大馬力離合器的開發

劉培，趙文，凌院，張永暉

安徽華菱汽車有限公司，安徽馬鞍山 243061

0 引言

隨著重卡行業的發展，國六排放的實施，卡車的馬力提升已是必然趨勢，每一家主流重卡廠商至少有一款368 kW以上的代表性產品，隨著大馬力發動機的普及，輸出扭矩的增加，離合器所需承受的傳扭負荷相應增加，市場上反饋使用在大馬力車型上的離合器打滑故障占比快速上升。大馬力離合器主要故障為打滑，即加大油門，車輛加速慢，發動機無力，其中以自卸車與長期超載使用車輛在上坡時較易出現。

1 建立模型

摩擦離合器結合過程的力學模型如圖1所示。

圖1 摩擦離合器結合過程的力學模型

離合器打滑燒片主要原因就是過熱，即飛輪、從動盤和壓盤之間的高熱量導致金屬流動，摩擦材料分解。

離合器的溫升能量(滑磨功)來自于離合器接合過程中飛輪、從動盤和壓盤的相對摩擦。通過建立力學模型(圖1)，排除人為影響后，發動機扭矩也是影響溫升能量的主要因素。

離合器摩擦力矩與發動機扭矩力量傳遞的數學模型計算公式為：

(1)

其中離合器摩擦力矩與發動機扭矩成正比。

離合器滑磨功與離合器摩擦力矩的數學模型計算公式為：

(2)

其中滑磨功與離合器摩擦力矩成正比。

壓盤溫升與滑磨功的數學模型計算公式為：

(3)

其中滑磨功加大引起壓盤溫升增大。

從上述數學模型可以看出：增大引起上升，最終壓盤溫升增大，從而導致離合器過熱。

2 蓋總成方案開發

為解決大馬力車型離合器過熱導致打滑、摩擦片燒蝕問題，開發出新型大馬力離合器，與行業同類產品對比無論是傳扭能力還是使用壽命都表現優異。主要產品特點見表1。

表1 大馬力離合器產品特點

蓋總成：優化壓盤結構提高吸熱散熱能力，減緩高扭矩高能量接合過程中的溫升，有助于提高摩擦片使用壽命。

從動盤：采用255 mm減振結構降低剛度，優化從動盤怠速阻尼系統，提高舒適性。

2.1 壓盤開發

由于摩擦片摩擦因數與磨損率受溫度的影響很大，一般摩擦片在350 ℃以后摩擦因數會急劇下降磨損率上升，壓盤的升、降溫特性就成為影響摩擦因數與摩擦片使用壽命的關鍵因素。壓盤類型如圖2所示。針對不同車輛與路況選擇不同的壓盤，既保證了離合器的質量，又節約了成本。

圖2 壓盤類型

通過能量沖擊試驗記錄每次分離結合壓盤的溫升、統計吸收相同能量后壓盤累計升溫情況，如圖3所示，累計滑磨能量為單次結合100 kJ。從圖3可以看出高熱容量壓盤能夠保持較良好的工作溫度，可以使離合器保持合理的使用溫度，可以找到不同壓盤吸收能量的熱平衡點，從而優化壓盤結構設計。

圖3 累計起步溫升與累計滑磨功的關系

通過圖4臺架試驗結果可知，大馬力離合樣件的扭矩為4 500～5 400 N·m ，144次后升溫200 ℃，壓盤面最高溫度為340 ℃ ，滑磨功為180 kJ，其中溫度曲線指的是離合器在臺架上按周期連續分離接合過程中壓盤的溫升，溫度2～6曲線是指壓盤不同位置的溫度，試驗過程中會在壓盤外中內3個直徑上布置溫度傳感器，不同點表示不同壓盤位置的溫度。

圖4 大馬力離合器能量臺架試驗

通過調整壓盤熱容量方法，保證了福達大馬力壓盤良好的抗升溫性。

2.2 膜片彈簧開發

膜片彈簧采用50CrV4鋼板，按德國標準檢驗其化學性能，通過熱強壓工藝降低膜片力值衰減率，最后采用中溫回火工藝降低其應力。

大馬力離合器力值衰減率：在行標條件下動態耐久力值衰減小于6% (標準10%)，在行標條件下動態耐久力值衰減小于6% (標準10%)。

膜片彈簧力值衰減率是離合器使用壽命的決定性因素之一，因此力值衰減率低也是大馬力離合器優勢之一。

2.3 蓋零件開發

溫度是影響離合器故障的關鍵因素。為此，大馬力壓盤增加260 mm的讓位臺階孔，同時增加耳部寬度，提高了壓盤質量，即提升了壓盤的熱容量。減緩了在高扭矩高能量接合過程中的溫升，提高摩擦片的使用壽命。大馬力離合器蓋零件設計為通風結構，增加蓋零件耳部開口尺寸，耳部開口尺寸由165 mm增大到180 mm,如圖5和圖6所示，增加總成旋轉狀態的空氣對流，提高離合器總成散熱性，從而降低工作環境溫度。

圖5 傳統離合器蓋零件

圖6 大馬力離合器蓋零件

目前市場上大馬力離合器最大故障是打滑，而引起打滑的原因是摩擦片過度磨損。通過臺架試驗，分析過度磨損的原因存在以下兩點：

(1)高溫環境下摩擦片磨損率提升；

(2)在離合器使用過程中壓力增加、沖擊力增加，摩擦片磨損率會相應增加。

利用高能量循環起步試驗，摩擦因數和溫度關系曲線對比，通過對不同摩擦材料進行臺架試驗，KM1790A在高能量循環起步試驗中表現優于傳統的進口材料摩擦材料，與新的進口材料相近(圖7)，但新的進口材料價格較高，大馬力離合器最后選用KM1790A摩擦片替代傳統的進口材料摩擦材料，成功解決了以上兩點問題。

圖7 摩擦因數隨溫度變化曲線

傳統離合器的減振器采用外徑232 mm減振結構設計，極限主減振扭轉角度為7°，極限扭矩為3 500 N·m，主減振扭轉剛度為550 N·m/(°)。大馬力離合器的減振器采用外徑255 mm減振結構設計，扭轉角度加大，降低扭轉剛度，提高減振性能。正向總角度為12.5°，其中極限主減振扭轉角度為9°，極限扭矩為3 600 N·m，主減振扭轉剛度為390 N·m/(°)；與傳統減振器相比扭轉剛度減少29%，如圖8和圖9所示。

圖8 傳統減振器的扭轉特性

圖9 大馬力減振器的扭轉特性

3 結束語

通過與傳統離合器性能狀態對比，以及對大馬力離合器的力學模型和數學模型的全面分析研究，并通過相關試驗驗證，充分地確認了大馬力離合器開發過程需要規避的風險，成功地開發了大馬力離合器，極大地滿足了大馬力車型的動力傳遞需求，保證了車輛安全、高效運行的要求。