焦 敏 赵治国 王 晨

（1.同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804；2.科力远混合动力技术有限公司，上海 201501）

目前，能源短缺、环境污染问题日益严重，国家积极推动新能源汽车的发展。但由于我国基础充电设施和电池技术比较落后，纯电动汽车发展受限，作为传统汽车到纯电动汽车过渡期的混合动力汽车，将是我国汽车产业未来30年的主要发展对象。混合动力技术作为传统车的技术升级是当前汽车技术发展的必经之路。混合动力汽车搭载的变速箱以发动机及双电机为动力源，通过新型复合行星齿轮机构实现功率分流，不仅可以避免电功率循环，还可以通过增设换挡元件实现大扭矩输出、高效固定传动比输出等功能。湿式制动器具有较好的散热性能，并且电液伺服系统具有高能量密度，因此，当前许多基于复合行星齿轮机构的混合动力变速箱都采取湿式制动器，实现系统的工作模式切换[1-3]。

本文设计的混合动力变速箱，通过在行星架上增设湿式制动器B1，锁止发动机（发动机与行星架相连），使汽车低速行驶时，系统能够以纯电动模式运行；通过在电机1轴上增设湿式制动器B2锁止电机1，使汽车高速行驶时，系统能够以并联式混合动力模式运行，从而达到优化系统效率的目的。针对上述湿式制动器在混合动力变速箱中的应用，本文对两组制动器进行详细设计，并通过极端苛刻的制动模式对两组制动器进行温升分析和耐久试验。

1 湿式制动器结构及关键零部件设计

湿式制动器B1结构如图1所示，其工作原理如下：液压油进入制动油腔后，制动活塞克服碟型弹簧阻力推动摩擦片与对偶片压紧，产生高摩擦力，从而致使与之连接的行星架（图中未画出）就被锁止；当液压油从制动油腔排出时，碟型弹簧弹簧将制动器活塞复位至初始位置，制动器脱开，行星架可以自由旋转。同理，湿式制动器B2结构及工作原理类似，这里不再赘述。

湿式制动器的关键零部件是摩擦片和对偶片，设计应满足结构布局紧凑、扭矩容量及热容量大、传动平稳以及可靠性强等要求。因此摩擦材料、摩擦片尺寸和片数是决定湿式制动器扭矩容量的关键因素。本设计选用摩擦系数稳定，且耐磨性好的纸基摩擦材料作为衬层的摩擦片，对偶片选用吸热能力强的SPCC材料[4]。根据变速箱空间布局，本设计制动器B1、B2摩擦片外形具体尺寸，如表1所示。

图1 湿式制动器结构图

表1 制动器摩擦片外形尺寸（mm）

湿式制动器B1、B2能够明显改善整车燃油经济性，湿式制动器B1的匹配主要由动力性指标决定，湿式制动器B2的匹配主要由经济性性能指标决定。根据整车系统匹配前期设计输入，得出所需制动器B1和B2的最大转矩分别是TB1max=275N·m，TB2max=80N·m。

假设摩擦片间压力分布均匀，则制动器B1、B2所能传递的最大扭矩如式（1）所示。

式中，μ为制动器摩擦片摩擦系数，取0.1；plim为摩擦材料允许的单位应力，取3.5N/mm2。

经计算可得，制动器B1、B2摩擦面数ZB1=4.16，ZB2=1.05，经过圆整取ZB1=5，ZB2=2。考虑实际工程应用中要有安全系数，因此确定制动器B1摩擦片片数为3，对偶片数为4；制动器B2摩擦片片数为1，对偶片片数为2。

2 制动器摩擦片生热数学模型

2.1 滑摩功率计算

由于制动器接合过程中滑摩产生的热量几乎全部被制动器吸收，导致制动器温度升高，这部分能量叫做滑摩功，即摩擦片滑动摩擦转矩所做的功[5]。如下式（2）所示。

式中，Ws为接合过程中的制动器滑摩功，TB为接合过程中的制动器摩擦转矩，ω为被制动件锁止前的最大角速度。

从上式可知，滑摩功与制动时间、接合过程中的摩擦转矩TB、被锁止件的角速度ω有关。TB、ω是随时间变化的，且它们的变化呈现非线性。因制动器的制动扭矩随着时间变化较小，可假设TB为常量并暂取最大值。则所有摩擦片的最大滑摩功率如式（3）所示。

可将滑摩功率试验曲线简化为直线进行计算，则滑摩功率随时间变化的公式如式（4）所示。

如图2所示，在制动器摩擦片表面上取宽度为dr的微小圆环，圆环的半径为r，此面积上产生的滑摩功率如式（5）所示。

图2 制动器摩擦片

式中，dT为该圆环上产生的摩擦转矩；dω为主、被动摩擦片角速度差；μ为制动器摩擦片摩擦系数，取值0.1，PB为作用在摩擦片单位面积的应力。

单面摩擦片的总滑摩功率如式（6）所示。

单面摩擦片的最大滑摩功率如式（7）所示。

式中,TdBmax为摩擦片单面所能传递的最大扭矩。

2.2 滑摩功率计算

由于对偶片导热系数远大于摩擦片导热系数，故假设制动器结合过程中产生的滑摩功全部以热量形式传递给了对偶片，导致对偶片温度升高[6]。由于制动转矩恒定，制动过程为匀减速运动，其中热流密度与制动时间t为线性函数关系，假设摩擦片上热流密度是均匀的，则热流密度函数QB如式（8）所示。

式中，dS为微小圆环的面积，如式（9）所示。

根据式（3）～式（8），摩擦片摩擦面上半径为r处的热流密度如式（10）所示。

3 湿式制动器的温升分析

本文利用Abaqus对制动器摩擦副的温度场进行有限元分析。已知液压系统提供的制动油压，作用于制动器摩擦片，制动器B1摩擦片面压pB1为2.77N/mm2，最苛刻的工况下发动机的初始转速为1200r/min，制动时间为0.99s；制动器B2摩擦片面压pB2为2.06N/mm2，最苛刻的工况下动机1初始转速1000r/min，制动时间为0.522s。根据式（2）～式（10），可求得制动器B1、B2的热流密度函数，如表2、表3所示。

表2 制动器B1不同初始转速对应的热流密度函数

表3 制动器B2不同初始转速对应的热流密度函数

以上述结果作为有限元分析的边界条件，设置模型的初始环境温度。同时设置计算参数，进行瞬态热分析。分析采用类型为DC3D8的六面体网格，对偶片的材料为钢，其材料参数如表4所示。

表4 对偶片材料参数

通过计算制动器B1的温升，并给对偶片表面节点加载热流密度，可知不同半径节点的热流密度不同，且在半径方向内热流密度是连续变化的。因此，笔者在有限元分析的边界条件中做了离散处理，即根据不同半径大小的节点，加载不同热流密度，加载方式及操作界面如图3、图4所示。

如图4所示，在左对话框中，热流密度的大小为该半径下初始时刻制动器热流密度的计算数值。假设热流密度曲线随时间成线性变化，并设置该值的幅值曲线在0～0.99s之间，幅值从为1～0，如图4右对话框所示。接下来将该有限元计算模型的初始温度场设置为70℃，通过瞬态热分析计算得到制动器B1对偶片的温升云图，如图5所示。同样的方法分析制动器B2的温升，按照表3中的热流密度函数及制动时间进行分析，得到制动器B2对偶片的温升云图，如图6所示。

图3 制动器B1对偶片加载热流密度

图4 操作界面

图5 对偶片B1的温升云图

图6 对偶片B2的温升云图

从对偶片的温升云图中可以看出，制动接合过程结束时刻，制动器B1对偶片的最高温度为95.54℃，与初始时刻相比升高了25.54℃；制动器B2对偶片的最高温度为71.8℃，与初始时刻相比升高了1.8℃，可知温度沿半径方向发生变化，且对偶片最外圈的温度最高。在实际工作过程中，对偶片最常见的失效位置也位于最外圈，这是由于外圈的线速度最大，从而产生更多的摩擦热，有限元分析的结果与该结论一致。

4 耐久试验

湿式制动器B1和B2的理论设计和温升分析已经完成，接下来需要进行实践检验，以测试其耐久性是否满足要求。现对制动器B1和B2分别进行20万次和6万次高强度工况耐久性能测试。

4.1 试验平台搭建

平台搭建试验设备主要包括混合动力系统1套（合成箱、发动机各1台）、整车控制单元1个、发动机控制单元1个、扭矩转速传感器1个、动力电池1台、实时控制系统1套、上位机1台等，试验台架平台如图7所示。

图7 变速箱系统台架

综合七个标准路谱下的制动器B1、B2工作条件，形成本试验工况条件，其中七个标准路谱分别是：上海工况、武汉工况、天津工况、US_06、CN_motorway、US_highway、EGS[7]。

制动器B1锁止工况分两种进行：一是发动机转速为零的工况，锁止时间间隔不小于10s，锁止次数14万次，占总次数的70%；二是发动机转速非零的工况，锁止前发动机最大转速500r/min，锁止时发动机最大扭矩小于100N·m，锁止时间间隔1min内不超过2次，锁止次数6万次。

制动器B2锁止工况按照混合动力轿车30万公里的设计寿命进行试验，试验中结合了动力系统控制策略，锁止前电机1转速为200r/min，锁止时电机1扭矩80N·m，锁止次数6万次。

4.2 试验结果分析

图8 制动器B1摩擦片和对偶片

图9 制动器B2摩擦片和对偶片

经过长达2个月的测试，完成制动器B1、B2耐久试验，将变速箱从动力总成台架拆下进行拆箱检查。试验后，制动器B1、B2摩擦片和对偶片如图8、图9所示。

对制动器B1和B2的活塞行程进行测量，并经千分表检测，磨损量结果如表5所示

表5 制动器B1、B2磨损量

试验结果表明，制动器的构成元件活塞、活塞盖无明显变形；O型圈无磨损、擦伤痕迹；制动器B1、B2的核心部件摩擦片无明显热损伤，油槽清晰可见；对偶片无热点，无翘曲现象。制动器B1、B2的设计满足变速箱功能及耐久要求，结构设计及温升分析结果基本一致，设计满足要求。

5 结论

本文针对新型深度混合动力轿车无极变速箱设计了一组基于纸基摩擦材料的湿式制动器，通过制动器传递摩擦扭矩计算、建立制动时间以及滑磨功数学模型等方法，对该制动器对偶片在滑动摩擦过程中的温升进行计算分析，最后利用台架试验分别对制动器B1、B2进行20万次和6万次的耐久测试。

试验结果表明，制动器B1、B2的设计满足变速箱的功能及耐久要求，与热分析结果基本一致。本制动器能产生较大制动扭矩，制动效果较好，制动响应速度快，整个制动系统的温升小，满足使用要求，目前已运用于某量产混合动力变速箱。