客車離合器的傳動效率與耐久性研究

中圖分類號：U463 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.02.020

Abstract：Thisstudyfocusesonimprovingthetransmisioneficiencyanddurabityofbusclutchesbyotiiingmateralsstructural design，andthermalmanagementsystems.Troughexperimentalresearchandumericalsimulation，theperformancempactof variousdesignshemeswasanalyzed.Resultsshowthateuseofnewcompositematerialswithigfrictioncoeficientsalongwith optimizedcotesinfiatanetrasmisieydceelsdsussaitelt high-temperatureandigloadconditions.Theoptimieddesigneffctivelylowersthewearrate，extendsservicelife，andrduces maintenancefrequencytherebyimprovingtheeconomiceficiencyandoverallperformanceofcommercialvehicles.Tisrsearch providestheoreticalsupportfortheadvancementofclutchtehologyadofersatechicalsolutionforeficientoperatinofommercial buses.

KeyWords：Bus clutch; Transmission eficiency; Durabilty; Material; Thermalmanagement; Numerical simulatior

0 引言

客車離合器是重型車輛傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，承擔(dān)傳遞發(fā)動機(jī)動力、確保動力平穩(wěn)輸出的任務(wù)。在客車傳動系統(tǒng)中，離合器的性能直接影響車輛的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。現(xiàn)有離合器在高負(fù)荷、頻繁操作及惡劣環(huán)境條件下，常面臨傳動效率低、耐久性差等問題，導(dǎo)致故障率高、維護(hù)成本上升，嚴(yán)重時影響車輛性能與安全[1。

1客車離合器傳動效率的影響因素分析

1.1離合器工作原理

提升客車離合器的傳動效率與耐久性，對提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性、降低能耗和延長使用壽命至關(guān)重要。高效離合器可減少動力損失，提高車輛工況適應(yīng)性，降低故障率，進(jìn)而提升整體性能。在當(dāng)前商用車日益重視環(huán)保節(jié)能的背景下，優(yōu)化離合器性能具有重要實(shí)際意義。

離合器在客車傳動系統(tǒng)中作用至關(guān)重要，其作用是通過摩擦片與壓盤的接合與分離，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)與變速器間的動力傳遞。當(dāng)離合器接合時，發(fā)動機(jī)的動力通過摩擦面?zhèn)鬟f給變速器，驅(qū)動車輛行駛；而在離合器分離時，動力傳輸被切斷，車輛進(jìn)入空轉(zhuǎn)狀態(tài)。離合器的工作效率直接影響傳動系統(tǒng)的功率傳遞、動力響應(yīng)和燃油經(jīng)濟(jì)性，尤其是在高負(fù)荷和復(fù)雜工況下，離合器的工作效率直接影響傳動系統(tǒng)的功率傳遞效率、動力響應(yīng)性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

本研究通過材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)改進(jìn)和工藝提升，著力提升客車離合器的傳動效率與耐久性。通過選用高性能材料、優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)、改善熱管理系統(tǒng)，提出了一套優(yōu)化方案。研究旨在突破現(xiàn)有離合器在高溫高負(fù)荷條件下的性能瓶頸，并為相關(guān)領(lǐng)域提供參考，推動商用車離合器技術(shù)發(fā)展。

1.2影響傳動效率的主要因素

影響離合器傳動效率的主要因素包括摩擦材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和溫度控制。摩擦材料的選擇至關(guān)重要，理想摩擦材料應(yīng)具備高摩擦系數(shù)、優(yōu)異耐磨性和良好熱穩(wěn)定性，這些特性有助于提高傳動效率并減少能量損失。采用高摩擦系數(shù)、耐高溫的復(fù)合材料，如陶瓷復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料，是優(yōu)化傳動效率的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也直接影響效率，摩擦面面積和幾何形狀決定了摩擦力的均勻分布。合理設(shè)計(jì)的摩擦面及優(yōu)化的壓盤與摩擦片結(jié)構(gòu)有助于提高能量傳遞效率。溫度控制同樣關(guān)鍵，高溫會導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降，降低效率，因此，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)以維持穩(wěn)定工作溫度是提升效率的關(guān)鍵。通過優(yōu)化這些因素，可以顯著提高離合器的整體傳動效率[2]。

1.3傳動效率優(yōu)化方案

針對上述因素，提升傳動效率的優(yōu)化方案可從材料、結(jié)構(gòu)和熱管理三方面著手。首先，選用高性能摩擦材料，如高摩擦系數(shù)、耐高溫的陶瓷復(fù)合材料，可有效提高摩擦力并減少能量損失。其次，優(yōu)化摩擦面設(shè)計(jì)，增大接觸面積，減少表面不均勻性，可顯著提升能量傳遞效率。最后，通過高效冷卻系統(tǒng)，確保高溫工況下溫度得到有效控制，防止摩擦系數(shù)波動，進(jìn)一步提升傳動效率。表1總結(jié)了這些優(yōu)化策略的關(guān)鍵要點(diǎn)和實(shí)施方案。

通過這些優(yōu)化措施，可顯著提升傳動效率，進(jìn)而提高車輛性能與燃油經(jīng)濟(jì)性。

2客車離合器耐久性的影響因素與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1離合器耐久性分析

耐久性是離合器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，決定了車輛長期使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。影響離合器耐久性的主要因素包括摩擦磨損、熱膨脹、工作環(huán)境等。摩擦磨損是離合器傳動過程中的普遍現(xiàn)象，長期摩擦?xí)?dǎo)致摩擦片和壓盤表面逐漸磨損，降低摩擦效能，影響傳動效率。摩擦材料的磨損與工況密切相關(guān)，在高溫、高負(fù)荷及頻繁啟停工況下，磨損速率顯著加快，從而影響離合器的使用壽命[3]

熱膨脹是另一關(guān)鍵因素，高溫下工作，材料因熱膨脹發(fā)生尺寸變化，尤其是摩擦片、壓盤等部件的膨脹可能不均，導(dǎo)致摩擦面接觸不充分、壓力分布不均。過高工作溫度還可能引起材料熱退化，進(jìn)一步加劇摩擦磨損[4。特定工況，如高負(fù)荷、頻繁啟停等，也會加速離合器的磨損。例如，在城市公交等高頻率操作場景中，離合器頻繁接合分離，易產(chǎn)生大量熱量和摩擦力，導(dǎo)致耐久性降低[5。因此，綜合考慮摩擦磨損、熱膨脹及工作環(huán)境等因素，對提升離合器耐久性至關(guān)重要。

2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提升離合器在復(fù)雜工況下的使用壽命，優(yōu)化設(shè)計(jì)需從材料耐久性、結(jié)構(gòu)承載能力和熱老化控制三方面協(xié)同推進(jìn)。首先，在材料選擇上，應(yīng)優(yōu)先選用具備高耐磨性、熱穩(wěn)定性和低疲勞損耗的復(fù)合材料，以應(yīng)對長期高頻摩擦帶來的性能衰退。如采用含陶瓷纖維或芳綸增強(qiáng)成分的摩擦基體，可有效降低磨損速率并保持熱循環(huán)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。其次，結(jié)構(gòu)方面應(yīng)優(yōu)化摩擦片厚度、支撐骨架強(qiáng)度及壓盤彈性響應(yīng)能力，確保其在長期交變載荷與熱脹冷縮作用下維持合理壓緊力，避免局部應(yīng)力集中引發(fā)疲勞裂紋或早期失效。最后，熱管理系統(tǒng)的改進(jìn)是延緩熱老化的重要手段，通過優(yōu)化散熱通道、提升導(dǎo)熱材料布置或引入輻射散熱結(jié)構(gòu)，可降低摩擦副表面溫升，減緩粘結(jié)層與摩擦材料的熱退化過程。通過以上針對性的設(shè)計(jì)優(yōu)化，離合器可在高負(fù)荷、高溫及頻繁啟停等惡劣條件下實(shí)現(xiàn)更高的耐久性與穩(wěn)定性。

2.3 耐久性測試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，離合器的耐久性測試不可或缺。通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)測試，模擬不同工況下的工作狀態(tài)，評估其耐久性。測試應(yīng)涵蓋高溫、高負(fù)荷、頻繁啟停等典型工況，通過長期測試，監(jiān)測摩擦力、溫度、磨損量等關(guān)鍵參數(shù)。用高精度測量儀器采集數(shù)據(jù)，確保結(jié)果準(zhǔn)確可靠。同時，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對比，驗(yàn)證新材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)和改進(jìn)冷卻系統(tǒng)對提升耐久性的效果。此外，還應(yīng)測試不同環(huán)境條件（如高低溫、潮濕）下的性能，如高溫、低溫、濕潤環(huán)境等，以確保其在各種極端條件下均保持良好的工作性能。通過耐久性測試，可以為離合器的進(jìn)一步優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，并為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)研究與性能測試

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為評估優(yōu)化設(shè)計(jì)對傳動效率與耐久性的改善，本研究設(shè)計(jì)多組實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)模擬高溫、高負(fù)荷及頻繁啟停等典型工況下的性能。實(shí)驗(yàn)分為傳動效率測試與耐久性測試。傳動效率測試通過監(jiān)測摩擦力、轉(zhuǎn)矩和功率損失等參數(shù)，評估不同工況下的傳動效率。耐久性測試關(guān)注長時間高負(fù)荷運(yùn)行中的磨損量和材料退化，測試周期為 1000h ，以模擬實(shí)際工況。實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)化測試臺架、電子壓力傳感器、紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)等設(shè)備，確保實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確、可靠和可重復(fù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)的離合器在傳動效率和耐久性上優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。在高溫高負(fù)荷工況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)表現(xiàn)出更低的摩擦系數(shù)和功率損失，表明其能量傳遞效率提升。同時，優(yōu)化設(shè)計(jì)在耐久性測試中磨損速率較低，尤其是在高頻啟停和高負(fù)荷環(huán)境下，優(yōu)化設(shè)計(jì)有效減緩材料的磨損，延長離合器的使用壽命。此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)在高溫下的性能優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，避免了過熱引起的摩擦性能衰退，進(jìn)一步提升了其耐久性和長期可靠性。

3.3性能比較與優(yōu)化效果

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對比，優(yōu)化設(shè)計(jì)在多個關(guān)鍵性能指標(biāo)上表現(xiàn)出較為明顯的提升。傳動效率提高，摩擦系數(shù)和磨損速率降低，表明優(yōu)化材料與設(shè)計(jì)有效減少了能量損失和磨損[。此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)在高溫工況下穩(wěn)定性更強(qiáng)，表現(xiàn)出較好的熱管理能力，避免了溫度波動帶來的性能下降。整體而言，優(yōu)化設(shè)計(jì)在耐用性、可靠性和性能穩(wěn)定性上表現(xiàn)更佳，為商用車提供了更可靠的傳動系統(tǒng)，減少了維護(hù)需求，提高了車輛長期運(yùn)營效益。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用新型材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的離合器，在多工況下能夠提供更高的效率和更長的使用壽命。優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能夠提升離合器的整體性能，還能為商用車輛的技術(shù)提升和經(jīng)濟(jì)性改善提供有力支持。

4數(shù)值模擬與優(yōu)化分析

4.1數(shù)值模擬方法

本研究采用數(shù)值模擬方法分析離合器性能，重點(diǎn)關(guān)注摩擦模型與熱分析。摩擦模型考慮了摩擦面接觸壓力、相對運(yùn)動速度和溫度等因素，準(zhǔn)確模擬了離合器在不同負(fù)載、轉(zhuǎn)速和溫度條件下的摩擦行為。熱分析則通過計(jì)算摩擦過程中產(chǎn)生的熱量及其傳遞，模擬了離合器的溫度分布與熱穩(wěn)定性。該模型可評估高負(fù)荷、高溫工況下的熱應(yīng)力及其對材料性能的影響，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

4.2模擬結(jié)果與優(yōu)化建議

模擬結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在摩擦性能和熱管理方面有明顯優(yōu)勢。優(yōu)化的材料（如陶瓷復(fù)合材料）提高了摩擦系數(shù)和熱穩(wěn)定性，在高溫條件下可維持較低摩擦損失，提高傳動效率。此外，優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì)有效降低了工作溫度，減少了高溫對材料退化的影響。根據(jù)模擬結(jié)果，建議進(jìn)一步提高材料熱穩(wěn)定性，增強(qiáng)散熱系統(tǒng)效率，特別是優(yōu)化冷卻通道布局，以更好地應(yīng)對高溫工況。

4.3 綜合優(yōu)化方案

基于數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出綜合優(yōu)化方案。首先，采用新型復(fù)合材料（如陶瓷和金屬基復(fù)合材料）提高摩擦性能和耐高溫性。其次，優(yōu)化摩擦面設(shè)計(jì)，增大接觸面積、改善幾何形狀，減少摩擦不均性，提高效率并延長壽命。在熱管理方面，進(jìn)一步優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，改善散熱通道布局，增強(qiáng)散熱片設(shè)計(jì)，確保長時間高負(fù)荷運(yùn)行時溫度得到有效控制[1。此綜合優(yōu)化方案能在提升傳動效率的同時，增強(qiáng)耐久性，確保離合器在極端工況下的穩(wěn)定性。

通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)合，綜合優(yōu)化方案不僅提升了離合器的傳動效率，還有效延長了其使用壽命，減少了維護(hù)頻率，為商用車輛提供了更高效、更可靠的傳動系統(tǒng)解決方案。這些研究成果為離合器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了有力的技術(shù)支持，并為未來的工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論與展望

本研究通過優(yōu)化離合器材料、結(jié)構(gòu)及熱管理系統(tǒng)，顯著提高了其傳動效率和耐久性。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用新型高摩擦系數(shù)復(fù)合材料和優(yōu)化的冷卻系統(tǒng)能夠有效提升離合器的工作性能，降低能量損失，并在高溫高負(fù)荷條件下保持良好可靠性和穩(wěn)定性。優(yōu)化設(shè)計(jì)降低了磨損速率，延長了使用壽命，降低了維修頻率，提升了商用車輛的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行可靠性。未來的研究可進(jìn)一步探索更為高效的摩擦材料和先進(jìn)的熱管理技術(shù)，并結(jié)合智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時優(yōu)化工作狀態(tài)。此外，針對不同類型車輛的特定工況，開發(fā)個性化的離合器設(shè)計(jì)方案，將為提升車輛的整體性能和能效提供新的技術(shù)路徑。

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