湿式换挡离合器摩擦片磨损性能试验研究

湿式换挡离合器摩擦片磨损性能试验研究

0湿式换挡推进过程综合传动装置是一种复杂的机械系统，集滑动、转向、动态和其他机构于一体。结构紧凑，传动效率高，操作方便。广泛应用于军事安装中的装甲车辆、大型建设项目中的设备。湿式换挡离合器是综合传动装置的关键部件,其工作特性和摩擦副磨损程度将直接影响综合传动的工作性能和可靠性。离合器磨损是离合器摩擦副表面材料不断损伤的过程,一些学者曾对离合器磨损量的计算方法进行过研究,如李俊利用能量磨损烈度的方法对摩擦片的磨损量进行了理论计算,张学勇等将磨损量表示成正压力的线性函数,利用理论分析和计算机仿真的方法计算了摩擦片磨损量随时间的变化情况。本文综合考虑油压与滑摩转速的影响,通过试验对离合器磨损量计算方法进行了研究。1湿式换挡推进本文所研究的某履带车辆综合传动变速机构如图1所示。该机构主要包括5个湿式换挡离合器,这些离合器分别布置在一轴和三轴上,动力从一轴输入,经二轴传递由三轴输出。1、2号离合器与4、5号离合器两两结合可以形成前进1、2挡和3、4挡,与3号离合器结合可以形成倒挡。综合传动湿式换挡离合器工作摩擦副由铜基粉末压制的内齿摩擦片和外齿对偶碟形钢片组成。内齿摩擦片的基片为2mm厚铁基片,两侧分别粘结0.6mm厚的铜基粉末;外齿钢片为2mm的碟形钢片,材料为65Mn,其碟形量为0.2～0.3mm。湿式换挡离合器结构如图2所示。离合器结合时,压力油经控制油道进入活塞左侧油缸,活塞在油压作用下向右移动,推动外齿钢片逐渐压紧内齿摩擦片,二者经过滑摩逐步达到同步,从而实现动力由传动轴经离合器鼓至传动齿轮的传递。离合器分离时,控制油路与油箱接通,工作油液经控制油道流回油箱,油缸内的结合油压快速下降,活塞在回位弹簧力的推动下迅速向左移动,外齿钢片与内齿摩擦片实现分离。2工作油压磨损率与摩擦磨损特性离合器在结合与分离过程中,工作摩擦副传递的摩擦转矩为Tf=Ffre=μNfre=μpAZre(1)A=φ(πR2-πr2)re=(R+r)/2式中,Ff为摩擦力,N;μ为摩擦因数;Nf为离合器摩擦副的工作压紧力,N;p为有效工作油压,MPa;Z为摩擦副个数;re为摩擦片的平均工作半径,mm;A为离合器有效作用面积,mm2;φ为离合器有效系数;R为摩擦片外径,mm;r为摩擦片内径,mm。离合器工作过程中滑摩功的计算公式为W=∫t2t1TfΔndt(2)Δn=n1-n2(3)式中,Δn为离合器主被动摩擦片的工作转速差,r/min,结合完成后Δn=0;n1为外齿钢片转速,r/min;n2为内齿摩擦片转速,r/min;t1、t2分别为离合器工作的开始时间和结束时间,s。能量磨损理论认为,摩擦过程中所做的功虽然大部分以摩擦热的形式散失,但是其中约9%～16%的部分以势能的形式储存在摩擦材料中。当一定体积的摩擦材料积累的能量达到临界数值时,便以磨屑的形式从表面剥落。滑摩功是衡量离合器摩擦副磨滑情况的重要指标。对于已设计好的离合器,离合器有效作用面积A、摩擦片平均工作半径re和摩擦副个数Z是固定值,由式(1)得摩擦转矩Tf取决于摩擦因数μ和有效工作油压p。同时结合油压p的大小,也决定Δn的变化快慢,从而决定滑摩时间(t2-t1)的长短。因此,湿式换挡离合器摩擦副磨损情况主要与μ、p、Δn和滑摩时间(t2-t1)有关。离合器磨损率是磨损量的时间变化率,将离合器摩擦副摩擦因数综合考虑在工况系数K0中,可以将磨损率表示为γ=K0pacosnb(4)其中,K0为工况条件系数,与摩擦副材料、表面品质和润滑状态等因素有关,在一般润滑条件下,铜与钢摩擦时,选取铜的工况条件系数为3.35,钢的工况条件系数为0.92。a和b分别为有效工作油压与滑摩转速对磨损率的影响指数,它们的数值根据工况不同而有所变化,综合传动湿式换挡离合器摩擦副磨损量影响指数由试验结果确定。为有效控制离合器的结合与分离工作品质,离合器工作油压特性曲线如图3所示。该曲线主要分为快速充油阶段(ab段)、缓冲升压阶段(bc段)和阶跃升压阶段(cd段)。快速充油阶段是指工作油液快速充满工作管路和离合器活塞工作油缸,并消除活塞与摩擦片间的间隙开始结合阶段;缓冲升压阶段是离合器钢片随油压升高逐渐压紧摩擦片的滑摩阶段;阶跃升压阶段是当离合器主被动片达到同步后,结合油压迅速跃升至最大值,使离合器摩擦片完全被压紧。离合器分离阶段(ef段)油缸内工作油与油箱接通,油压迅速下降。在整个结合与分离阶段中,摩擦副基本处于稳定磨损阶段。离合器摩擦副的磨损主要发生在缓冲升压阶段,缓冲升压阶段的油压特性方程可以表示为p1(t)=0.2248t2+0.5545t+0.3426(5)0.12s<t<0.62s离合器结合过程中主动钢片和被动摩擦片典型的转速变化规律如图4所示,主动钢片在摩擦力作用下转速n11逐渐降低,被动摩擦片转速n12逐渐升高,当二者速度同步后,滑摩结束。根据摩擦副主动钢片和被动摩擦片典型的转速变化规律,当作用时间为0.12s<t<0.62s时,可以拟合出主动钢片和被动摩擦片的转速变化式:n11=-0.072t2-0.0048t+0.3881(6)n12=0.3392t2-0.0403t+0.2114(7)因此,湿式换挡离合器摩擦副结合过程中磨损率可近似表示为γ1(t)=K0pa1[Δn1(t)]bZ=K0pa1(n11-n12)bZ(8)在摩擦副滑摩时间内对磨损率进行积分,可以得到摩擦副一次结合过程的磨损量:Q1=∫t12t11γ1(t)dt=K0Z∫t12t11pa1(n11-n12)bdt(9)式中,t11和t12为离合器结合过程的起止时刻,计算时分别取值t11=0.12s和t12=0.62s。根据油压变化规律,泄油压力变化过程可表示为p2(t)=0.0077e-3.4238t+44.3803e-52.959t(10)0.11s<t<0.6s分离过程中离合器主动钢片转速n21和被动摩擦片转速n22变化规律可以表示为n21=0.0064t2+0.023t+0.3811(11)0.11s<t<0.6sn22=-0.0768t+0.39168(12)0.11s<t<0.6s式中,t21和t22为离合器分离过程的起止时刻,因离合器分离时间为0.1～0.2s,计算时取t11=0.11s和t12=0.31s。因此,分离阶段的磨损率可以表示为γ2(t)=K0pa2(t)[Δn2(t)]bZ=K0pa2(t)(n21-n22)bZ(13)在分离阶段的起止时间内对磨损率积分,可得摩擦副一次分离过程磨损量:Q2=∫t22t21γ2(t)dt=K0Z∫t22t21pa2(t)(n21-n22)bdt(14)综上,可以将离合器单摩擦副N次结合分离过程的磨损量计算模型表示为Q=N(Q1+Q2)=NK0Z[∫t12t21p1a(t)(n11-n12)bdt+∫t21t22p2a(t)(n21-n22)bdt](15)3磨损量与工作次数的关系为研究磨损率影响指数的变化范围,构建了离合器摩擦副磨损量测试系统,系统工作原理如图5所示。试验采用电机驱动,经增速箱后驱动离合器包箱主动钢片、被动摩擦片与加载泵相连,提供负载转矩。试验台离合器包箱为单片内齿摩擦片、双外齿钢片工作工况,摩擦片已经过磨合,处于稳定磨损阶段。每次结合主动钢片和被动摩擦片端转速差为800～1000r/min,结合油压为1.5MPa,结合时间为0.5～0.6s,分离时间小于0.2s,离合器累计结合次数为800次,每结合200次测量一次外齿钢片的质量,共测量4次,测量所用仪器为TD10002型电子天平,测量精度为0.01g,两个工作钢片初始质量为430.11g和428.25g,因试验强度不大,试验结束时未发现过铜现象。内齿摩擦片由于发生受热膨胀,尺寸变化较大,本文暂不对其计算。测量得离合器单外齿钢片磨损量与工作次数关系如图6所示。根据所建立的离合器摩擦副磨损量计算模型和离合器外齿钢片磨损量试验结果,利用MATLAB软件进行编程计算,发现影响指数a和b呈线性变化规律,利用最小二乘法,可以将其表示为离合器摩擦副工作次数N的线性函数:a=1.572×10-6N+2.47(16)b=1.572×10-6N+2.87(17)式(16)和式(17)是对处于稳定磨损阶段的摩擦片进行800次结合试验得到的磨损量计算参数,可以将其代入式(15),对离合器摩擦片多次结合磨损量进行估算。4基于单一器模型的磨损量计算模型综合传动内部有多个离合器,不同离合器工况参数不同,对应的磨损量也不同,基于单个离合器的磨损量计算模型,对综合传动的磨损量进行评估,可以验证磨损量计算模型的合理性。4.1试验方案及过程综合传动磨损量试验台布置方案如图7所示。试验台发动机功率为404kW,最高转速为2200r/min,稳定工作转速为700～2200r/min;模拟道路阻尼系数f=0.06;模拟整车单侧惯量为27kg·m2;工作油温在为70～110℃。试验所用综合传动共有5个换挡离合器,除1号离合器为5个钢片外,其余均为4片钢片。磨损试验采用动态换挡方案,共计完成18000次换挡,换挡比例与工作离合器编号如表1所示。根据换挡比例,18000次换挡可分为900个换挡循环,每个循环的换挡操纵顺序见表2。升挡前发动机转速提高到1800r/min,降挡时发动机转速低于1400r/min,按照换挡比例分配和各挡工作离合器编号,可以计算出每个离合器的总换挡工作次数。4.2算法的准确度试验前后各离合器外齿钢片磨损量测试结果与计算结果见表3。试验结果表明:①离合器摩擦副磨损量随着工作次数增多而增大;②当离合器工作次数小于10000次时,磨损量计算误差小于5%,表明计算模型具有较高准确度,当工作次数逐渐偏低时,计算误差逐渐偏大;③当离合器摩擦副进入稳定磨损阶段(约超过1000次),平均单次磨损量有所下降,需要对计算模型进行修正;④5号离合器工作次数较少,未完全处于较为稳定的磨损阶段,离合器工况系数K0还不稳定,此时利用待定工况系数K0的磨损量计算模型计算误差较大。5油压力与转速的关系本文将综合传动湿式换挡离合器磨损