取决于分离弹簧特性，通过改变分离弹簧刚度和初始压缩量，可以得到如图８所示的分离油压曲线．图９为对应分离油压Ｐ。，～Ｐ以下的磨损量Ｗ。，～ｗ出的变化规律．

　万方数据