王颖

摘 要：文章详细描述了变矩器闭锁离合器的摩擦片失效故障，从液力变矩器的结构上进行了分析，校核了原始设计，确定了失效的根本原因，设计了新的改进方案，并实施了验证试验。

关键词：液力变矩器;闭锁离合器;尺寸链;轴向定位;承压能力

中图分类号：TH137.332  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）14-85-03

Abstract： The paper describes the friction plate fault of the lock up clutch in the hydraulic torque converter， analyzes the probable causes of friction plate fault based on the structure of hydraulic torque converter， check the original design， determines the fundamental cause， update design and carry out verification test.

Keywords： Torque Converter; Lock up Clutch; Dimension Chain; Axial alignment; Pressure Bearing Capacity

CLC NO.： TH137.332  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）14-85-03

1 前言

液力变矩器是液力自动变速器的关键部件，在车辆低速运行时，液力变矩器变矩工作，将从发动机获取的能量转换为扭矩，带动车辆前进，在车辆高速运行时，变矩器闭锁工作，使发动机与变速器直连，提高车辆的运行效率。因此，液力变矩器性能的稳定与否直接关系到车辆能否正常运行。

新开发的液力变矩器需要通过各种试验来检测其设计的合理性。这些试验包括生产下线试验、性能试验、零件可靠性试验（耐久试验）及试车试验。本文正是通过可靠性试验检测出液力变矩器的设计缺陷，而后针对试验结果进行了原因分析、设计校核，查找到失效的根本原因，并对失效点进行了设计更新和试验验证。

2 问题描述

新设计的液力变矩器在耐久试验中途拆解检查，发现闭锁离合器摩擦片两面均失效。如图1、图2和图3所示。图1可见摩擦片的花键部位（与扭转减震器花键配合处）出现了严重的磨损现象，花键齿形成两侧剑刃状。图2可见摩擦片与对偶片相配合的摩擦面内环出现摩擦材料严重脱落的现象。从图3的变矩器装配结构来看，图1摩擦面远离活塞端，图2摩擦面近活塞端。

3 原因分析

从失效的现象来看，摩擦片在运行过程中轴向脱离扭转减震器的配合花键，摩擦片内花键与配合花键的端面棱边互相干磨，致使摩擦片花键非正常磨损，并形成剑刃状。因此，摩擦片轴向脱离配合面是根本原因。

如图4所示，液力变矩器总成结构中，泵轮1与涡轮2的间隙为2.6mm，涡轮2与导轮3的间隙为3.4mm，涡轮2与单向离合器7的间隙为2.2mm，活塞5与闭锁离合器6对偶片的间隙为2mm。装配时，扭转减震器4向右可移动距离为2.2mm，摩擦片与扭转减震器的距离为2.5mm。

闭锁离合器6摩擦片与扭转减震器4脱开的距离=扭转减震器4向右可移动距离+闭锁离合器6摩擦片与扭转减震器4的距离=2.2mm+2.5mm=4.7mm。

可能的活塞与扭转减震器之间的间隙为活塞与对偶片间隙与扭转减震器向右移动距离之和，即4.2mm，接近4.7的最大间隙。

如果考虑摩擦片的倒角，摩擦片在工作过程就有可能从扭转减震器的花键配合轴向脱出。

从以上分析来看，扭转减震器及涡轮可以轴向移动是故障发生的根本原因。

4 设计校核

该设计中，轴向尺寸链为：罩轮—推力轴承—涡轮及扭转减震器—导轮—垫片—止推轴承—泵轮毂—泵轮—中间盘—罩轮。

其中，涡轮总成两侧为推力轴承10和止推垫9，没有轴向定位，可左右移动。

在机械设计中，一个完整的尺寸链只能有一个调整点，而此处轴向定位出现了问题，涡轮总成的左右两端均未定位，与机械设计原理相背离。因此，可以确定该设计不合理，轴向需要重新定位设计。

另外，在分析的过程中发现设计中还存在另一个问题，活塞承压面积大，重量大，导致摩擦片材料大面积脱落。为此，我们对闭锁离合器的受力进行了校核。

可推算出摩擦片承受的单位净面压。经校核，摩擦片在此设计中承受的单位净面压为8500kPa，而摩擦材料的本身能够承受的单位净面压为4500kpa，其承受的单位净面压已经超出了摩擦材料的耐压能力。

5 方案改进

根据设计校核的结果，我们对现有设计从两个方面进行了改进：

（1）增加轴向定位，满足尺寸链要求;

（2）調整活塞的径向尺寸，降低摩擦片的面压。

针对第一条的改进措施为：将图5中的推力轴承变更为图6的深沟球轴承1，且深沟球轴承将扭矩减震器轴向定位，使其不可轴向窜动。这样，根据之前的分析，活塞与扭转减震器之间的间隙为2mm，摩擦片在工作时不会轴向脱出。

针对第二条的改进措施为：调整活塞的径向尺寸，外环尺寸不变，内环尺寸放大，缩小其与油源的接触面积，降低活塞对摩擦片的压紧力。根据计算，摩擦片的单位净面压降低为2059kPa，满足摩擦材料的耐压能力，同时满足闭锁离合器传递扭矩的要求。

改进的方案如图6所示。

6 试验验证

新方案的传递扭矩要求和轴向定位情况，需要通过试验来验证。我们对此进行了闭锁离合器的最大传递扭矩试验。

试验从定力矩试验和定转速试验两个方面进行。

定力矩试验分别在200s内升速到2400rpm进行1300Nm、1500Nm和1800Nm的扭矩传递，根据输入输出转速差，判断闭锁离合器是否发生了滑摩现象。

定转速试验是在50s内2400rpm时，扭矩提高到1800Nm过程中，闭锁离合器的工作情况，根据输入输出转速差，判断闭锁离合器是否发生了滑摩现象。

另外，还增加了最大传递扭矩破坏试验，即在800rpm时，要求传递扭矩2200Nm，如图7所示。

经过一系列的验证试验，试验结果表明更改后的方案能够解决轴向定位问题，同时满足扭矩传递的需求。

7 结论

本文针对可靠性试验拆解时发现的失效形式进行了调查和分析，找到了失效的根本原因。然后进行了设计校核，提出了新的改进方案，并对新方案进行了试验验证，证实了新方案的有效性。

此次的设计失效提醒设计工程师，在设计过程中应该注重机械设计原理，理论与实际相结合，才能设计出合理、可靠、满足需求的好产品。

参考文献

[1] 朱经昌.液力变矩器的设计与计算[M].国防工业出版社.

[2] 费祥麟.高等流体力学[M].西安交通大学出版社.

[3] 马文星.液力变矩器三维流动设计计算理论与方法的研究[D].长春：吉林工业大学.1991.