航空摩擦離合器的關鍵技術研究

佘亦曦 張治中 譚武中

（中國航發湖南動力機械研究所，株洲 412002）

一般而言，直升機傳動鏈的傳動比是恒定的，因此直升機旋翼和尾槳的轉速為固定值。隨著直升機技術的發展，人們對直升機續航時間的要求越來越高。較高的旋翼轉速導致直升機油耗較高，難以延長續航時間。通過直升機變減速比減速器的設計，結合發動機的無級調速，可以實現旋翼在不同飛行速度或不同飛行模式下的轉速可調，提高直升機效率，延長續航時間，降低油耗。

美國波音公司研制的“蜂鳥”無人機（A160T）最先將摩擦離合器應用于航空領域。該無人機可根據飛行高速、飛行速度等要求，通過控制減速器內的摩擦離合器的接合脫開，實現直升機減速器在空中換擋，再加上發動機的轉速變化，實現主旋翼轉速在50%～100%范圍的變化，將直升機續航時間提高 到20 h[1]。

目前，國內外對車用/船用摩擦離合器進行研究的較多，并且朝著高速大功率等方向拓展。航空用摩擦離合器使用條件要求苛刻，摩擦離合器在航空領域的應用尚有很長的路要走。

1 摩擦離合器的分類及其結構形式

摩擦離合器可分為干式摩擦離合器和濕式摩擦離合器兩類。濕式摩擦離合器的摩擦副封閉在油腔內部，并采用浸油潤滑。在接合、脫開過程中，摩擦片表面形成油膜起到保護作用，可減小摩擦片的損耗。因此，濕式摩擦離合器具有較小的溫升和較長的使用壽命，但結構較為復雜，制造成本較高。

圖1為一種典型多片濕式摩擦離合器，主要由成組的摩擦片、對偶鋼片和活塞等組成。摩擦離合器的接合脫開可以是液壓驅動、氣動驅動和電磁驅動。摩擦離合器的散熱主要靠潤滑冷卻油。潤滑冷卻油由離合器內軸在離心力的作用下甩入摩擦副，再從外軸出油孔流出。摩擦離合器完全分離時，摩擦片和鋼片完全脫開，傳遞扭矩為零，離合器動力傳遞被中斷。但是，潤滑油的持續供應會使摩擦片與對偶鋼片間形成油膜。油膜的剪切力產生扭矩，導致離合器損耗能量。摩擦離合器接合時，活塞軸向動作推動摩擦片逐漸壓緊對偶鋼片，摩擦片和對偶鋼片通過滑動摩擦產生摩擦力矩，并最終逐步達到同步轉動。理想工作狀態的離合器應該做到結合時迅速、平穩，結合后沒有相對滑動，分離時及時徹底。

圖1 濕式多片摩擦離合器工作結構圖

2 航空摩擦離合器設計關鍵技術及解決方法

2.1 摩擦離合器參數設計

設計摩擦離合器時需考慮靜態過程和動態過程。靜態過程設計相對較為簡單，而動態接合過程復雜。摩擦片摩擦系數、摩擦片之間的間距、相對轉速和摩擦離合器接合沖擊度以及摩擦力矩等參數之間的匹配關系，對動態接合過程都有很大影響。

為滿足直升機變速傳動需要，摩擦離合器需具備接合速度快和載荷沖擊小的特點。設計摩擦離合器參數時，應對摩擦片摩擦系數、摩擦片之間的間距、相對轉速、摩擦離合器接合沖擊度以及摩擦力矩等進行綜合分析，通過建立摩擦離合器摩擦力矩模型和沖擊度模型，得到離合器參數的最優匹配關系，實現摩擦離合器的參數化設計匹配。摩擦離合器的參數設計直接影響摩擦離合器的使用性能，是摩擦離合器設計的關鍵技術之一。

2.2 接合過程溫度場分析

在接合過程中，航空摩擦離合器摩擦片和對偶鋼片的相對滑動會產生大量熱量。熱量主要以對流散熱方式通過潤滑油帶走，最終達到產熱量和散熱量的動態平衡。摩擦片和對偶鋼片的幾何參數、材料和彈性模量都對離合器摩擦熱的產生有很大影響。低彈性模量的摩擦片和對偶鋼片可以有效減少產熱，降低高溫區的擴大速度。摩擦片和對偶鋼片的橫向導熱系數和比熱容系數對離合器的熱力學性能有重要影響。在多片離合器中，靠近離合器后板的摩擦面溫度最高，且環向熱應力最大，是決定離合器失效與否的關鍵。在同一片對偶鋼片表面上，表面溫度基本隨著對偶鋼片半徑增大而升高。但是，在最大外徑處，由于工作液的對流換熱存在，其溫度較半徑較小處更低。在相同轉速下，溫度越高，離合器摩擦片嚙合周期越短，壓力越高，嚙合轉矩傳遞幅度越大[2-6]。

為了滿足直升機高功率密度的要求，需對航空摩擦離合器進行集成化設計，從結構上考慮摩擦離合器的散熱。摩擦離合器接合過程中，摩擦片和對偶鋼片在軸向力的作用下沿軸向壓縮。軸向移動過程中，摩擦片和對偶鋼片始終處于相互滑動狀態，溫度急劇上升，容易導致摩擦離合器失效。因此，需分析摩擦離合器接合過程中的摩擦離合器的溫度分布及變化，獲取溫度場分布和變化規律，確定合適的摩擦片表面油槽結構和散熱結構。

2.3 接合過程中摩擦系數分析

濕式離合器接合過程可分為3個階段。第1階段，離合器在尚未工作時，包含的摩擦副處于脫開狀態，各對摩擦副之間可看成等間距排列，摩擦片與對偶鋼片之間不存在粗糙接觸。當摩擦片和對偶鋼片在油缸壓力作用下沿軸向壓縮時，摩擦片尚未與對偶鋼片接觸，兩者的相對轉動將剪切潤滑油油膜，此時承載力由油膜承擔。第2階段，離合器接合過程。隨著接合時間的增加，摩擦片表面的微凸體將與對偶鋼片接觸，此時承載力由油膜和微凸體共同組成。當潤滑油不斷從摩擦片油槽處排出時，微凸體的接觸面積不斷增加，油膜剪切力和黏性轉矩開始減少，粗糙轉矩和微凸體摩擦阻力不斷增加，此時的摩擦系數為混合摩擦系數。第3階段，全接觸階段。此時，由活塞傳遞的壓力全部由摩擦片上的微凸體承載。在接合即將完成時，相對轉速接近于零，因此動摩擦系數接近于靜摩擦系數[7]。

在摩擦離合器的接合過程中，摩擦離合器摩擦片的摩擦系數是變化的，直接影響離合器的接合質量。摩擦離合器摩擦片的摩擦系數與很多因素有關，如摩擦材料、工況、表面處理工藝、潤滑油溫度以及黏度等。通過理論公式將離合器摩擦片中油膜、微凸體摩擦、溫度等影響因素擬合，精確計算摩擦片之間的摩擦系數，并與試驗測試結果對比。誤差是研究并解決摩擦離合器的關鍵問題之一[8-10]。

2.4 接合過程動力學特性分析

濕式摩擦離合器各參數之間耦合關系復雜。在接合摩擦過程中容易出現抖振現象，不僅會破壞接合的平穩性，產生較大的噪聲，還會加劇摩擦磨損，縮短使用壽命。濕式摩擦離合器產生抖振的原因與離合器本身設計參數有一定關系，包含尺寸參數、摩擦片材料、轉速及壓力等[11-13]。

開展航空摩擦離合器動態接合特性分析，需將離合器的接合、脫開過程與離合器的振動模型合并，將離合器的穩定性、沖擊特性等動力學問題和離合器的接合特性、尺寸參數等進行綜合討論。通過數值求解和仿真分析得到摩擦片的振型分布、摩擦片的臨界轉速，并對流固耦合下的摩擦片和對偶鋼片振動形式進行仿真分析，分析離合器摩擦片和對偶鋼片在高速旋轉下的振動問題[14-15]。

直升機傳動系統減速器中齒輪、軸承數量多，嚙合頻率豐富，存在多個振動頻率。航空摩擦離合器用于直升機傳動系統減速器，容易與減速器特征頻率產生共振，影響減速器正常使用，甚至危及直升機飛行安全。因此，如何開展動態接合特性建模和求解，掌握接合過程的動力學特征，是設計航空摩擦離合器的關鍵問題之一。

2.5 摩擦副磨合磨損機理和磨損量變化規律研究

通過合理的磨合磨損，能有效彌補離合器加工過程中的一些誤差和缺陷，延長離合器的使用壽命，增強離合器的可靠性。因此，在濕式離合器設計階段，掌握摩擦副磨合磨損機理和磨損量變化規律，控制摩擦副表面形貌，合理制定離合器磨合規范，對提高離合器工作性能具有重要價值。

3 結語

隨著直升機技術的發展，人們對直升機續航時間的要求越來越高。通過直升機減速器內航空摩擦離合器的變減速比設計，可以實現旋翼的變轉速，有效延長直升機飛續航時間。本文介紹直升機技術發展對航空摩擦離合器的需求，闡述航空摩擦離合器的發展現狀，對摩擦離合器參數選擇、接合過程溫度場分析、摩擦系數分析、接合特性分析和摩擦副磨損激勵和磨損量變化規律等航空摩擦離合器設計中的關鍵技術進行分析研究。目前，與航空摩擦離合器同類型的濕式離合器主要用于車輛工程，針對航空摩擦離合器的專門研究較少。開展航空摩擦離合器的關鍵技術研究，有助于提高我國直升機和傳動系統設計水平。