浅谈汽车轴间粘性离合器匹配研究

杨乐肖 魏明远

摘 要：随着家用轎车及城市型SUV的普及，人们对汽车的乘坐舒适性要求越来越高，所以很多家用轿车及城市型SUV开始使用液体介质离合器作为汽车传动系统轴间差速器使用，这样很大程度上提高了汽车的通过性，同时又保证了汽车的舒适性。本文主要以城市SUV车型使用的粘性离合器为例，对工作原理及使用注意事项进行简单阐述。

关键词：离合器;速度差;粘性;硅油;摩擦片;扭矩

1 概述

粘性离合器属于被动耦合器的一种形式，是通过感应作用在离合器装置两边的转速差自动实现锁止，产生粘液剪切扭矩或锁止扭矩。最常用的粘性离合器是一个完全封闭的腔体，内部充满专用硅油，并包含两组传递扭矩的摩擦片，一组外摩擦片和一组内摩擦片，其中一组外摩擦片连接腔体并通过传动轴与分动器连接，另一组内摩擦片通过联轴器壳体与后桥主减的主齿轴连接，通过内、外摩擦片转速差剪切高粘度硅油，实现锁止传递扭矩。

2 工作原理

粘性离合器通过外壳旋转带动外摩擦片转动，再由外摩擦片旋转带动高粘度硅油转动，利用硅油的剪切力带动内摩擦片转动，内摩擦片和联轴器壳体连在一起，从而实现转矩的传递。粘性离合器有两种工作状态：粘性工作状态和驼峰工作状态。一般情况下，粘性离合器工作在粘性工作状态下，通过硅油的剪切力传递扭矩。内外摩擦片之间存在相对转动，形成一定转速差，这时充满腔体的硅油就会产生剪切力。由于粘性离合器的硅油通常是清澈无毒的，额定粘度一般在5000至30万里斯，粘度越大传递扭矩越大。在极端情况下，粘性离合器产生很高的转速差，硅油的温度不断增加，硅油的膨胀系数也不断增大，随着很高转速差持续一定时间后，硅油充满整个腔体，腔内压力随之迅速增大，推动内外摩擦片紧靠在一起，产生金属摩擦，使粘性离合器传递扭矩倍增，此现象被称为驼峰工作状态。

3 性能计算

下面以某款车型粘性离合器为例，计算其扭矩特性。

粘性离合器参数如下：①输出转矩：180Nm;②最大转速差：ΔN =150rpm;③硅油填充率90%;④内摩擦片23片，外摩擦片24片，片间隙为0.19mm，组数：23.5，内摩擦片外半径r1=0.0495m，外摩擦片内半径r2=0.021m。

3.1 剪切转矩

①初选常温下粘度为6×104mm2/s硅油;

②根据计算公式混合硅油密度ρ=ρ1η0+ρg（1-η0） =970kg/m3，

式中，硅油填充率η0=90%，标准状态下空气密度ρg=1.293kg/m3，硅油密度ρ1=971kg/m3;

③最大剪切扭矩。

粘性离合器在剪切工作状态下，根据公式得出极限工作温度：

Tmp=9.675×（ΔN）0.5085=9.675×（150）0.5085=123.65℃。

在极限工作温度下，根据经验公式得出最大剪切扭矩：

=328Nm

式中，ρ——混合硅油密度，ρ=970kg/m3;

v0——硅油初始运动粘度，v0=6×104mm2/s;

Tmp——硅油瞬间温度，Tmp=123.65℃;

σ——油膜厚度，取σ=0.0006m;

γB——参考硅油剪切率，γB=300σ-1;

ΔN——输入和输出端的最大转速差：ΔN =180rpm;

n——硅油流动指数（硅油填充率η0=85%-90%时，取1.1）;

r1——内摩擦片外半径，r1=0.0495m;

r2——外摩擦片内半径，r2=0.021m;

a、b、c、d——常数，a=722.44;b=0.322×10-4;c=1.0037;d=2.4466

3.2 驼峰扭矩

①粘性离合器处于驼峰工作状态时，根据经验公式，其内部温度：

式中，硅油体积热膨胀系数β=0.00095（1/°C），T0=25°C=298K;

②根据经验公式，粘性离合器内部压力：

式中，空气的初始状态为：空气压力P0，空气温度TS。

③驼峰扭矩。

根据库伦摩擦定律，粘滞离合器驼峰转矩：

T=π·k·f·p·m·（r-r）

=×3.14×0.8825×0.012×8.382×23.5×（0.0495-0.021）569Nm

式中，内外摩擦片接触系数k=0.8825，摩擦系数f=0.012。

4 设计及匹配总结

粘性离合器在设计及匹配过程中应该注意以下几个关键点：

a内外摩擦片的片数、直径和间隙，硅油的粘度、填充比例等对粘性离合器传递扭矩的性能有很大关系，需要在整车测试过程中不断优化。b驼峰工作状态发生的时间点能够通过改变内腔空气和硅油的填充比例进行调节，调节驼峰工作状态，使粘性离合器尽在极端的情况下发生驼峰现象，而不是所有状态下都发生。c对于装有防抱死制动系统（ABS），应考虑与之兼容性，在离合器与车桥之间加装离合机构，当汽车紧急制动时暂时断开与车桥的连接，使车桥不受限制运转。d由于生产过程中的制造、装配等诸多因素，不能保证每个粘性离合器的特性都和设计目标一致，如果达不到预期的传动效果，则汽车的性能会受到影响，所以标定粘性离合器扭矩特性时，必须同时考虑夏天和冬天两种驱动情况，同时尽量将急转弯时的影响降到最小状态。

5 使用注意事项

粘性离合器是一种粘液离合器，通过摩擦片旋转产生速度差，摩擦产生热量进行工作，但在实际使用中应注意以下几个事项：a在使用过程中不应长时间使粘性离合器处于工作状态，当暂时无法脱困时中间应有足够间歇，否则粘性离合器会因此产生过热现象而烧毁。b汽车发生故障需要拖车时，应注意四轮要全部拖起，否则粘性离合器会因前后存在轮速差长期处于工作状态而烧毁。

参考文献：

[1]朱华卫.液体粘性联轴器特性及其检测方法研究[J].浙江大学硕士学位论文，2006.08.01.