多参数耦合下湿式换挡离合器滑摩特性

周宇航，李胜波, 符升平

(厦门理工学院 机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024)

湿式换挡离合器是车辆自动变速器的关键部件，结合平顺，分离彻底，传递力矩更加可靠，其滑摩特性直接影响自动变速器工作的可靠性、平顺性和高效性，并决定了车辆的换挡品质.离合器的滑摩特性主要包括摩擦片的速度响应特性和滑摩转矩特性，因此，研究多参数耦合下湿式换挡离合器的滑摩机理和动态特性具有一定的理论价值.张志刚等[1]基于表面粗糙接触模型建立湿式离合器的接合模型，得出接合压力的增大可以有效缩短摩擦副接合时间，润滑油液粘度的增大可以减慢摩擦副速度响应的结论.顾荣华等[2]基于湿式离合器摩擦副表面生热机理，建立了滑摩功计算模型，研究转速差和油液压力等参数对接合过程中摩擦副表面生热的影响规律.陈漫等[3]研究摩擦副转矩传递规律，提出等效摩擦系数，仿真分析湿式离合器多摩擦副接触压力分布规律，并建立湿式离合器转矩计算模型.Li 等[4]仿真分析油液压力、润滑油粘度等因素对湿式离合器摩擦副接合特性的影响规律.冯挽强[5]仿真分析湿式离合器接合过程中各个工况下的摩擦转矩，建立了摩擦副油液润滑阶段、混合摩擦阶段和粗糙接触阶段的数学模型.刘小川等[6]基于雷诺方程和Hertz接触模型，建立了湿式离合器接合转矩计算数学模型，分析了粘性转矩和粗糙转矩对接合转矩传递变化影响.赵家昕等[7]建立热弹性不稳定性理论下湿式离合器摩擦副模型，仿真分析摩擦副润滑边界和摩擦片表面粗糙度等对接合压力的影响情况.袁跃兰等[8]建立初始油膜承载力模型，求解压力场，得到湿式离合器摩擦片与钢片的结构参数对油膜承载力的影响规律.文献[9-12]仿真分析湿式离合器滑摩过程中粘性转矩、粗糙摩擦转矩的变化.

综上所述，目前针对湿式换挡离合器研究主要集中在润滑边界和摩擦副接触情况对滑摩特性方面的影响，而针对多参数耦合下湿式换挡离合器滑摩特性机理和动态特性的研究较少.因此，本文针对某车辆湿式换挡离合器，分析多因素下离合器滑摩特性，建立和验证离合器动态分析模型，仿真研究多参数对摩擦片速度响应特性和滑摩转矩的影响.

图1 湿式换挡离合器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of wet shifting clutch structure

1 湿式换挡离合器

1.1 湿式换挡离合器滑摩机理

湿式换挡离合器主要包括摩擦片和钢片等部件，如图1所示.在湿式换挡离合器接合过程中，油液进入活塞腔内产生油压，油压传递到活塞，使摩擦副的主动片向从动片靠近，摩擦副间隙减少，油液从湿式换挡离合器摩擦副边缘被挤出，带走摩擦副滑摩时产生的热量，当摩擦副元件分离时，油液不再进入活塞腔，摩擦副的主、从动片在弹簧回复力作用下重新分离.

湿式换挡离合器滑摩过程分为以下3个阶段.1) 油液润滑阶段，即从湿式离合器摩擦副存在间隙到表面粗糙峰接触前，摩擦副表面被润滑油膜完全隔开无法接触，仅由润滑油膜承担油液压力，所产生的摩擦转矩仅为油膜压力产生的粘性转矩.2) 混合摩擦阶段，即从摩擦副表面微凸体开始接触到润滑油膜消失前，油膜和摩擦副表面微凸体共同承担接合压力，该阶段的摩擦转矩由粘性转矩和摩擦副微凸体接触所产生的接触转矩组成.3) 粗糙接触阶段，湿式离合器摩擦副间油液无法形成油膜，该阶段的摩擦转矩仅为摩擦副微凸体接触所产生的接触转矩.因此，湿式换挡离合器摩擦转矩Td包括摩擦副微凸体接触所产生的接触转矩Tv[13]和油膜被剪切产生的粘性转矩Te[14]，即

(1)

式(1)中：λ为摩擦副微凸体接触面积与总接触面积比；η为润滑油液动力粘度；h为油膜厚度；φf,φfs分别为Patir和Cheng因素；Δω为摩擦片与钢片之间的转速差；f为摩擦因数；pc为油液压强；R1，R2分别为摩擦副内、外径；r为摩擦副径向半径；θ为摩擦副周向角度.

1.2 粘性转矩分析及仿真

研究湿式换挡离合器的接合过程主要是为了研究摩擦副的转矩传递情况，粘性转矩是接合过程中摩擦转矩的一部分，因此,有必要对粘性转矩进行分析及仿真计算.粗糙表面峰点密度α为

(2)

式(2)中：A0为弹塑性比例系数；R为微凸体的曲率半径；σ为联合粗糙度均方根；H为膜厚比，H=h/σ;ρ为润滑油密度.

基于平均流量模型，考虑摩擦副接触面粗糙度与润滑油液所受到的离心力，假设油膜压力分布具有轴对称性，可得圆柱坐标下雷诺方程为

(3)

式(3)中:φ为渗透率；d为摩擦材料的厚度;p为摩擦片间隙中的油膜压力;ht为摩擦副间隙中油膜的平均厚度;ω1和ω2分别为主动元件和被动元件的角速度.

根据式(3),可得平均油膜厚度变化率为

(4)

根据式(4),可求得润滑油膜厚度随时间变化的数学模型.湿式离合器油膜厚度仿真曲线,如图2所示.将固定的参数代入粘性转矩计算公式，可以得到粘性转矩随转速差变化的仿真曲线,如图3所示.

图2 湿式离合器油膜厚度仿真曲线 图3 粘性转矩随摩擦副初始转速差变化的仿真曲线 Fig.2 Simulation curve of wet clutch Fig.3 Simulation curve of viscous torque with oil film thickness initial speed difference of friction pair

由图3可知:粘性转矩随摩擦副相对转速差的整体趋势是先增加后减小直至可以忽略；粘性转矩在相对转速差从1 000 r·min-1开始减少时逐渐变大，此时，润滑油量小于维持摩擦副全油膜润滑所需流量，当供给的润滑油流量可以维持摩擦副全油膜润滑且初始间隙消除阶段结束时，油膜所传递的粘性转矩达到最大，最大粘性转矩约占最终稳定滑摩转矩的3.1%；当摩擦副元件逐渐达到同步时，粘性转矩线性减少,直至为0.

1.3 接触转矩分析

在湿式换挡离合器工作过程中，在油压作用下,摩擦副主、从动件逐渐接合，摩擦副接触情况和主、从动件间的转速差会随之改变，引发摩擦副接触表面产生发热、变形和磨损等情况，导致摩擦副摩擦因数f的变化[15]，即f=0.130 7exp(5.161×10-5Δω).

在湿式换挡离合器摩擦副接合过程中,随着摩擦副间隙中油膜厚度发生变化，摩擦片粗糙峰与油膜承担摩擦副上的油液压力.假设摩擦副中的钢片与摩擦片表面粗糙度服从Gauss 分布和各向同性，且粗糙峰之间的接触是弹性的.粗糙接触有效压力pc和膜厚比H的近似关系式[16]为

(5)

2 湿式换挡离合器动态分析模型

2.1 离合器摩擦副Hertz接触力学模型

湿式换挡离合器在接合过程中，摩擦副传递转矩由油膜剪切力和粗糙峰接触扭转组成，且摩擦片会产生弹塑性变形.因此，基于Hertz接触力学模型，分析摩擦片表面粗糙峰和表面模型变形状态.采用Patir[17]推导的粗糙接触面关系，计算模型为

Fn=Kδe+CV.

(6)

式(6)中：Fn为法向接触力；K为摩擦片刚度；e为弹性恢复系数；δ为接触点的法向穿透深度；C为摩擦片接触阻尼；V为碰撞速度.摩擦片刚度为

(7)

式(7)中:n为单位面积微凸峰数目;a为微凸峰的平均高度.摩擦片接触阻尼为

(8)

式(8)中：δ为接触点的法向穿透深度.

湿式换挡离合器摩擦副元件是面面接触，摩擦副主、从动件的接触等效为Hertz接触数学模型.而摩擦副接触可以等效成类似弹簧阻尼模型，可以用ADAMS软件中IMPACT函数表达摩擦副之间的接触力.IMPACT函数表达式为

(9)

式(9)中：q为两物体接触时距离；q0为两物体初始距离；d0为阻尼最大时的位移.ADAMS软件中法向接触力Fn的理论计算公式为

Fn=K×(Δx)e-step(x，0，0，d0，C)×V.

(10)

式(10)中：Δx为两碰撞物体的挤压变形.

2.2 动态分析模型

湿式换挡离合器的壳体作为主动端，驱动摩擦副元件滑摩至同步旋转，将动力传递给被动齿轮.给摩擦副元件添加圆柱副，使其在接合油压和传递转矩作用下平移旋转，消除摩擦副间隙.同时，增设离合器壳体与钢片之间的耦合副、摩擦片与被动齿轮之间的耦合副，保证与耦合副相关联的元件的动力学性能一致.

图4 湿式换挡离合器动态分析模型Fig.4 Dynamic analysis model of wet shifting clutch

调整各零件的位姿，设置各零件的质量和惯量属性，添加系统动力，设置离合器壳体初始转速(1 000 r·min-1)，建立接触力模型.湿式换挡离合器动态分析模型，如图4所示.动力学方程为

(11)

式(11)中:TPc，TTc为主、被动件转矩；JPc，JTc为主、被动元件转动惯量；R1为内径；z为摩擦副数.

3 仿真实验与分析

3.1 仿真模型参数

仿真模型基本参数，如表1所示.表1中：R2为外径；h0为摩擦副初始间隙；Δω为主动端转速差;μ为动力粘度润滑油粘度.采用ADAMS软件中的GSTIFF求解器，仿真时间为2 s，仿真步长为0.01 s，分析接合油压、摩擦副主、从动件转速差、摩擦因数，以及摩擦片刚度等因素对湿式换挡离合器滑摩特性的影响规律.

表1 仿真模型基本参数Tab.1 Basic parameters of simulation model

图5 油液压力曲线Fig.5 Oil pressure curve

3.2 验证模型

油液压力曲线，如图5所示.设置模型刚度为80 kN·m-1、摩擦副初始转速差为1 000 r·min-1和摩擦因数为0.16.假设摩擦副处于边界润滑状态，求解式(2)，(4),并代入式(1)，求得湿式换挡离合器工作过程中摩擦转矩，通过对比其与ADAMS软件中搭建的湿式换挡离合器动态分析模型的摩擦转矩，验证所建湿式换挡离合器动态分析模型的准确性.不同初始转速差的滑摩转矩对比曲线,如图6所示.

(a) Δω=1 000 r·min-1 (b) Δω=5 000 r·min-1图6 不同初始转速差的滑摩转矩对比曲线Fig.6 Comparison curve of sliding friction torque at different initial speeds

由图6(a)可知：动态分析模型的摩擦转矩峰值为7.306 kN·m，数学模型的摩擦转矩峰值为7.438 kN·m；当动态分析模型与数学模型在摩擦片初始转速差为1 000 r·min-1时,摩擦转矩误差为1.78%，可忽略不计.

由图6(b)可知：动态分析模型的摩擦转矩峰值为8.065 kN·m，数学模型的摩擦转矩峰值为9.067 kN·m；动态分析模型与数学模型在摩擦片初始转速差为5 000 r·min-1时摩擦转矩误差为11.05%.

在ADAMS软件仿真中，油膜厚度设为固定值，随时间没有发生变化，使得仿真时粘性转矩比计算时的粘性转矩小.当摩擦副初始转速差增大时，仿真的粘性转矩与计算的粘性转矩误差随之增大，因此，根据理论计算的总摩擦转矩大于ADAMS软件仿真的摩擦转矩.仿真时的初始转速差不应设置过大，防止与实际相差较大.

3.3 多参数耦合下的滑摩特性

3.3.1 摩擦副初始转速差 设置模型刚度为20 kN·m-1，摩擦因数为0.16.对比分析摩擦副初始转速差分别为1 000，3 000,5 000 r·min-1的滑摩特性，摩擦副初始转速差对转矩的影响，如图7所示.

由图7可知：当湿式换挡离合器摩擦副主、从动端初始转速差为1 000，3 000,5 000 r·min-1时，摩擦转矩分别为9.348，9.486，9.642 kN·m；离合器摩擦副主、从动件间初始转速差越大，摩擦副中的摩擦转矩越大，且产生转矩曲线波动越大，但摩擦转矩达到稳定所需时间相同.

3.3.2 摩擦片刚度 设置模型摩擦副初始转速差为1 000 r·min-1，摩擦因数为0.16.对比分析刚度分别为8，20，80 kN·m-1下的滑摩特性，刚度对转矩的影响，如图8所示.

图7 摩擦副初始转速差对转矩的影响 图8 刚度对转矩的影响 Fig.7 Effect of initial speed difference of Fig.8 Effect of stiffness on torquefriction pair on torque

由图8可知：当湿式换挡离合器摩擦片刚度分别为8，20，80 kN·m-1时，摩擦转矩分别为9.203，9.348和9.815 kN·m，在湿式离合器接合过程中，刚度越大，摩擦副之间所传递的摩擦转矩越大.刚度增大时，摩擦片与钢片间所产生的法向接触力越大，当法向接触力增大时，摩擦副间所传递的摩擦转矩越大.因此，当摩擦片的刚度增大时，摩擦副间所传递的摩擦转矩也随之增加.

3.3.3 摩擦因数 设置模型摩擦片刚度为20 kN·m-1，摩擦副初始转速差为1 000 r·min-1.对比分析摩擦副摩擦因数为0.08，0.16和0.24时的速度响应和滑摩特性.摩擦片摩擦因数对摩擦副初始转速差及摩擦转矩的影响，如图9，10所示.

图9 摩擦片摩擦因数对摩擦副初始转速差的影响 图10 摩擦片摩擦因数对摩擦转矩的影响 Fig.9 Effect of friction factors of friction plate on Fig.10 Effect of friction factors of initial speed difference of friction pair friction plate on friction torque

由图9可知：当湿式换挡离合器摩擦片摩擦因数分别为0.08，0.16和0.24时，摩擦副主、从动端达到同步的时间分别为0.219，0.164和0.093 s.摩擦片摩擦因数对湿式离合器初始摩擦副转速差影响非常大，当摩擦因数越大时，摩擦片表面更加粗糙，主、从动件所产生的滑摩力越大，达到同步状态所需要的时间更短.

由图10可知：当湿式换挡离合器摩擦片的摩擦因数分别为0.08，0.16和0.24时，摩擦转矩分别为9.089，9.169，9.804 kN·m.在滑摩过程所产生的热量主要是由摩擦副元件之间相对摩擦所产生的，摩擦因数的增大使滑摩过程中所产生的热量增多，热量被摩擦副元件和润滑油所吸收，导致两者特性发生改变，摩擦副间所传递的接触摩擦随之增大，使得摩擦副间的接触转矩也随之增大.因此，摩擦副间所传递的摩擦转矩随摩擦片上摩擦因数的增大而增大.

3.3.4 接合油压 设置模型刚度为20 kN·m-1、摩擦副初始转速差为1 000 r·min-1和摩擦因数为0.16.对比分析接合油压曲线峰值为0.8,1.0,1.2 MPa下的速度响应和滑摩特性,接合油压对转速差、对摩擦转矩的影响，如图11，12所示.

图11 接合油压对转速差的影响 图12 接合油压对摩擦转矩的影响Fig.11 Effect of joint oil pressure on Fig.12 Effect of joint oil pressure onspeed difference friction torque

由图11可知：当湿式换挡离合器摩擦副接合油压分别为0.8,1.0,1.2 MPa时，摩擦副主、从动端达到同步的时间分别为0.214，0.179，0.156 s.随着接合油压的增大，摩擦副间的法向接触力增大，主、从动片间滑摩力变大，使主、从动片达到同步所需时间缩短.

由图12可知：当湿式换挡离合器摩擦副的接合油压分别为0.8,1.0,1.2 MPa时，摩擦转矩分别为5.778，7.417，9.265 kN·m.当接合压力增加时，使得摩擦副间法向接触力增大，摩擦副传递的粘性转矩和接触转矩随之增加，从而增大摩擦转矩.

4 结论

1) 理论分析和数字仿真多参数耦合下湿式换挡离合器的滑摩特性，验证了仿真结果的准确性，为湿式换挡离合器的优化设计提供理论参考.

2) 通过调控仿真参数，得到接合油压、摩擦片刚度、摩擦副主、从动件初始转速差,以及摩擦因数对湿式换挡离合器接合过程中滑摩特性的影响.结果表明:适当提高接合油压，增大摩擦因数、摩擦片刚度和摩擦副主、从动件初始转速差可以有效改善湿式换挡离合器滑摩特性.