高扭矩離合器的強度校核和滑磨控制

袁明佳 文敏 汪杰強 米世生 劉立娟 梁甲 張健軍

摘 要：離合器是自動變速器系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件之一，主要作用是進行動力的傳輸或中斷，最終實現(xiàn)前進擋/倒擋/空擋的切換。同時其換擋平順性也是變速器換擋性能的重要指標。

關(guān)鍵詞：離合器;自動變速器;換擋平順性

1 引言

離合器作為動力傳輸部件，其設(shè)計原理、強度計算及換擋平順性等具有重要意義。文中以某無級自動變速器（CVT）的離合器為例，闡述了280Nm高扭矩下離合器的強度校核及滑磨控制手段提升換擋平順性的設(shè)計驗證。

2 離合器設(shè)計原理

2.1 行星機構(gòu)選型

行星機構(gòu)主要實現(xiàn)變速，通過速比、扭矩等需求進行結(jié)構(gòu)類型的選擇。齒圈、行星齒輪、太陽輪是行星機構(gòu)的三大件，通常還會有行星架、滾針軸承和減磨墊片等支撐零件。行星機構(gòu)的常見類型見表1。

2.2 摩擦片扭矩容量計算

摩擦片鎖止時傳遞的扭矩容量跟其摩擦系數(shù)、摩擦面數(shù)、夾緊力相關(guān)，其公式為：

3 離合器高扭矩強度校核

離合器高扭矩來源于1.5T動力發(fā)動機，最大扭矩由250Nm提升至280Nm。離合器復(fù)位彈簧需根據(jù)扭矩進行匹配[1]。在高扭矩下，離合器的摩擦片扭矩容量、外轂強度需進行校核。

3.1 摩擦片扭矩容量校核

使用本文中2.2章節(jié)的計算公式，在液壓油壓力提升至1.45Mpa工況下，計算出摩擦片的傳扭能力為312.9Nm。在安全系數(shù)下，可滿足變速器高扭矩要求。

3.2 外轂強度校核

3.2.1 外轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了提高承載能力，減少軸向尺寸，同步優(yōu)化外轂的結(jié)構(gòu)。原結(jié)構(gòu)使用了壓板、固定卡簧來支撐摩擦片進行鎖止，經(jīng)過優(yōu)化及尺寸縮減后，取消壓板、固定卡簧零件，使用獨特的齒圈平面結(jié)構(gòu)代替壓板的作用，并在外轂上反沖限位凸臺，進行齒圈軸向限位，減少零件數(shù)量、成本及空間尺寸，如圖1。外轂結(jié)構(gòu)和齒圈平面結(jié)構(gòu)都已獲得專利保護。

3.2.2 外轂CAE分析

使用ABAQUS有限元分析軟件，建立外轂受力及約束條件，分析其應(yīng)力強度。

通過分析，外轂的最大應(yīng)力位置處于旋壓齒形的根部，見圖2，其應(yīng)力值為278.7Mpa，小于材料屈服強度，并在安全系數(shù)下滿足應(yīng)力強度要求。

4 滑磨控制

4.1 滑磨功能描述及進入條件

滑磨是指從離合器剛開始傳遞扭矩的位置到離合器主從動軸轉(zhuǎn)速同步的位置[2]?；スδ芤步械∷倏論豕δ?，即在正常停車時，檔位處于前進擋，此時摩擦片處于滑磨狀態(tài)，再執(zhí)行回空擋動作或加大壓力鎖止起步時，整車的換擋平順性得到較大的提升。

滑磨控制功能需要滿足一定的條件，才可以進入或退出。其中一些條件通常是必不可少的，如表3。

4.2 滑磨控制驗證

4.2.1 高扭矩對滑磨控制的影響

在高扭矩下，發(fā)動機的怠速由原來的750rpm提升到850rpm?；タ刂茣r，通常其轉(zhuǎn)速控制在比發(fā)動機怠速低100rpm左右。因此，滑磨轉(zhuǎn)速會由原來的650rpm提高到750rpm，滑磨功率會有所提高，對離合器內(nèi)部的摩擦片滑磨耐久性是一個難點。

滑磨扭矩通常在10Nm左右，在滑磨轉(zhuǎn)速提升到750rpm時，對應(yīng)的滑磨功率由113.4W提升到130.9W。

4.2.2 高扭矩滑磨控制熱量仿真

使用專用軟件對滑磨功率提升后進行溫度升高仿真，該數(shù)據(jù)由合作伙伴提供。

從圖3的圖形結(jié)果得到，滑磨的溫度容易受潤滑流量的影響，并且隨著滑磨時間的增加而不斷上升。摩擦片通常建議的許用溫度不超過200℃，若潤滑流量僅有0.5L/min時，滑磨的時間應(yīng)不超過20秒。

4.2.3 高扭矩滑磨臺架驗證

在臺架進行滑磨試驗以得到高扭矩下的耐久關(guān)系曲線圖?；崃靠梢酝ㄟ^滑磨功率及滑磨時間計算得到，本文不再描述。試驗設(shè)計為3個，每個試驗的滑磨熱量差值相等，可以取50-60J/cm2，目標耐久建議設(shè)為10倍關(guān)系。試驗時需要中途拆機檢查摩擦片滑磨狀態(tài)，以得到更加準確的耐久次數(shù)。

4.2.4 高扭矩滑磨耐久曲線

在變速器臺架上執(zhí)行設(shè)定的3個耐久試驗，并且試驗結(jié)果都滿足設(shè)定的目標耐久次數(shù)，把熱量與耐久次數(shù)的關(guān)系繪制成曲線，在對數(shù)圖表中體現(xiàn)，見圖4。

高扭矩下滑磨一次產(chǎn)生的熱量計算得到93.24J/cm2，通過曲線擬合函數(shù)計算得到耐久次數(shù)是439986次，變速器滑磨耐久通?？梢鬄?0萬次，即高扭矩下滑磨耐久滿足需求。

5 結(jié)束語

通過在高扭矩的工況下，對離合器零部件進行強度校核，各部件強度均滿足設(shè)計要求。同時通過臺架試驗驗證，滑磨控制功能耐久性滿足要求。文中雖然以CTF28無級變速器為例進行研究，但研究方法可以普及到大部分自動變速器的離合器設(shè)計及驗證中。

參考文獻：

[1]文敏，劉立娟，梁甲等. 關(guān)于CVT中離合器彈簧系統(tǒng)的設(shè)計[J].時代汽車，2019年第二期.

[2]胡福建，丁美玲，葛娟娟等. DCT起步離合器滑磨控制策略制定及驗證[J].客車技術(shù)，2014年05期.