混动变速箱湿式多片离合器结构优化研究

2019-07-10白建勇徐章禄张彤

汽车零部件 2019年6期

白建勇，徐章禄，张彤

(科力远混合动力技术有限公司，上海 201501)

0 引言

湿式多片离合器是自动变速箱中重要的结合元件，用于两个运动件之间的结合与分离。在混合动力变速箱中，包括离合器和制动器两种类型的结合元件，在变速箱升挡和降挡过程中，伴随着摩擦片和对偶钢片频繁的结合与分离，离合器元件的耐久性能对变速箱整体寿命具有重要影响。据统计，在装载自动变速箱的汽车售后服务中，离合器出现故障的概率是最大的。目前针对离合器的研究主要包括带排转矩[1-3]、摩擦片的油槽结构散热分析[4]、热机耦合分析[5]、热弹性不稳定[6]、摩擦噪声理论分析，但针对卡环式离合器结构参数优化的研究相对较少。作者针对一型离合器在设计开发中的结构参数优化进行研究。

湿式多片离合器的摩擦片、对偶片、卡环和活塞的结构对离合器滑摩性能具有较大的影响，摩擦片与对偶片的接触性能影响着滑摩扭矩的大小、滑摩时间、结构耐久性等关键因素[7]。因此针对混合动力变速箱中离合器对偶片、卡环优化，获得最佳的接触性能。

1 湿式多片离合器工作原理

卡环湿式多片离合器由活塞、卡环、摩擦片、对偶钢片和离合器内外支架等部件构成。如图1所示，由于采用卡环支撑自身的特点，在活塞挤压对偶片夹紧摩擦片时，导致对偶片与摩擦片的内外圈的位移量不一致，摩擦片的外圈压力大于内圈，结构设计合理时，适当的偏载有助于发挥离合器最大滑摩扭矩、缩减滑摩时间、有效提高对偶片耐久性；李乐等人[8]针对湿式离合器摩擦片建立了磨损系数K与时间的函数，通过试验验证了不同接触比下的磨损量计算模型。当偏载严重时，较大局部压力容易引起滑摩功率急剧增大，形成局部热斑，加剧对偶片的热弹性不稳定性，严重时对偶钢片产生波浪状的翘曲变形[9]，或导致摩擦片外圈的纸基材料脱落，接触比率降低，整体寿命大大降低。

图1 卡环湿式多片离合器结构原理

面压偏载尽管不是直接导致离合器摩擦片烧蚀的原因，但离合器工作过程中，结构偏载导致离合器首先发生外圈接触，对偶片和摩擦片的外圈位移量大于内圈，纸基材料外圈长时间在高压力高剪切高温作用下，容易发生脱落发黑，形成麻坑，外圈首先受到磨损，从外圈到内圈的接触方式将导致外圈最容易发生剥落。纸基材料剥落后，接触面进一步减小，接触压力增大，滑摩功率升高，更容易引起对偶片烧蚀。较大的压差也不利于离合器最大滑摩扭矩的充分利用，无法实现设计的传递扭矩需求，因此改善偏载严重的离合器摩擦片的压力分布，有利于提高离合器的使用寿命。

2 摩擦片面压试验与分析

离合器面压试验在离合器单体试验台上进行，将面压纸剪裁好，夹持在离合器与摩擦片之间，加载油压后，静置5 min，拆下取出面压纸，面压纸受压力大小不一致而形成具有颜色梯度的印记。分别对结构优化前后(仅将对偶端片的厚度由初始的2 mm加宽至4 mm)的离合器进行面压试验，面压纸安装位置如图1所示。

如图2、图3所示，经过优化后进行试验的Z样机面压纸，较优化前有较大的改进。1号对偶片接触情况比2号对偶片要恶劣得多。

图2 优化前后的1号面压纸试验结果对比

图3 优化前后的2号面压纸的试验结果对比

建立与试验近似的仿真模型，分析面压纸在油压作用下纸基摩擦片的压力分布，如图4、图5所示。

图4 优化前后1号面压纸仿真结果对比

图5 优化前后2号面压纸的试验结果对比

如图4、图5所示，仿真分析与试验结果对比分析显示：两者贴合度较好，对偶端片厚度加大，摩擦片的面压均匀性改善。

针对离合器的摩擦片偏载情况，建立离合器的有限元模型，针对对偶端片厚度，卡环内外径、宽度进行优化研究。

3 离合器关键结构优化

根据图1所示的结构，通过试验及仿真分析发现，靠近卡环的1号对偶片的刚度、卡环与对偶片的接触宽度、卡环厚度几个重要参数对离合器的性能具有重要影响。由离合器台架试验发现：1号对偶片容易发生变形，对摩擦片压力影响最大，如图6所示。

图6 1号对偶片的台架试验拱形变形图

针对这几个参数进行详细分析。

表1 对偶片计算方案设计 mm

3.1 1号对偶片厚度对偏载的影响

首先在其他结构不变的条件下，分析1号对偶片厚度对离合器面压的影响。

如图7所示：随着1号对偶片厚度的增加，摩擦片1和2的接触压力逐渐下降，接触压力更均匀。

图7 1号对偶片厚度对摩擦片最大压力的影响

如图8所示：随着对偶片厚度的增加，摩擦片1的外圈压力逐渐下降，内圈压力逐渐上升，摩擦片的接触状况逐渐得到改善。在滑摩时有更多的区域参与摩擦传递扭矩。

图8 1号对偶片厚度对摩擦片1压力的影响

如图9所示：随着1号对偶片厚度的增加，2号摩擦片的外圈最大压力逐渐下降，内圈最低压力逐渐上升，接触压力的分布梯度得到改善。

图9 1号对偶片厚度对摩擦片2压力的影响

3.2 2号对偶片厚度对偏载的影响

在其他结构不变条件下，分析2号对偶片厚度的大小对摩擦片接触压力的影响。

如图10所示：随着2号对偶片厚度的增加，1号摩擦片的外圈最大压力逐渐上升，接触状况条件恶化，2号摩擦片随着对偶片厚度的增加外圈最大压力逐渐减小。

图10 2号对偶片厚度对摩擦片压力的影响

如图11所示：2号对偶片厚度增加后，1号摩擦片外圈最大压力上升，有恶化的倾向。设计时2号对偶片在满足热容量的前提下，较小厚度有利于改善摩擦片接触条件。

图11 2号对偶片厚度对摩擦片1压力的影响

如图12所示，增加2号对偶片厚度有利于改善2号摩擦片的接触状况。

图12 2号对偶片厚度与摩擦片2压力

3.3 3号对偶片厚度对偏载的影响

在其他条件不变下，分析3号对偶片厚度对摩擦片接触压力的影响关系。

如图13所示：3号对偶片厚度对摩擦片的静接触压力无明显影响，基本维持在一个水平位置。从这一角度出发，设计时3号对偶片只需要满足热容量即可，可采用较小的厚度实现紧凑的设计指标。

如图14所示：3号对偶片厚度对接触压力的影响较小，对接触压力的改善几乎无影响。设计时可适当降低该对偶片的厚度来获得紧凑的结构。

图13 3号对偶片厚度与摩擦片压力

图14 3号对偶片厚度与摩擦片接触压力

4 卡环结构优化分析

卡环作为湿式多片离合器中的定位元件，其结构对整体的力学特性具有重要影响。卡环的一侧与离合器外支架的卡环槽侧面接触，一侧与对偶片接触。在活塞作用下，卡环承受轴向载荷，由于对偶片宽度大于卡环宽度，形成局部支撑，导致对偶片内外圈变形量出现差别，对滑摩产生影响，因此对卡环与对偶片的接触宽度、卡环厚度进行分析。卡环的结构参数主要包括：卡环与对偶片的接触宽度(卡环内径的大小)、卡环宽度、卡环开口距离等。计算方案见表2。