大馬力離合器的開發(fā)

劉培，趙文，凌院，張永暉

安徽華菱汽車有限公司，安徽馬鞍山 243061

0 引言

隨著重卡行業(yè)的發(fā)展，國六排放的實施，卡車的馬力提升已是必然趨勢，每一家主流重卡廠商至少有一款368 kW以上的代表性產(chǎn)品，隨著大馬力發(fā)動機(jī)的普及，輸出扭矩的增加，離合器所需承受的傳扭負(fù)荷相應(yīng)增加，市場上反饋使用在大馬力車型上的離合器打滑故障占比快速上升。大馬力離合器主要故障為打滑，即加大油門，車輛加速慢，發(fā)動機(jī)無力，其中以自卸車與長期超載使用車輛在上坡時較易出現(xiàn)。

1 建立模型

摩擦離合器結(jié)合過程的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 摩擦離合器結(jié)合過程的力學(xué)模型

離合器打滑燒片主要原因就是過熱，即飛輪、從動盤和壓盤之間的高熱量導(dǎo)致金屬流動，摩擦材料分解。

離合器的溫升能量(滑磨功)來自于離合器接合過程中飛輪、從動盤和壓盤的相對摩擦。通過建立力學(xué)模型(圖1)，排除人為影響后，發(fā)動機(jī)扭矩也是影響溫升能量的主要因素。

離合器摩擦力矩與發(fā)動機(jī)扭矩力量傳遞的數(shù)學(xué)模型計算公式為：

(1)

其中離合器摩擦力矩與發(fā)動機(jī)扭矩成正比。

離合器滑磨功與離合器摩擦力矩的數(shù)學(xué)模型計算公式為：

(2)

其中滑磨功與離合器摩擦力矩成正比。

壓盤溫升與滑磨功的數(shù)學(xué)模型計算公式為：

(3)

其中滑磨功加大引起壓盤溫升增大。

從上述數(shù)學(xué)模型可以看出：增大引起上升，最終壓盤溫升增大，從而導(dǎo)致離合器過熱。

2 蓋總成方案開發(fā)

為解決大馬力車型離合器過熱導(dǎo)致打滑、摩擦片燒蝕問題，開發(fā)出新型大馬力離合器，與行業(yè)同類產(chǎn)品對比無論是傳扭能力還是使用壽命都表現(xiàn)優(yōu)異。主要產(chǎn)品特點見表1。

表1 大馬力離合器產(chǎn)品特點

蓋總成：優(yōu)化壓盤結(jié)構(gòu)提高吸熱散熱能力，減緩高扭矩高能量接合過程中的溫升，有助于提高摩擦片使用壽命。

從動盤：采用255 mm減振結(jié)構(gòu)降低剛度，優(yōu)化從動盤怠速阻尼系統(tǒng)，提高舒適性。

2.1 壓盤開發(fā)

由于摩擦片摩擦因數(shù)與磨損率受溫度的影響很大，一般摩擦片在350 ℃以后摩擦因數(shù)會急劇下降磨損率上升，壓盤的升、降溫特性就成為影響摩擦因數(shù)與摩擦片使用壽命的關(guān)鍵因素。壓盤類型如圖2所示。針對不同車輛與路況選擇不同的壓盤，既保證了離合器的質(zhì)量，又節(jié)約了成本。

圖2 壓盤類型

通過能量沖擊試驗記錄每次分離結(jié)合壓盤的溫升、統(tǒng)計吸收相同能量后壓盤累計升溫情況，如圖3所示，累計滑磨能量為單次結(jié)合100 kJ。從圖3可以看出高熱容量壓盤能夠保持較良好的工作溫度，可以使離合器保持合理的使用溫度，可以找到不同壓盤吸收能量的熱平衡點，從而優(yōu)化壓盤結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖3 累計起步溫升與累計滑磨功的關(guān)系

通過圖4臺架試驗結(jié)果可知，大馬力離合樣件的扭矩為4 500～5 400 N·m ，144次后升溫200 ℃，壓盤面最高溫度為340 ℃ ，滑磨功為180 kJ，其中溫度曲線指的是離合器在臺架上按周期連續(xù)分離接合過程中壓盤的溫升，溫度2～6曲線是指壓盤不同位置的溫度，試驗過程中會在壓盤外中內(nèi)3個直徑上布置溫度傳感器，不同點表示不同壓盤位置的溫度。

圖4 大馬力離合器能量臺架試驗

通過調(diào)整壓盤熱容量方法，保證了福達(dá)大馬力壓盤良好的抗升溫性。

2.2 膜片彈簧開發(fā)

膜片彈簧采用50CrV4鋼板，按德國標(biāo)準(zhǔn)檢驗其化學(xué)性能，通過熱強(qiáng)壓工藝降低膜片力值衰減率，最后采用中溫回火工藝降低其應(yīng)力。

大馬力離合器力值衰減率：在行標(biāo)條件下動態(tài)耐久力值衰減小于6% (標(biāo)準(zhǔn)10%)，在行標(biāo)條件下動態(tài)耐久力值衰減小于6% (標(biāo)準(zhǔn)10%)。

膜片彈簧力值衰減率是離合器使用壽命的決定性因素之一，因此力值衰減率低也是大馬力離合器優(yōu)勢之一。

2.3 蓋零件開發(fā)

溫度是影響離合器故障的關(guān)鍵因素。為此，大馬力壓盤增加260 mm的讓位臺階孔，同時增加耳部寬度，提高了壓盤質(zhì)量，即提升了壓盤的熱容量。減緩了在高扭矩高能量接合過程中的溫升，提高摩擦片的使用壽命。大馬力離合器蓋零件設(shè)計為通風(fēng)結(jié)構(gòu)，增加蓋零件耳部開口尺寸，耳部開口尺寸由165 mm增大到180 mm,如圖5和圖6所示，增加總成旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的空氣對流，提高離合器總成散熱性，從而降低工作環(huán)境溫度。

圖5 傳統(tǒng)離合器蓋零件

圖6 大馬力離合器蓋零件

目前市場上大馬力離合器最大故障是打滑，而引起打滑的原因是摩擦片過度磨損。通過臺架試驗，分析過度磨損的原因存在以下兩點：

(1)高溫環(huán)境下摩擦片磨損率提升；

(2)在離合器使用過程中壓力增加、沖擊力增加，摩擦片磨損率會相應(yīng)增加。

利用高能量循環(huán)起步試驗，摩擦因數(shù)和溫度關(guān)系曲線對比，通過對不同摩擦材料進(jìn)行臺架試驗，KM1790A在高能量循環(huán)起步試驗中表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)的進(jìn)口材料摩擦材料，與新的進(jìn)口材料相近(圖7)，但新的進(jìn)口材料價格較高，大馬力離合器最后選用KM1790A摩擦片替代傳統(tǒng)的進(jìn)口材料摩擦材料，成功解決了以上兩點問題。

圖7 摩擦因數(shù)隨溫度變化曲線

傳統(tǒng)離合器的減振器采用外徑232 mm減振結(jié)構(gòu)設(shè)計，極限主減振扭轉(zhuǎn)角度為7°，極限扭矩為3 500 N·m，主減振扭轉(zhuǎn)剛度為550 N·m/(°)。大馬力離合器的減振器采用外徑255 mm減振結(jié)構(gòu)設(shè)計，扭轉(zhuǎn)角度加大，降低扭轉(zhuǎn)剛度，提高減振性能。正向總角度為12.5°，其中極限主減振扭轉(zhuǎn)角度為9°，極限扭矩為3 600 N·m，主減振扭轉(zhuǎn)剛度為390 N·m/(°)；與傳統(tǒng)減振器相比扭轉(zhuǎn)剛度減少29%，如圖8和圖9所示。

圖8 傳統(tǒng)減振器的扭轉(zhuǎn)特性

圖9 大馬力減振器的扭轉(zhuǎn)特性

3 結(jié)束語

通過與傳統(tǒng)離合器性能狀態(tài)對比，以及對大馬力離合器的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型的全面分析研究，并通過相關(guān)試驗驗證，充分地確認(rèn)了大馬力離合器開發(fā)過程需要規(guī)避的風(fēng)險，成功地開發(fā)了大馬力離合器，極大地滿足了大馬力車型的動力傳遞需求，保證了車輛安全、高效運行的要求。