一种摩擦片相关参数设计以及校核方法的研究

一种摩擦片相关参数设计以及校核方法的研究

赵亮，马鑫宇，冯永明，张其帅，马星宇，丁斌

（陕西法士特齿轮有限责任公司 陕西 西安 710077）

【摘 要】在AT液力自动变速器内部，摩擦片发挥着传导扭矩，以及制动的作用，设计摩擦片材料参数时候所需要的考虑的方面也非常多，例如不同的发动机扭矩导致传递动力的情况出现区别，同时也要考虑温度散热以及过油功能。本文针对摩擦片需要实现的功能，给出了一种设计相关参数并且进行校核的方法。

【关键词】摩擦片，压强，扭矩，能量

0 前言

汽车工业的不断发展带动了AT液力自动变速器技术的进步，适应多种工作环境，可搭载不同扭矩发动机的AT液力自动变速器种类也越来越多。在AT液力自动变速器内部，摩擦片发挥着传递扭矩，以及制动的作用，在离合器内部的摩擦片通常用于传递动力，在制动器内部的摩擦片通常用于制动功能，由于其多变的功能，在设计摩擦片材料参数时候所需要的考虑的方面也非常多，例如不同的发动机扭矩导致传递动力的情况出现区别，同时也要考虑温度散热以及过油功能。本文针对摩擦片需要实现的功能，给出了一种设计相关参数并且进行校核的方法。

1摩擦片原理

AT液力自动变速器内部的摩擦片实现的功能根据不同位置大致分为传递动能和制动两种作用。而不论位于哪个位置的的摩擦片，都会和对偶片相配合安装实现功能。

位于离合器内部的摩擦片，在变速器工作时油液给活塞腔充油，推动活塞压紧对偶片摩擦片组，使得其带动配合的轮毂进行转动，从而实现扭矩传递作用；位于制动器内部的摩擦片，在变速器实现制动功能时，油液给活塞腔充油从而推动活塞将对偶片和摩擦片压紧，对偶片和变速器壳体花键连接，从而实现了制动功能[1]。

同时需要针对摩擦材料的不同，设计时候的设计参数选取也有所区别，常用的摩擦片摩擦材料可以大致简单分为干式摩擦材料和湿式摩擦材料，干式摩擦材料恰如其名，往往是处于干燥的工作环境，湿式摩擦材料指的是摩擦材料在封闭环境，处于润滑状态，常见的AT液力自动变速器的摩擦片摩擦材料一般均为湿式摩擦材料，而湿式摩擦材料根据材料的选择不同，包括纸基摩擦材料，烧结金属基摩擦材料，碳基摩擦材料以及橡胶基摩擦材料等。不同的摩擦材料影响的是相关的摩擦系数，从而影响其能实现的最大扭矩。

2相关参数设计以及校核

摩擦片摩擦材料的相关参数，除了由于不同摩擦材料导致不同的摩擦系数，还包括摩擦片内半径Ri，摩擦片外半径Ro，摩擦片数量n，同时还需要知道整个离合器的相关参数才能够进行完整的设计和校核,这些离合器参数默认为已知情况。

摩擦片外半径Ro，摩擦片内半径Ri，摩擦片数量n，活塞外半径Ro1，活塞内半径Ri1，活塞充油油液入口半径R0，摩擦片结合时间T，结合压强P，针对摩擦片工作情况选取了以下几个方面来进行校核判断是否合适。

2.1 摩擦片单位面积压强

根据压强基本公式P=F/S，首先需计算单片摩擦片总面积

                                           （1）

其中为摩擦片外半径，为摩擦片内半径。

其次需要知道摩擦片工作时候的结合压力F0，摩擦片工作时候的结合压力主要来源于几个方面：油液推动活塞对摩擦片的压紧力Fc，活塞腔内油液在伴随离合器旋转过程中形成的离心油压作用力Fp以及回位弹簧对活塞的回复力Fs。

                                             （2）

活塞作用于摩擦片的压紧力Fc主要取决于活塞面积S1以及结合压强P，活塞面积

                                         （3）

其中Ro1和Ri1分别为活塞的外径和内径，所以压紧力

                                       （4）

根据油液充入活塞腔后旋转形成的在任意半径R处离心油压公式

                                    （5）

其中P1为任意半径离心油压，为油液密度，为角速度，R为任意半径，C为常数。

由于在活塞腔油液入口处的油压为0，所以

                                            （6）

其中为活塞腔油液入口处油压，R0为活塞充油油液入口半径。

由公式6可以得到

                                                （7）

由公式5，6，7可以推导出活塞油液形成的离心油压作用力

                     （8）

回位弹簧的回复力Fs分为安装时候弹簧压缩形成的弹簧回复力Fs1以及在活塞充油后推动压缩弹簧形成的回复力Fs2，其中充油后推动弹簧形成的回复力Fs2和活塞行程L以及弹簧刚度K有关

                                      （9）

根据公式2，公式4，公式8，公式9可以得到在摩擦片的结合压力F0，根据公式1可以得到摩擦片总面积，由此可以计算摩擦片单位面积压强

                                                 （10）

根据摩擦材料不同，其能够承受的单位面积压强也不相同，需要根据摩擦片摩擦材料标准判断摩擦片设计是否合适。

2.2 扭矩容量

离合器的扭矩容量即最大扭矩指的是离合器打滑或者完全关闭时候可以传递的扭矩量，当离合器扭矩容量过小时候会发生打滑，离合器扭矩容量过大会导致拖曳，是设计摩擦片参数时十分重要的一个考虑因素。

根据公式2，公式4，公式8，公式9可以得到在摩擦片的结合压力F0，即可得到作用在摩擦片上的静摩擦力

                                                 （11）

其中为摩擦片摩擦材料的静摩擦系数。

摩擦片作用半径

                                                   （12）

根据离合器效率公式可得离合器效率

       (1-((1-μ2*μ3)/(1+μ2*μ3))^2 )     （13）

其中μ2为花键摩擦系数，μ3为摩擦材料的动摩擦系数，n为摩擦片数量。

根据扭矩计算公式可得离合器扭矩容量

                                        （14）

这样就可以得到离合器理论上的最大扭矩，根据发动机匹配参数得到离合器工作时候的最大转矩，要求离合器扭矩容量必须大于工作时候最大扭矩，通常认为其安全系数大于1.3是可以保证离合器正常工作。

2.3 单位面积平均能量

在对偶片摩擦片组正常工作过程中，由于摩擦产生的能量会导致对偶片摩擦片温度升高，如果温度太高就会导致对偶片摩擦片组烧焦情况出现，这种问题需要避免的

根据旋转体功率基本公式可以得到离合器工作过程中最大功率Pmax

                                          （15）

其中指的是离合器在换挡时候的离合器的最大转矩；指的是在离合器换挡时每分钟最大转速，由于在换挡时候离合器内部对偶片摩擦片组才会分离或者结合，这时候才会发生能量的转换，所以最大功率也出现在换挡时刻点。

根据能量和功率基本公式，可以得到离合器平均能量

                                              （16）

其中T为摩擦片结合时间。

由此得到在离合器换挡时候对偶片摩擦片组结合或者分离导致的能量变化，由公式1 得到单片摩擦片总面积S0，可以得到单位面积平均能量

                                                  （17）

由于摩擦材料不同，摩擦片能承受的单位面积平均能量也不相同，根据具体摩擦材料标准从而判断摩擦片设计是否合适。

3 结论

根据上文描述的设计以及校核方法，可以从压强，扭矩以及能量等几个方面对摩擦片相关参数进行设计以及验证，较为全面的对摩擦片实际工作情况可能出现的问题进行理论上的分析，对于避免摩擦片出现摩擦材料压溃，烧毁或者由于摩擦材料性能不足导致无法达到离合器要求最小扭矩等一系列失效情况有较大的理论帮助，但是在实际设计过程中，需要考虑的地方不仅仅是理论参数的设计和校核，对于摩擦材料的成本，加工等其他可能对摩擦片造成较大影响的方面，也需要实际考虑以及验证，综合各个方面才能设计出合格的摩擦片。

参考文献

[1] 余志生.汽车理论（第五版）[M] .北京:机械工业出版社,2009.

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