混合動(dòng)力轎車變速箱濕式制動(dòng)器設(shè)計(jì)研究

焦 敏 趙治國(guó) 王 晨

（1.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804；2.科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 201501）

目前，能源短缺、環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，國(guó)家積極推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展。但由于我國(guó)基礎(chǔ)充電設(shè)施和電池技術(shù)比較落后，純電動(dòng)汽車發(fā)展受限，作為傳統(tǒng)汽車到純電動(dòng)汽車過(guò)渡期的混合動(dòng)力汽車，將是我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)未來(lái)30年的主要發(fā)展對(duì)象。混合動(dòng)力技術(shù)作為傳統(tǒng)車的技術(shù)升級(jí)是當(dāng)前汽車技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路。混合動(dòng)力汽車搭載的變速箱以發(fā)動(dòng)機(jī)及雙電機(jī)為動(dòng)力源，通過(guò)新型復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功率分流，不僅可以避免電功率循環(huán)，還可以通過(guò)增設(shè)換擋元件實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出、高效固定傳動(dòng)比輸出等功能。濕式制動(dòng)器具有較好的散熱性能，并且電液伺服系統(tǒng)具有高能量密度，因此，當(dāng)前許多基于復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)的混合動(dòng)力變速箱都采取濕式制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的工作模式切換[1-3]。

本文設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力變速箱，通過(guò)在行星架上增設(shè)濕式制動(dòng)器B1，鎖止發(fā)動(dòng)機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連），使汽車低速行駛時(shí)，系統(tǒng)能夠以純電動(dòng)模式運(yùn)行；通過(guò)在電機(jī)1軸上增設(shè)濕式制動(dòng)器B2鎖止電機(jī)1，使汽車高速行駛時(shí)，系統(tǒng)能夠以并聯(lián)式混合動(dòng)力模式運(yùn)行，從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)效率的目的。針對(duì)上述濕式制動(dòng)器在混合動(dòng)力變速箱中的應(yīng)用，本文對(duì)兩組制動(dòng)器進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并通過(guò)極端苛刻的制動(dòng)模式對(duì)兩組制動(dòng)器進(jìn)行溫升分析和耐久試驗(yàn)。

1 濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

濕式制動(dòng)器B1結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理如下：液壓油進(jìn)入制動(dòng)油腔后，制動(dòng)活塞克服碟型彈簧阻力推動(dòng)摩擦片與對(duì)偶片壓緊，產(chǎn)生高摩擦力，從而致使與之連接的行星架（圖中未畫出）就被鎖止；當(dāng)液壓油從制動(dòng)油腔排出時(shí)，碟型彈簧彈簧將制動(dòng)器活塞復(fù)位至初始位置，制動(dòng)器脫開(kāi)，行星架可以自由旋轉(zhuǎn)。同理，濕式制動(dòng)器B2結(jié)構(gòu)及工作原理類似，這里不再贅述。

濕式制動(dòng)器的關(guān)鍵零部件是摩擦片和對(duì)偶片，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)布局緊湊、扭矩容量及熱容量大、傳動(dòng)平穩(wěn)以及可靠性強(qiáng)等要求。因此摩擦材料、摩擦片尺寸和片數(shù)是決定濕式制動(dòng)器扭矩容量的關(guān)鍵因素。本設(shè)計(jì)選用摩擦系數(shù)穩(wěn)定，且耐磨性好的紙基摩擦材料作為襯層的摩擦片，對(duì)偶片選用吸熱能力強(qiáng)的SPCC材料[4]。根據(jù)變速箱空間布局，本設(shè)計(jì)制動(dòng)器B1、B2摩擦片外形具體尺寸，如表1所示。

圖1 濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

表1 制動(dòng)器摩擦片外形尺寸（mm）

濕式制動(dòng)器B1、B2能夠明顯改善整車燃油經(jīng)濟(jì)性，濕式制動(dòng)器B1的匹配主要由動(dòng)力性指標(biāo)決定，濕式制動(dòng)器B2的匹配主要由經(jīng)濟(jì)性性能指標(biāo)決定。根據(jù)整車系統(tǒng)匹配前期設(shè)計(jì)輸入，得出所需制動(dòng)器B1和B2的最大轉(zhuǎn)矩分別是TB1max=275N·m，TB2max=80N·m。

假設(shè)摩擦片間壓力分布均勻，則制動(dòng)器B1、B2所能傳遞的最大扭矩如式（1）所示。

式中，μ為制動(dòng)器摩擦片摩擦系數(shù)，取0.1；plim為摩擦材料允許的單位應(yīng)力，取3.5N/mm2。

經(jīng)計(jì)算可得，制動(dòng)器B1、B2摩擦面數(shù)ZB1=4.16，ZB2=1.05，經(jīng)過(guò)圓整取ZB1=5，ZB2=2。考慮實(shí)際工程應(yīng)用中要有安全系數(shù)，因此確定制動(dòng)器B1摩擦片片數(shù)為3，對(duì)偶片數(shù)為4；制動(dòng)器B2摩擦片片數(shù)為1，對(duì)偶片片數(shù)為2。

2 制動(dòng)器摩擦片生熱數(shù)學(xué)模型

2.1 滑摩功率計(jì)算

由于制動(dòng)器接合過(guò)程中滑摩產(chǎn)生的熱量幾乎全部被制動(dòng)器吸收，導(dǎo)致制動(dòng)器溫度升高，這部分能量叫做滑摩功，即摩擦片滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩所做的功[5]。如下式（2）所示。

式中，Ws為接合過(guò)程中的制動(dòng)器滑摩功，TB為接合過(guò)程中的制動(dòng)器摩擦轉(zhuǎn)矩，ω為被制動(dòng)件鎖止前的最大角速度。

從上式可知，滑摩功與制動(dòng)時(shí)間、接合過(guò)程中的摩擦轉(zhuǎn)矩TB、被鎖止件的角速度ω有關(guān)。TB、ω是隨時(shí)間變化的，且它們的變化呈現(xiàn)非線性。因制動(dòng)器的制動(dòng)扭矩隨著時(shí)間變化較小，可假設(shè)TB為常量并暫取最大值。則所有摩擦片的最大滑摩功率如式（3）所示。

可將滑摩功率試驗(yàn)曲線簡(jiǎn)化為直線進(jìn)行計(jì)算，則滑摩功率隨時(shí)間變化的公式如式（4）所示。

如圖2所示，在制動(dòng)器摩擦片表面上取寬度為dr的微小圓環(huán)，圓環(huán)的半徑為r，此面積上產(chǎn)生的滑摩功率如式（5）所示。

圖2 制動(dòng)器摩擦片

式中，dT為該圓環(huán)上產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩；dω為主、被動(dòng)摩擦片角速度差；μ為制動(dòng)器摩擦片摩擦系數(shù)，取值0.1，PB為作用在摩擦片單位面積的應(yīng)力。

單面摩擦片的總滑摩功率如式（6）所示。

單面摩擦片的最大滑摩功率如式（7）所示。

式中,TdBmax為摩擦片單面所能傳遞的最大扭矩。

2.2 滑摩功率計(jì)算

由于對(duì)偶片導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于摩擦片導(dǎo)熱系數(shù)，故假設(shè)制動(dòng)器結(jié)合過(guò)程中產(chǎn)生的滑摩功全部以熱量形式傳遞給了對(duì)偶片，導(dǎo)致對(duì)偶片溫度升高[6]。由于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩恒定，制動(dòng)過(guò)程為勻減速運(yùn)動(dòng)，其中熱流密度與制動(dòng)時(shí)間t為線性函數(shù)關(guān)系，假設(shè)摩擦片上熱流密度是均勻的，則熱流密度函數(shù)QB如式（8）所示。

式中，dS為微小圓環(huán)的面積，如式（9）所示。

根據(jù)式（3）～式（8），摩擦片摩擦面上半徑為r處的熱流密度如式（10）所示。

3 濕式制動(dòng)器的溫升分析

本文利用Abaqus對(duì)制動(dòng)器摩擦副的溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元分析。已知液壓系統(tǒng)提供的制動(dòng)油壓，作用于制動(dòng)器摩擦片，制動(dòng)器B1摩擦片面壓pB1為2.77N/mm2，最苛刻的工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的初始轉(zhuǎn)速為1200r/min，制動(dòng)時(shí)間為0.99s；制動(dòng)器B2摩擦片面壓pB2為2.06N/mm2，最苛刻的工況下動(dòng)機(jī)1初始轉(zhuǎn)速1000r/min，制動(dòng)時(shí)間為0.522s。根據(jù)式（2）～式（10），可求得制動(dòng)器B1、B2的熱流密度函數(shù)，如表2、表3所示。

表2 制動(dòng)器B1不同初始轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的熱流密度函數(shù)

表3 制動(dòng)器B2不同初始轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的熱流密度函數(shù)

以上述結(jié)果作為有限元分析的邊界條件，設(shè)置模型的初始環(huán)境溫度。同時(shí)設(shè)置計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。分析采用類型為DC3D8的六面體網(wǎng)格，對(duì)偶片的材料為鋼，其材料參數(shù)如表4所示。

表4 對(duì)偶片材料參數(shù)

通過(guò)計(jì)算制動(dòng)器B1的溫升，并給對(duì)偶片表面節(jié)點(diǎn)加載熱流密度，可知不同半徑節(jié)點(diǎn)的熱流密度不同，且在半徑方向內(nèi)熱流密度是連續(xù)變化的。因此，筆者在有限元分析的邊界條件中做了離散處理，即根據(jù)不同半徑大小的節(jié)點(diǎn)，加載不同熱流密度，加載方式及操作界面如圖3、圖4所示。

如圖4所示，在左對(duì)話框中，熱流密度的大小為該半徑下初始時(shí)刻制動(dòng)器熱流密度的計(jì)算數(shù)值。假設(shè)熱流密度曲線隨時(shí)間成線性變化，并設(shè)置該值的幅值曲線在0～0.99s之間，幅值從為1～0，如圖4右對(duì)話框所示。接下來(lái)將該有限元計(jì)算模型的初始溫度場(chǎng)設(shè)置為70℃，通過(guò)瞬態(tài)熱分析計(jì)算得到制動(dòng)器B1對(duì)偶片的溫升云圖，如圖5所示。同樣的方法分析制動(dòng)器B2的溫升，按照表3中的熱流密度函數(shù)及制動(dòng)時(shí)間進(jìn)行分析，得到制動(dòng)器B2對(duì)偶片的溫升云圖，如圖6所示。

圖3 制動(dòng)器B1對(duì)偶片加載熱流密度

圖4 操作界面

圖5 對(duì)偶片B1的溫升云圖

圖6 對(duì)偶片B2的溫升云圖

從對(duì)偶片的溫升云圖中可以看出，制動(dòng)接合過(guò)程結(jié)束時(shí)刻，制動(dòng)器B1對(duì)偶片的最高溫度為95.54℃，與初始時(shí)刻相比升高了25.54℃；制動(dòng)器B2對(duì)偶片的最高溫度為71.8℃，與初始時(shí)刻相比升高了1.8℃，可知溫度沿半徑方向發(fā)生變化，且對(duì)偶片最外圈的溫度最高。在實(shí)際工作過(guò)程中，對(duì)偶片最常見(jiàn)的失效位置也位于最外圈，這是由于外圈的線速度最大，從而產(chǎn)生更多的摩擦熱，有限元分析的結(jié)果與該結(jié)論一致。

4 耐久試驗(yàn)

濕式制動(dòng)器B1和B2的理論設(shè)計(jì)和溫升分析已經(jīng)完成，接下來(lái)需要進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，以測(cè)試其耐久性是否滿足要求。現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器B1和B2分別進(jìn)行20萬(wàn)次和6萬(wàn)次高強(qiáng)度工況耐久性能測(cè)試。

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

平臺(tái)搭建試驗(yàn)設(shè)備主要包括混合動(dòng)力系統(tǒng)1套（合成箱、發(fā)動(dòng)機(jī)各1臺(tái)）、整車控制單元1個(gè)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元1個(gè)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器1個(gè)、動(dòng)力電池1臺(tái)、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)1套、上位機(jī)1臺(tái)等，試驗(yàn)臺(tái)架平臺(tái)如圖7所示。

圖7 變速箱系統(tǒng)臺(tái)架

綜合七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)路譜下的制動(dòng)器B1、B2工作條件，形成本試驗(yàn)工況條件，其中七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)路譜分別是：上海工況、武漢工況、天津工況、US_06、CN_motorway、US_highway、EGS[7]。

制動(dòng)器B1鎖止工況分兩種進(jìn)行：一是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零的工況，鎖止時(shí)間間隔不小于10s，鎖止次數(shù)14萬(wàn)次，占總次數(shù)的70%；二是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速非零的工況，鎖止前發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速500r/min，鎖止時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩小于100N·m，鎖止時(shí)間間隔1min內(nèi)不超過(guò)2次，鎖止次數(shù)6萬(wàn)次。

制動(dòng)器B2鎖止工況按照混合動(dòng)力轎車30萬(wàn)公里的設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中結(jié)合了動(dòng)力系統(tǒng)控制策略，鎖止前電機(jī)1轉(zhuǎn)速為200r/min，鎖止時(shí)電機(jī)1扭矩80N·m，鎖止次數(shù)6萬(wàn)次。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8 制動(dòng)器B1摩擦片和對(duì)偶片

圖9 制動(dòng)器B2摩擦片和對(duì)偶片

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月的測(cè)試，完成制動(dòng)器B1、B2耐久試驗(yàn)，將變速箱從動(dòng)力總成臺(tái)架拆下進(jìn)行拆箱檢查。試驗(yàn)后，制動(dòng)器B1、B2摩擦片和對(duì)偶片如圖8、圖9所示。

對(duì)制動(dòng)器B1和B2的活塞行程進(jìn)行測(cè)量，并經(jīng)千分表檢測(cè)，磨損量結(jié)果如表5所示

表5 制動(dòng)器B1、B2磨損量

試驗(yàn)結(jié)果表明，制動(dòng)器的構(gòu)成元件活塞、活塞蓋無(wú)明顯變形；O型圈無(wú)磨損、擦傷痕跡；制動(dòng)器B1、B2的核心部件摩擦片無(wú)明顯熱損傷，油槽清晰可見(jiàn)；對(duì)偶片無(wú)熱點(diǎn)，無(wú)翹曲現(xiàn)象。制動(dòng)器B1、B2的設(shè)計(jì)滿足變速箱功能及耐久要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及溫升分析結(jié)果基本一致，設(shè)計(jì)滿足要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)新型深度混合動(dòng)力轎車無(wú)極變速箱設(shè)計(jì)了一組基于紙基摩擦材料的濕式制動(dòng)器，通過(guò)制動(dòng)器傳遞摩擦扭矩計(jì)算、建立制動(dòng)時(shí)間以及滑磨功數(shù)學(xué)模型等方法，對(duì)該制動(dòng)器對(duì)偶片在滑動(dòng)摩擦過(guò)程中的溫升進(jìn)行計(jì)算分析，最后利用臺(tái)架試驗(yàn)分別對(duì)制動(dòng)器B1、B2進(jìn)行20萬(wàn)次和6萬(wàn)次的耐久測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果表明，制動(dòng)器B1、B2的設(shè)計(jì)滿足變速箱的功能及耐久要求，與熱分析結(jié)果基本一致。本制動(dòng)器能產(chǎn)生較大制動(dòng)扭矩，制動(dòng)效果較好，制動(dòng)響應(yīng)速度快，整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的溫升小，滿足使用要求，目前已運(yùn)用于某量產(chǎn)混合動(dòng)力變速箱。