高扭矩離合器的強度校核和滑磨控制

袁明佳 文敏 汪杰強 米世生 劉立娟 梁甲 張健軍

摘 要：離合器是自動變速器系統中的關鍵組件之一，主要作用是進行動力的傳輸或中斷，最終實現前進擋/倒擋/空擋的切換。同時其換擋平順性也是變速器換擋性能的重要指標。

關鍵詞：離合器;自動變速器;換擋平順性

1 引言

離合器作為動力傳輸部件，其設計原理、強度計算及換擋平順性等具有重要意義。文中以某無級自動變速器（CVT）的離合器為例，闡述了280Nm高扭矩下離合器的強度校核及滑磨控制手段提升換擋平順性的設計驗證。

2 離合器設計原理

2.1 行星機構選型

行星機構主要實現變速，通過速比、扭矩等需求進行結構類型的選擇。齒圈、行星齒輪、太陽輪是行星機構的三大件，通常還會有行星架、滾針軸承和減磨墊片等支撐零件。行星機構的常見類型見表1。

2.2 摩擦片扭矩容量計算

摩擦片鎖止時傳遞的扭矩容量跟其摩擦系數、摩擦面數、夾緊力相關，其公式為：

3 離合器高扭矩強度校核

離合器高扭矩來源于1.5T動力發動機，最大扭矩由250Nm提升至280Nm。離合器復位彈簧需根據扭矩進行匹配[1]。在高扭矩下，離合器的摩擦片扭矩容量、外轂強度需進行校核。

3.1 摩擦片扭矩容量校核

使用本文中2.2章節的計算公式，在液壓油壓力提升至1.45Mpa工況下，計算出摩擦片的傳扭能力為312.9Nm。在安全系數下，可滿足變速器高扭矩要求。

3.2 外轂強度校核

3.2.1 外轂結構優化

為了提高承載能力，減少軸向尺寸，同步優化外轂的結構。原結構使用了壓板、固定卡簧來支撐摩擦片進行鎖止，經過優化及尺寸縮減后，取消壓板、固定卡簧零件，使用獨特的齒圈平面結構代替壓板的作用，并在外轂上反沖限位凸臺，進行齒圈軸向限位，減少零件數量、成本及空間尺寸，如圖1。外轂結構和齒圈平面結構都已獲得專利保護。

3.2.2 外轂CAE分析

使用ABAQUS有限元分析軟件，建立外轂受力及約束條件，分析其應力強度。

通過分析，外轂的最大應力位置處于旋壓齒形的根部，見圖2，其應力值為278.7Mpa，小于材料屈服強度，并在安全系數下滿足應力強度要求。

4 滑磨控制

4.1 滑磨功能描述及進入條件

滑磨是指從離合器剛開始傳遞扭矩的位置到離合器主從動軸轉速同步的位置[2]。滑磨功能也叫怠速空擋功能，即在正常停車時，檔位處于前進擋，此時摩擦片處于滑磨狀態，再執行回空擋動作或加大壓力鎖止起步時，整車的換擋平順性得到較大的提升。

滑磨控制功能需要滿足一定的條件，才可以進入或退出。其中一些條件通常是必不可少的，如表3。

4.2 滑磨控制驗證

4.2.1 高扭矩對滑磨控制的影響

在高扭矩下，發動機的怠速由原來的750rpm提升到850rpm。滑磨控制時，通常其轉速控制在比發動機怠速低100rpm左右。因此，滑磨轉速會由原來的650rpm提高到750rpm，滑磨功率會有所提高，對離合器內部的摩擦片滑磨耐久性是一個難點。

滑磨扭矩通常在10Nm左右，在滑磨轉速提升到750rpm時，對應的滑磨功率由113.4W提升到130.9W。

4.2.2 高扭矩滑磨控制熱量仿真

使用專用軟件對滑磨功率提升后進行溫度升高仿真，該數據由合作伙伴提供。

從圖3的圖形結果得到，滑磨的溫度容易受潤滑流量的影響，并且隨著滑磨時間的增加而不斷上升。摩擦片通常建議的許用溫度不超過200℃，若潤滑流量僅有0.5L/min時，滑磨的時間應不超過20秒。

4.2.3 高扭矩滑磨臺架驗證

在臺架進行滑磨試驗以得到高扭矩下的耐久關系曲線圖。滑磨熱量可以通過滑磨功率及滑磨時間計算得到，本文不再描述。試驗設計為3個，每個試驗的滑磨熱量差值相等，可以取50-60J/cm2，目標耐久建議設為10倍關系。試驗時需要中途拆機檢查摩擦片滑磨狀態，以得到更加準確的耐久次數。

4.2.4 高扭矩滑磨耐久曲線

在變速器臺架上執行設定的3個耐久試驗，并且試驗結果都滿足設定的目標耐久次數，把熱量與耐久次數的關系繪制成曲線，在對數圖表中體現，見圖4。

高扭矩下滑磨一次產生的熱量計算得到93.24J/cm2，通過曲線擬合函數計算得到耐久次數是439986次，變速器滑磨耐久通常可要求為30萬次，即高扭矩下滑磨耐久滿足需求。

5 結束語

通過在高扭矩的工況下，對離合器零部件進行強度校核，各部件強度均滿足設計要求。同時通過臺架試驗驗證，滑磨控制功能耐久性滿足要求。文中雖然以CTF28無級變速器為例進行研究，但研究方法可以普及到大部分自動變速器的離合器設計及驗證中。

參考文獻：

[1]文敏，劉立娟，梁甲等. 關于CVT中離合器彈簧系統的設計[J].時代汽車，2019年第二期.

[2]胡福建，丁美玲，葛娟娟等. DCT起步離合器滑磨控制策略制定及驗證[J].客車技術，2014年05期.