考虑正负转速差的湿式离合器带排扭矩损失研究

朱凌云 江贵生

(安庆师范大学电子工程与智能制造学院 安徽安庆 246133)

湿式离合器具有摩擦特性稳定、传递扭矩能力强、工作平顺柔和、散热性能良好、使用寿命长等优点，已经在当今的自动变速箱中得到了广泛的应用。

湿式离合器是靠油液来冷却的，即使在完全分离的状态下，摩擦副间隙中依然会存在一定含量的冷却油液。当离合器主从动盘之间存在转速差，由于油液的黏性，摩擦副之间将产生牛顿内摩擦力，带动从动盘转动，其所产生的扭矩就是离合器的带排扭矩。为了维持主动盘的转速，发动机的输入扭矩必须要克服牛顿内摩擦力，从而造成不必要的损失，即带排扭矩损失[1]。带排扭矩不仅会引起汽车动力系统不必要的功率损耗，增加油耗，还会对变速箱中换挡执行机构的换挡过程与换挡力带来影响。

对于湿式离合器带排扭矩损失的相关研究较多，并取得了一定的进展。在带排扭矩的计算模型方面，文献[1-4]均给出了基于牛顿内摩擦定律的计算模型，并且考虑了由于离心力作用导致油膜收缩所产生的影响。文献[5-9]对油液黏度与温度、油槽特征、摩擦副材料特性、摩擦副间隙大小、流量等因素对带排扭矩损失的影响也开展了较为深入的研究。这些研究成果对湿式离合器的设计开发过程中带排扭矩损失的控制有着重要的参考价值。

在当前的研究中，带排扭矩的计算均是只考虑了摩擦副片间油膜的剪切力矩作用，而忽视了油液在旋转运动时对油槽侧面的动压力产生的阻滞力矩作用；在转速的影响方面，均只研究了钢片转速大于摩擦片转速的正转速差下带排扭矩的变化规律，而忽视了当摩擦片转速超过钢片转速的负转速差工况。文献[3]也研究了主动轴转速对带排扭矩的影响，给出了主动轴转速越大带排扭矩呈线性增加的结论，但文中未说明主动轴是与摩擦片还是钢片连接的，也未解释带排扭矩增大的原因；另外给出的带排扭矩变化曲线上的带排扭矩数值达到了500～1 000 N·m，远远超出了实际情况。在对自动变速箱换挡过程的影响方面，吉林大学的雷雨龙等[10]研究了带排扭矩对AMT变速箱升降挡过程中同步时间与同步能量的影响，但也未考虑在正负转速差下的带排扭矩损失大小的差异性。

本文作者以某自动变速箱的湿式离合器为对象，通过CFD技术与试验对离合器的带排扭矩进行仿真与测试，获得了正负转速差下的带排扭矩的变化规律，并分析了不同转速差下带排扭矩对换挡过程的影响，以期对自动变速箱离合器带排扭矩损失降低与换挡过程的控制提供支持。

1 带排扭矩损失的理论分析

湿式离合器的摩擦副是由若干片环状的钢片与摩擦片相间结合而成的，其结构如图1所示。冷却油液从离合器输入轴上的油道进入，一小部分流进离合器平衡腔2中，用于离合器的压力腔油液的离心力；大部分进入离合器内毂1中，通过内毂的开口流进摩擦副中的油槽，用于离合器的冷却。

图1 湿式离合器结构

带排扭矩简单来说就是当湿式离合器摩擦副处于分离状态时传递的扭矩，表现为钢片拖动油液运动，油液带动摩擦片运动。

带排扭矩的计算是基于牛顿内摩擦定律[7]的，通常是将摩擦副中的钢片与摩擦片等效为2个平行的板，如图2所示。湿式离合器在分离空转时的带排扭矩Tdrag为

(1)

式中:Tdrag为带排扭矩(N·m)；n为摩擦副数目；μ为冷却油动力黏度(Pa·s)；ω1、ω2分别为钢片、摩擦片的转速(rad/s)；re为考虑油膜收缩效应[1，6]及摩擦片实际摩擦面积后的摩擦片等效外径(m)；ri为摩擦片内径(m)；h为摩擦副间隙(m)。

图2 带排扭矩计算模型

公式(1)是建立在将摩擦副等效为平行平板、且摩擦副之间充满油液这个假设之上的。实际上，由于离合器在分离状态下滑摩功率较小，摩擦副产生的热量也较低，冷却油液的需求量也低，这时离合器冷却控制系统提供的冷却油液流量是很小。当系统的供油流量较小时，摩擦副间隙是无法保证充满油液的。另一方面，为保证离合器在滑摩工况下有冷却油液通过摩擦副进行冷却，所以摩擦片的设计带有径向油槽，如图3所示。油槽的存在也会导致摩擦面间油膜容易破裂以降低剪切扭矩。摩擦片绕中心轴旋转时，径向油槽中的油液在未填满状态下必然会沿转动方向相反的一侧聚集，并对油槽一侧产生动态压力，动态压力对摩擦片产生阻滞力矩，如图4所示。

综上所述，离合器分离空转时的实际带排扭矩损失不仅仅是片间油液牛顿内摩擦力产生的剪切扭矩损失，还包含油槽侧面油液聚集产生的阻滞力矩。即

Tl=Ts+Tp

(2)

式中：Ts为摩擦副间隙油液的剪切力矩，按式(1)计算；Tp为油槽动压力产生的阻滞力矩(N·m),

(3)

式中：m为径向油槽的数目;δ为油槽的高度(m);p(r)为半径r处油槽侧面的动态压力(Pa);ro为摩擦片外径(m)。

图3 湿式离合器摩擦片

图4 摩擦片中油液聚集示意

在正转速差时，钢片的转速较大,摩擦片的转速较小，油槽侧面的动压力也较小，油槽的阻滞力矩也较小；在负转速差时，摩擦片的转速大于钢片的转速，其油槽侧面的动压力也随着摩擦片的转速增大而增大，则油槽的阻滞力矩较大；而正负转速差下，转速差绝对值相同时，摩擦副间隙油液的剪切力矩几乎一致。

2 仿真与试验验证

2.1 仿真分析

基于离合器摩擦副的实际结构，搭建CFD仿真模型。仿真采用RNGk-ε湍流模型来计算摩擦副内的两相流动[11-12]。液相为自动变速箱油，动力黏度为30.09 mPa·s，密度为828.9 kg/m3，气相为空气，不考虑油温的变化。入口边界为质量流量入口，入口流量为40 g/s，出口边界为压力出口，出口压力为标准大气压。设定钢片转速为1 500 r/min，摩擦片转速分别为500、1 000、1 500、2 000、2 500 r/min进行仿真计算。

图5示出了正负转速差下离合器带排扭矩的变化规律。可以看出，在负转速差时，由于摩擦片的转速较高，离合器的带排扭矩相应较大，且摩擦副转速均为1 500 r/min、转速差为0时，离合器的带排扭矩为0.12 N·m。表明在摩擦副间隙油液剪切力矩为0的情况下，油槽的动压力产生了0.12 N·m的阻滞力矩。

图5 正负转速差下的带排扭矩

2.2 试验研究

试验在自主搭建的离合器性能试验台上进行(试验原理如图6所示)，双电机均可独立转速控制，电机转速与离合器压力可进行同步控制；液压站可独立提供油压油量；使用NI采集系统进行测量信号集成，包括电机转速、扭矩、油温度、离合器压力、流量。

图6 试验原理

测试过程中输入电机转速设定1 500 r/min，也就是保持钢片的转速为1 500 r/min，输出电机转速从500 r/min上升至1 500 r/min，然后继续上升至2 500 r/min，以测试正负转速差下的离合器传递的扭矩。冷却油液温度保持为(40±5) ℃，冷却油流量给定为3 L/min，不加离合器压力，摩擦副间隙为0.325 mm。测试得到正负转速差工况下，离合器传递扭矩的变化量，其中扭矩变化量的最大值为离合器带排扭矩。

图7示出了测试得到的离合器带排扭矩曲线。可以看出，当转速达到最大正转速差1 000 r/min时，离合器的带排转矩为1.33 N·m；转速差达到最大负转速差1 000 r/min时，离合器的带排扭矩升为4.05 N·m。正转速差时离合器的带排扭矩明显小于负转速差时的带排扭矩。试验结果与仿真结果的趋势是一致的，均符合摩擦片转速越大，径向油槽侧面受到的油液动压力越大的推论。

为排除转速差所产生的剪切力矩对离合器带排扭矩的影响，用上述台架进行了无转速差的工况测试。测试时使输入电机转速与输出电机转速一致，设定一致转速为250、500、750、1 000、1 200、1 500、2 000、2 500 r/min，各转速保持10 s。同样，冷却油液温度保持为(40±5) ℃，冷却液流量给定为3 L/min，不加离合器压力，摩擦副间隙为0.325 mm。

图7 正负转速差下带排扭矩测试曲线

图8示出了无转速差下的离合器带排扭矩测试曲线，可以看出，离合器钢片与摩擦片转速差为0时，随着转速的提升，带排扭矩数值也逐渐增大。不考虑电机转速的微小波动，此时可以认为钢片与摩擦片以相同的转速旋转，摩擦副间隙油液剪切力矩基本为0，带排转矩是由油槽的动压力产生的阻滞力矩。转速越大，这种阻滞力矩越大。结合文献[3]中对径向油槽和径向加周向油槽2种不同摩擦片油槽形式下离合器的带排扭矩研究，与同时考虑径向和周向油槽时相比，仅考虑径向油槽时各油层带排扭矩增加了23%左右，可以认为这是由于周向油槽能够有效破坏摩擦片在旋转运动过程中的油槽油液聚集，从而降低了由油槽侧面动压力所产生的阻滞力矩。

图8 无转速差时带排扭矩测试曲线

3 带排扭矩对换挡过程的影响

根据图9所示的自动变速箱同步器换挡系统，换挡过程的动力学方程[13]为

(4)

式中：Ts为同步力矩；J为同步器输入端等效转动惯量；Δω为同步器输入输出端转速差；Δt为同步时间；ωe、ωi分别为发动机、离合器从动盘转速；ωi=ωy1；Td为离合器带排扭矩。

图9 同步器换挡系统

升挡时同步器输入端转速高于输出端转速，带排扭矩能够降低输入端转速，同样的同步时间下，需要的同步力矩小，式(4)中±取-；降挡时则相反。

换挡过程中，同步器转速同步后，惯性力矩为0，但依然需要较大拨环力矩来解除同步器的锁止[14]，如图10所示。这个过程的换挡力用来克服离合器的带排转矩。

图10 解锁过程受力示意

图10中各力的关系为

(5)

(6)

式中：Fμ为换挡力；Fμ2为齿套与同步环锥面之间的摩擦力；N为换挡力在同步环锥面上产生的正压力；μ2为齿套与同步环锁止面之间的摩擦因数;β为同步环锥面锁止角；Fuc为同步环锥面上的切向分力；Rk为同步环锥面平均半径；in为目标挡位传动比。

齿套在换挡力Fμ作用下，在同步环锥面上产生轴向力与切向力。轴向力用于推动齿套，切向力Fuc产生拨环力矩Tu来解除同步器的锁止，这时候Tu用来克服目标挡位下离合器的带排扭矩。所以，在同步器换挡力的设计与计算过程中，如果仅采用正转速差下带排扭矩的数值，而没有考虑负转速差下带排扭矩变大的影响，则在换挡过程中当离合器处在负转速差时，所设计的换挡力必然偏小。特别是当车辆处于低温环境下行驶时，由于油液的黏度增大，离合器带排扭矩整体变大，将会产生换挡困难的风险。

4 结论

(1)湿式离合器的带排扭矩损失既包含摩擦副片间油液牛顿内摩擦力产生的剪切扭矩损失，又包含油槽侧面油液聚集产生的阻滞力矩。

(2)油槽侧面油液聚集产生的阻滞力矩随摩擦片的转速增大而增加，所以在相同的转速差绝对值下，摩擦片的转速大，则带排转矩损失相对较大。

(3)带排转矩的大小对自动变速箱换挡过程的换挡力及换挡时间有着重要的影响，特别是在换挡力的计算上，应考虑离合器负转速差时带排扭矩变大的影响因素。

(4)由于油槽动压力产生的阻滞力矩本身数值较小，无论是CFD仿真，还是台架测试，其结果均可能存在一定的误差，但总体而言，其变化的趋势是合理可信的。后续将对仿真与测试得到的阻滞力矩及带排扭矩的数值精度做进一步的研究，以期得到更为准确的结果。