温度对离合器性能影响的研究

唐　俊，孙晋松，汪　江，马　成，苏家杰，王志强，于　尧

温度对离合器性能影响的研究

唐俊，孙晋松，汪江，马成，苏家杰，王志强，于尧

（安徽江淮汽车股份有限公司，合肥230011）

离合器作为整车传动系不可或缺的零部件，其使用故障多数为高温烧蚀，所以有必要深入了解温度与离合器性能之间的相互关系，找出影响离合器表面温度的因素和温度对离合器性能的影响，为整车离合器匹配设计提供支持。

离合器；温度；性能影响；匹配设计

随着汽车开发技术水平的提高和顾客对汽车性能需求的不断提升，在同等情况下，开发动力性更强、可靠性更高及操纵舒适性更好的汽车成为必然趋势［1］。离合器性能直接关系到整车的动力性、可靠性及操纵舒适性［2］。在影响离合器性能的各种因素中，温度无疑是至关重要的一项，即离合器工作时，摩擦片表面温度及周边空气温度均对离合器性能产生重要影响［3-4］。本文通过分析温度对离合器性能的影响，进而提出提升离合器性能的优化方案［5-8］。

1　温度影响机理分析

离合器被安装在发动机机体后端面上的飞轮上，同时离合器被离壳包围在里面。离合器的工作特性是频繁结合与分离，在此过程中离合器摩擦片会因为不断地摩擦而发热，从而造成其表面和周边空气温度的改变。一方面由于摩擦片表面温度的升高将导致其摩擦片内的高聚物分解为气体和低分子物，造成性能衰退；另一方面由于周边空气温度的上升，将造成摩擦片表面温度难以降低，热传递受阻。温度过高情况下，将导致与离合器摩擦片匹配件飞轮和压盘出现裂纹或表面翘曲，从而进一步加剧离合器性能的衰退。所以摩擦片的材质和离壳通风结构是影响摩擦片表面温度最重要的两个方面，也即是说，这两个方面将对离合器性能产生至关重要的影响［9］。

1.1离合器材质的温度影响

根据文献［3］，离合器表面温度计算公式如下：

式中：θ面为离合器从动盘表面温度；L为滑磨功，J；kL为滑磨功分配系数；τN为滑磨功率无因次参数，该参数随时间变化，理论和实践证实在0.45～0.65时，θ面最大；τL为滑磨功无因次参数，该参数随时间变化，理论和实践证实在0.45～0.65时，θ面最大；λ1为压盘或飞轮的材料导热系数；λ2为离合器从动盘的材料导热系数；C1为压盘或飞轮的材料比热容；C2为离合器从动盘的比热容；γ1为压盘或飞轮的密度；γ2为离合器从动盘的密度。

如公式（1）所示，离合器表面温度θ面主要与滑磨功L及离合器从动盘、压盘或飞轮材质有关；而由文献［3］可知，一旦整车参数、轮胎及速比确定后，滑磨功则已确定。所以最终主要影响离合器表面温度因素是材质，尤其是离合器从动盘摩擦片材质。相关材质中一般压盘本体和飞轮均采用HT250。

1.2离壳通风散热分析

为较直观地说明离壳的通风散热性对离合器内温度的影响情况，特对1款手动档变速器离壳进行了优化（如表1所示，主要是在满足壳体强度及刚度情况下，适当扩大离壳的通风散热孔数量及面积），同时分别将优化前后的变速器装配到两辆整车上（两辆车分别编号为A3和A4，见表1），然后进行离合器坡起耐久性试验（与2.1节中试验过程及方法相同），直至离合器打滑，全过程监测离壳内温度。

表1　试验车离壳主要参数

A3和A4完成试验后，坡起次数与离壳内温度变化情况如图1所示。

从图1可知，A3车完成25次坡起试验，A4车完成35次；A3车离壳内最高温度为188℃，A4车离壳内最高温度为185.5℃；A3车离壳内温度的上升速度明显快于A4车。因此，A3车离壳的通风散热性比A4车差，适当扩大通风散热数量及面积，可有效控制温度的上升速度，同时对离合器的性能有较大影响。

2　离合器升温及性能影响试验

2.1离合器温升试验

根据以如上分析可知，对温度产生关键影响的因素是摩擦片材质［10］。现选取两种典型材质F815和F815MCC的离合器从动盘，通过进行整车坡起耐久性试验，观察材质对温度的影响情况。两种材质的主要性能参数见表2，其对比雷达图见图2。

表2　摩擦片主要性能参数对比

根据以上性能参数对比，发现F815MCC综合性能优于F815。下面将两辆同一款A级车分别匹配如上两种同规格、不同材质的离合器从动盘总成（匹配F815材质整车代号为A1，匹配F815MCC材质整车代号为A2），先后进行整车坡起耐久性试验，全过程记录离壳内部温度变化情况（见图3）。

试验过程如下：

1）驻坡。在30%的坡道上使用手刹，使车辆驻坡。

2）起步爬行。踩下离合踏板，挂1档，发动机转速提高到2 500 r/min后，慢松离合踏板，使车辆动力缓缓结合，5 s内车辆爬行最少为1个车身长度的距离。

3）起步加速。完成起步爬行后，离合器完全结合，全油门加速，使车辆行驶2.5倍车身长度的距离。

4）空档倒回。完成起步加速后，使用行车制动停车，挂空档，车辆倒退到初始驻坡位置。

5）上述1）-4）为一个坡起循环，每个循环用时60 s（可在坡顶或坡底停车冷却一定时间，但需每个循环操作相同），共需不间断进行，直至离合器打滑。

根据如上试验过程（如图3所示），按图4所示在离合器离壳内布置温度传感器，试验完成坡起次数与离壳内温度变化情况如图5所示。

从图5可以看出，A1车完成25次坡起试验，A2车完成94次；A1车离壳内最高温度为189.5℃，A2车离壳内最高温度为297.2℃；A1车离壳内温度的上升速度明显快于A2车。

A2车所用F815MCC材质离合器耐磨性更好，即该材质离合器从动盘摩擦片对于温度的敏感性更小，能够承受更高的温度。

2.2温度对离合器性能的影响

下面选取两种典型摩擦片材质（代号分别为F815 和F815MCC）的离合器进行温度循环耐久台架试验。该台架试验类似于频繁换档工况［11］，试验共计16步，每步包括不同的循环次数（如图6所示）。针对该试验中不同工况和离合器摩擦产生能量共计分为3个阶段：第一阶段——低能量测试（12 kJ，60/100℃），包括step1、step2、step3、step5、step6、step9、step10、step13、step14；第二阶段——中能量测试（43 kJ，200℃），包括step4、step7、step11、step15；第三阶段——高能量测试（81 kJ，200℃）包括step8、step12。

根据上述试验方法，试验后两种材质的摩擦系数变化情况如图7所示。

从图7可以明显看出，F815和F815MCC两种材质的摩擦片摩擦系数与温度变化的趋势一致。试验过程中摩擦系数偶尔上升，但高温下摩擦系数总体会下降，仅仅是下降的速度有所不同，F815MCC下降得要慢一些，所以若长时间半离合将造成摩擦片的快速磨损［12］。

3　结论

本文通过离合器性能和温度之间的相互影响分析，得出如下结论：

1）离合器摩擦片材质和离壳的通风散热性对离合器表面温度起到至关重要的作用，离合器摩擦片材质和离壳的通风孔数量、面积是进行离合器匹配设计的关键因素。

2）高温下离合器摩擦片材质的摩擦系数会呈下降趋势，仅仅是不同摩擦材料下降程度不同而已。

利用本文的研究成果可有效进行离合器性能匹配设计，能够有效提升离合器性能，特别为针对驾驶习惯恶劣、路况较差区域进行整车离合器设计时提供参考。

［1］刘惟信.汽车设计［M］.北京：清华大学出版社，2001.

［2］余志生.汽车理论［M］.5版.北京：机械工业出版社，2010.

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［6］莫易敏，王峰，吕俊成，等.微型汽车离合器摩擦副瞬态温度场分析与验证［J］.武汉理工大学学报，2010，（6）

［7］张亮，史冬岩，张成，等.离合器接合过程中热-应力耦合分析［J］.科学技术与工程，2011，（26）

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［11］郑欣，蔡龙生，陈俐.干式双离合器在频繁换档工况的温度场研究［J］.传动技术，2011，25（3）

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修改稿日期：2014-09-05

Research on Temperature of Clutch Performance Influence

TangJun，Sun Jinsong，WangJiang，Ma Cheng，Su Jiajie，WangZhiqiang，Yu Yao
（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230011，China）

As an integral part of the vehicle powertrain components，the clutch has a great number of faults which are high-temperature ablations，so it's necessary to deeply understand the relationship between temperature and clutch performance，in order to find out the factors which affect the clutch surface temperature and the influence of temperature on the clutch performance.This work will provide support for the match design ofthe vehicle clutch.

clutch；temperature；performance influence；match design

U463.211

B

1006-3331（2015）01-0020-03

唐俊（1985-），男，工程师；从事汽车传动系研发设计工作。