濕式摩擦離合器摩擦片表面油槽結構及摩擦特性研究現狀

陳鈺塵 李吉祥 喬 軍 俞躋聰 徐燦中

（紹興前進齒輪箱有限公司，浙江紹興 312030）

0 引言

濕式離合器是一種具有換擋平順、工作壽命長等優點的換擋裝置，其被廣泛應用于重載軍用車輛、工程機械傳動裝置和乘用車自動變速器中，實現傳輸動力并控制主從動部件連接和斷開的核心裝置[1]。濕式離合器的帶排轉矩不僅影響傳動效率，影響其使用壽命，也影響燃油經濟性。目前，我國國內市場上的大多數自動變速系統均為進口或引進國外技術生產，我國自主設計研發的變速系統較少，且與國外變速系統相比，性能存在較大的差距[2-3]。因此，開發一套擁有自主知識產權的自動變速器核心部件有助于提升我國的國際競爭力。帶表面油槽的離合器摩擦片是減少帶排扭矩的常用方法[4]，基于摩擦片上的油槽結構開展研究，介紹濕式離合器的發展史及工作原理，分析油槽結構研究現狀，并提出相關建議。

1 濕式離合器原理

1.1 工作原理

濕式離合器結構圖如圖1 所示，濕式摩擦離合器完全浸泡在油或潤滑物質中的環境中運行，其流體介質主要有潤滑、冷卻和散熱等多種功能。在接合階段，位于離合器系統內部的摩擦盤相互接觸，促進耦合部件之間的動力傳輸，實現扭矩傳遞[5]。在斷開階段，涉及摩擦片的分離，導致它們之間形成間隙，最終停止動力輸出。由于離合器片在充滿油或潤滑劑的環境中運行，這種環境有效降低了摩擦和磨損，在面對不同情況也能實現平穩的接合和斷開[6]。

圖1 濕式離合器結構圖

1.2 潤滑和冷卻

潤滑和冷卻的功能對濕式摩擦離合器起著至關重要的作用，顯著影響其運行效率和壽命。摩擦盤和分隔器之間的潤滑劑流動示意圖如圖2 所示，離合器在一個封閉的殼體內運行，其中含有油或潤滑劑，是一個潤滑的環境，摩擦盤和分隔器盤在其中相互接觸[7]，減少了磨損。

圖2 摩擦盤和分隔器之間的潤滑劑流動示意圖

離合器接合的現象涉及兩個不同的潤滑膜階段，即擠壓（對應于流體動力潤滑）和擠扁（與混合潤滑有關）。不同的階段主要受到流體黏度變化的影響[8]。除此之外，潤滑劑的流動可以有效帶走熱量，有效防止過熱的發生，從而維持正常的溫度范圍[9]。

2 油槽結構設計

為了減少帶排扭矩，加速因摩擦產生熱量的排出，在摩擦片上設計油槽對潤滑油進行導流[10]，這種結構可以改變摩擦片表面的潤滑油的分布與流動規律。合理的油槽設計，可以減少潤滑油剪切力，從而達到減少帶排扭矩的效果，降低離合器產品的溫度，提高離合器的使用壽命與產品可靠性[11]。

2.1 常見油槽類型

由于設計的多樣性以及適用不同條件的要求，出現多種樣式的油槽[12]，如圖3 所示，不同結構的油槽有不同的性能（散熱性能、接合分離特性等）[13-15]。

圖3 摩擦片油槽結構形式

光板無槽摩擦片由于油液難以及時從摩擦副間隙排出，導致摩擦系數較低，與有槽相比，具有更低的散熱能力和更高的磨損。因此，不能長時間工作，適用于輕載和接合頻率低的工況，國內外學者開展針對溝槽的優化設計。

徑向油槽是有意地將槽以徑向配置放置，從摩擦盤的中心軸線輻射出來[16]，在離心力作用下，油液加速流動到接合面，在實現潤滑劑的均勻和一致分布的同時，也在離合器接合的動態階段有效地促進散熱，保護系統的操作效率和耐用性[17]，提高離合器的摩擦特性[18]，使它們在需要平穩加速和精確換擋的情況下非常有價值。斜油槽原理相似，也同樣具有低摩擦系數和磨損量小的特點。

螺旋油槽以螺旋或螺旋形狀而定義，精細地刻在摩擦盤表面，以實現油或潤滑流體沿著螺旋通道有序流動[19-20]。該結構的主要優點是在離合器接合時摩擦顯著減小。螺旋油槽除了具有潤滑性能外，還在離合器的熱管理中發揮關鍵作用，通過促冷卻油的流動增強離合器系統的冷卻效果，確保離合器保持在其最佳溫度范圍內[21]。

華夫槽由一個網格狀的圖案組成，精確雕刻的正方形或矩形凹槽分布在表面。這個特征有利于提高離合器性能和壽命，特別適用于在需要無缺執行加速、減速和換擋等操作的情況下使用，精確度具有極大重要性[22-23]。鑒于以上優點，華夫格紋油槽已被證明是汽車和工業領域中的關鍵要素。濕式摩擦離合器的應用正在不斷進行深入和全面的研究和改進，以滿足不斷增長的性能標準的需求[24]。

雙弧槽具有更低的摩擦系數、更高的散熱能力，常用于重載離合器，不建議使用于輕載低轉速的工況；多道平行槽常用在紙基材料的摩擦片表面，它能夠使摩擦片的散熱效果和負載能力得到較好的平衡。隨著學者的深入研究，多種復合槽隨之出現，在散熱及減小帶排轉矩均有出色的效果[25]。

2.2 油槽對帶排轉矩的影響

當離合器其處于分離狀態時，主從動部件間的相對運動使摩擦副間隙中的潤滑油液產生黏滯剪切轉矩，這種阻力轉矩為帶排轉矩[26]。帶排轉矩是濕式離合器本身的固有缺點，會降低離合器的傳動效率和燃油經濟性。帶排轉矩產生會引起能量的損失，不僅導致離合器的功率下降，傳動效率降低，其損失的能量會對潤滑油液體產生加熱作用，造成潤滑油與摩擦副溫度升高，在高溫下作業的摩擦副磨損增加，降低摩擦副的使用壽命，并且由于摩擦副產品的磨損，換擋舒適性也大大降低，并對產品的可靠性產生不利影響[27]。因此，在濕式摩擦離合器設計領域，追求具有降低帶排扭矩和受控溫的性能至關重要[28]。

離合器的帶排轉矩對系統傳遞效率有重要影響，摩擦片油槽是影響濕式離合器帶排轉矩的主要因素之一，且帶排轉矩會隨著內流場流體動壓的增大而增大[29]。其油槽的形狀、油槽結構參數和使用情況的改變會對流體動壓產生影響，改變離合器帶排轉矩的大小[30]。

有相關研究表明，采用不同的技術，包括在摩擦盤上引入油槽、調整間隙、調節油流速率和溫度等方法，可以有效減小帶排轉矩[31-34]。然而，由于一些限制，使修改間隙、油流速率和溫度不切實際。因此，優化油槽布局仍是目前減小帶排轉矩最有效的方法。

對此，國內外學者開展了大量的研究，包括對各種使用情況和其對帶排轉矩的影響的全面研究[35]、對引發帶排轉矩現象的基本機理的研究[36]以及各種溝槽形狀和結構參數對帶排轉矩影響的研究，以減少帶排轉矩。

陳穎的研究結果表明，帶排轉矩分離間隙越小、入口流量越大，帶排轉矩及帶排功率損失越大。通過對離合器進行結構優化設計，增加溝槽的數量、改變溝槽深度等溝槽結構參數會增強油液的流通性，使油膜提前破裂，使帶排轉矩及帶排功率損失值產生變化[5]。馬駿[37]將摩擦片溝槽設計為流線傾斜型結構，減小了壓差阻力，使不同轉速下帶排轉矩平均減小了6%，對濕式離合器在復雜極端工況下有著指導性的改進意見。四川大學的蔣凱[38]以離合器摩擦片的內外徑、槽深槽寬、槽數等參數為變量進行優化設計，以帶排轉矩最小和接合轉矩最大為目標進行多目標優化設計，使帶排轉矩減小了31.67%，接合轉矩增加了33.51%的結果。Yashwanth、Syeda 等[39-40]對不同槽型的帶排轉矩進行研究，其研究結果表明，由于不同的油槽的形狀可以控制不同的速度分布，從而影響帶排轉矩。因此，選擇合適的油槽形式可以顯著降低帶排轉矩。

除了上述學者的研究外，還有大量的學者基于仿真和試驗對不同油槽結構對摩擦片內流場進行分析，并進行結構優化設計，以降低帶排扭矩。

帶排轉矩與離合器摩擦副速度之間的定性關系如圖4[41]所示。曲線被分成3 個不同的速度區域，即低速、中速和高速區域。在低速區域，由于離心力的作用而生成的流動始終比流入的流量小。隨著速度在中速范圍內升高，由離心力引起的流動變得更加明顯，最終在外半徑附近的位置超過或等于流入流量（尤其是在外半徑附近）。在高速范圍，離心力進一步增加，導致離心力引起的流動在持續超過或等于流入流量。

圖4 帶排轉矩與離合器速度之間的定性關系

由圖4 可知，帶排轉矩與離合器的轉速直接相關。因此，在設計離合器時，油槽的結構可以根據離合器的速度設計，即根據離合器的具體運行速度進行定制，以確保高效的動力傳遞，并減少零部件的磨損。將槽的設計與離合器速度相匹配，可以提升離合器機構的整體功能和使用壽命，從而提高其所屬系統的可靠性和性能。

因此，在油槽對帶排轉矩的影響方面相關研究，除了油槽形狀上的創新，更需要在油槽結構上進行深入研究，并以低帶排轉矩、高接合轉矩為目標，進行多目標優化設計。除此之外，還可以通過改變摩擦材料、潤滑介質類型以及整體離合器設計等因素，減小帶排轉矩，提高濕式離合器系統的效率。

2.3 油槽結構對散熱的影響

濕式離合器在封閉環境內運行，摩擦生熱對其整體效率和壽命產生了重大影響，因此潤滑和冷卻的功能在濕摩擦離合器中起著至關重要的作用[42]。

濕式摩擦離合器中油槽的參數在整體性能特征方面發揮著關鍵作用，其槽深度、寬度、形狀、間距、排列、方向和密度等都對離合器的性能產生重大影響[43]。其中，油槽深度具有相當重要的地位，因為它直接影響離合器的潤滑能力[44]。油槽的深度對分配潤滑劑方面起關鍵作用，對冷卻和潤滑過程有顯著影響，深度較大的油槽表現出更強的容納和分布潤滑物質的能力[45]，油槽寬度決定了潤滑劑在經歷摩擦的表面上移動的速度[46]，油槽寬度增加使更多潤滑劑通過，提高了流速，有助于冷卻和改善摩擦性能。

王等人研究了不同油槽設計對離合器溫度分布的影響，其研究結果表明，復合油槽的平均升溫最低[47-48]。阿卜杜拉等人的研究[49-50]揭示了離合器系統中因油槽的存在產生了增加接觸壓力和降低離合器的整體平均溫度的雙重效應。張世軍等人通過仿真得到了摩擦片的瞬態溫度場，分析了油槽的寬度對摩擦片溫度場的影響，結果表明，油槽寬度越大，摩擦片表面的溫度就越低[51]。曾紅等人通過實驗驗證了摩擦片表面油槽可以使通過內外徑的冷卻流量提升，從而降低溫升[52]。這是因為油槽結構會影響潤滑劑在摩擦面上的分布，分布的差異對摩擦特性和離合器組件內部散熱的有效性產生直接影響，每種油槽形狀及參數對離合器散熱性能方面發揮著關鍵作用[53]。

因此，為了使離合器得到充分的冷卻，很多學者主要以建立理論模型、數值耦合仿真分析等的技術路線，優化油槽結構，從而獲得流動效果更好的流場、油膜與壓力轉速、摩擦片瞬態傳熱等變化規律，為濕式離合器設計及優化提供了理論支持，使離合器的壽命更長、經濟性更好。

3 濕式離合器摩擦片摩擦特性

濕式摩擦離合器通常由一系列交替排列的對偶片和摩擦片組成。對偶片通常由普通鋼制成，而摩擦片由中央鋼盤黏附在兩個表面上的摩擦襯墊材料構成。在單面離合器設計領域，由于摩擦材料直接黏結到摩擦盤上而沒有對偶片。然而，該結構因散熱能力有限，可能導致摩擦部件的溫度升高，使離合器故障和自動變速箱液體（ATF）氧化[54]。為了優化冷卻效率，已經在摩擦片上開發了多種凹槽設計，以促進自動變速箱液體（ATF）在摩擦表面之間流動[55]。濕式摩擦離合器中使用的摩擦材料直接影響其熱力學特性，這種材料應該在各種工作情況下提供一致且顯著的動態摩擦系數（COF），同時在各種工況下也應該具有較少的磨損。離合器的摩擦和磨損性能受到各種因素的影響，例如離合器的結構特性、摩擦盤上凹槽的模式、自動變速箱液體（ATF）的流量和溫度以及工作參數[56]。

此外，為了研究對離合器性能的影響，不少學者對不同油槽類型的摩擦穩定性進行比較分析，油槽結構對摩擦系數和傳遞扭矩的能力相關性極強，油槽結構的不斷優化可以實現動力傳輸的精確調節[57-59]。

在濕式離合器中使用摩擦材料的主要目標有兩個，一是生成一個高摩擦界面，促進換擋時快速離合[60]。二是在離合器發生打滑的情況下，允許在界面上有效傳遞顯著的扭矩[61]。摩擦材料的紋理和成分是濕式離合器的關鍵，這些摩擦材料的摩擦特性與機械性能之間的關系與原材料的組成密切相關。纖維影響材料的機械強度、耐高溫性能以及摩擦和磨損特性[62]。各種纖維，包括碳纖維、Kevlar纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維和纖維素纖維等，已越來越廣泛地用作加強劑，用于各種摩擦材料[63-66]。玻璃纖維由于其卓越的強度、高模量和耐熱性而被廣泛用作許多摩擦材料的增強材料。

紙基材料一般組成成分如圖5 所示，濕式離合器摩擦材料通常由紙質基質組成，這些基質加強了樹脂和各種輔助物質，其優異的性能使紙基摩擦片在濕式離合器應用較廣[67]。

圖5 紙基材料一般組成成分

當兩個固體表面受到應力作用并接觸時，如圖6 所示，其接觸限于特定的微觸點區。因此，實際接觸面積明顯小于名義接觸面積，主要是因為接觸的表面存在不均勻。因此，表面之間的接觸僅發生在每個表面上粗糙度最高的點，這些特定區域會遭受更高水平的局部應力。濕式摩擦離合器在充滿油或潤滑劑的環境中運作，起到散熱、減少磨損以及促進無縫和準確接合和分離的作用。

圖6 粗糙表面接觸示意

在不斷創新摩擦片材料的同時，基于現有材料的摩擦片進行深入研究，對比不同材料的摩擦片在特定工況下的摩擦升溫情況，根據實際使用情況選擇合適的材料，研究相同材料下不同結構的油槽下的綜合熱特性，使離合器的壽命更長、經濟性更好。

4 結語

（1）由于設計的多樣性以及適用不同條件的要求，出現多種樣式的油槽，且不同結構的油槽有不同的性能。

（2）帶排轉矩是濕式離合器中的固有缺點，對系統的傳遞效率有重要影響。油槽是減少濕式離合器帶排轉矩的主要方式之一。摩擦片上的油槽有利于潤滑介質的流動，從而減少潤滑油剪切力，達到減少帶排扭矩的效果。此外，其油槽可以使潤滑介質更好的流動，從而帶走熱量，提高離合器的使用壽命與產品可靠性。目前，相關研究主要集中在不同形式的油槽或者相同形式但不同截面形狀的油槽，很少進行結構參數影響的研究，所以有必要針對同一種油槽結構參數上的優化進行深入研究。油槽對帶排轉矩影響方面的相關研究，除了油槽形狀上的創新，更需要在油槽結構上進行深入研究，以低帶排轉矩、高接合轉矩為目標，進行多目標優化設計。同時，還可以通過改變摩擦材料、潤滑介質類型以及整體離合器設計等因素減小帶排轉矩并提高濕式離合器系統的效率。

（3）濕式離合器在封閉的環境內運行的，摩擦生熱對整體效率和壽命產生重大影響。為了使離合器得到充分的冷卻，目前研究主要以建立理論模型、數值耦合仿真分析的技術路線為主，優化油槽結構，從而獲得流動效果更好的流場、油膜與壓力轉速、摩擦片瞬態傳熱等變化規律，為濕式離合器設計及優化提供理論支持，使離合器的壽命更長、經濟性更好。

（4）離合器系統的接合和分離涉及摩擦力的存在，其磨損對離合器的運行效率和整體耐久性有影響。磨損過程可能導致離合器片的厚度和質量逐漸降低，從而影響其有效接合和傳遞扭矩的能力。因此，需要開發具有出色性能特性和環境可持續性的創新摩擦材料，以滿足不同工況下使用需求，提高產品耐用性。

（5）針對摩擦特性相關研究，可以在不斷創新摩擦片材料的同時，基于現有材料的摩擦片進行深入研究，對比不同材料的摩擦片在特定工況下的摩擦升溫情況，根據實際使用情況選擇合適的材料，研究相同材料下不同結構的油槽下的綜合熱特性。