濕式換擋離合器摩擦片磨損性能研究

濕式換擋離合器摩擦片磨損性能研究

綜合傳動(dòng)是集多組、無性系傾斜于一體的復(fù)雜傳動(dòng)。濕式換擋器是綜合傳動(dòng)的重要部件。這種摩擦片磨損程度直接影響綜合傳動(dòng)的可靠性和使用性。之前的固定保養(yǎng)車維修方法是拆檢后直接重量或測(cè)量厚度。雖然是正確的，但它通常破壞現(xiàn)有的合作關(guān)系，這需要時(shí)間。原子發(fā)射光譜技術(shù)是利用物質(zhì)的能量或熱量來評(píng)估物質(zhì)組成的方法。從完整的傳遞裝置中采集油樣，并進(jìn)行光譜分析，因此，在不停車和拆卸的情況下，可以繼續(xù)獲得反映磨損程度變化的定量信息。作者通過對(duì)離合器摩擦片磨損過程的油液進(jìn)行光譜分析,研究濕式換擋離合器摩擦片的磨損規(guī)律.1銅基片基片的制作綜合傳動(dòng)濕式換擋離合器如圖1所示,主要由摩擦片、活塞、油缸等部分組成.摩擦片由銅基粉末壓制的內(nèi)齒摩擦片和外齒對(duì)偶碟型鋼片組成.內(nèi)齒摩擦片基片為鋼基片,兩側(cè)分別粘結(jié)約為0.6mm厚的銅基粉末;外齒鋼片為碟型鋼片.離合器結(jié)合時(shí),壓力油經(jīng)控制油道進(jìn)入活塞左側(cè)油缸,活塞在油壓作用下向右移動(dòng),推動(dòng)外齒鋼片逐漸壓緊內(nèi)齒摩擦片,二者經(jīng)過滑摩逐步達(dá)到同步,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力由傳動(dòng)軸經(jīng)離合器鼓至傳動(dòng)齒輪的傳遞.離合器分離時(shí),控制油路與油箱接通,工作油液經(jīng)控制油道流回油箱,油缸內(nèi)的結(jié)合油壓快速下降,活塞在回位彈簧的推動(dòng)下迅速向左移動(dòng),外齒鋼片與內(nèi)齒摩擦片實(shí)現(xiàn)分離.2磨損修復(fù)內(nèi)齒的摩擦片2.1緩沖閥油壓力對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)已定的濕式換擋離合器,其摩擦片磨損情況主要與摩擦因數(shù)μ、工作油壓p、滑摩轉(zhuǎn)速Δn和滑摩時(shí)間t有關(guān).離合器磨損率是磨損量的時(shí)間變化率.將離合器摩擦片摩擦系數(shù)綜合考慮在工況條件系數(shù)K0中,可以將磨損率表示為γ=Κ0paΔnb.(1)γ=K0paΔnb.(1)式中:K0與摩擦片材料、表面品質(zhì)和潤滑狀態(tài)等因素有關(guān),其值大小可由試驗(yàn)結(jié)果確定;a和b分別為有效工作油壓與滑摩轉(zhuǎn)速對(duì)磨損率的影響指數(shù),它們的數(shù)值根據(jù)工況不同將在0.6～1.0之間變化.試驗(yàn)證明,對(duì)于綜合傳動(dòng)濕式換擋離合器,內(nèi)齒摩擦片磨損類型主要為磨粒磨損,而磨粒磨損的磨損率影響指數(shù)a和b可取為1.0.離合器典型工作油壓特性曲線如圖2所示.主要分為快速充油階段(A—B)、緩沖升壓階段(B—C)和階躍升壓階段(C—D).離合器摩擦片的磨損主要發(fā)生在緩沖升壓階段,該階段油壓變化主要由緩沖閥特性決定,此階段緩沖油壓基本等同于離合器結(jié)合油壓,可以利用緩沖閥緩沖特性進(jìn)行結(jié)合油壓的描述計(jì)算.緩沖閥油壓輸出特性為pc(t)=ΚcA2(CdAh2A3√2Κcρ(1A2-1A3)t+√x0)2.(2)pc(t)=KcA2(CdAh2A32Kcρ???√(1A2?1A3)t+x0??√)2.(2)式中:pc為緩沖閥出口壓力;A2為緩沖閥芯左端的承壓面積;A3為調(diào)壓閥芯右端的承壓面積;Kc為緩沖彈簧剛度;x0為緩沖彈簧的預(yù)壓縮量;Cd為流量系數(shù);ρ為油液密度;Ah為節(jié)流孔的流通面積.圖3所示為離合器結(jié)合過程主被動(dòng)邊滑摩轉(zhuǎn)速典型變化規(guī)律,由此可擬合出主動(dòng)邊鋼片轉(zhuǎn)速n11和被動(dòng)邊摩擦片轉(zhuǎn)速n12分別為n11=-0.0720t2-0.0048t+0.3881,(3)n12=0.3392t2-0.0403t+0.2114.(4)n11=?0.0720t2?0.0048t+0.3881,(3)n12=0.3392t2?0.0403t+0.2114.(4)因此,結(jié)合過程摩擦片磨損率可近似表示為γc(t)=Κ0pcΔn1(t)Ζ=Κ0pc(n11-n12)Ζ?(5)式中Z為摩擦片個(gè)數(shù).在結(jié)合過程的滑摩起止時(shí)間內(nèi)對(duì)磨損率進(jìn)行積分,可以得到摩擦片一次結(jié)合過程的磨損量為Wc=∫t12t11γc(t)dt=Κ0Ζ∫t12t11pc(n11-n12)dt?(6)式中t11和t12分別為離合器摩擦片結(jié)合過程中滑摩的起止時(shí)刻.根據(jù)油壓變化規(guī)律,分離壓力pd變化過程可表示為pd(t)=0.0077e-3.4238t+44.3803e-52.9590t.(7)分離過程中離合器外齒鋼片轉(zhuǎn)速n21和內(nèi)齒摩擦片轉(zhuǎn)速n22的變化規(guī)律為n21=0.0064t2+0.0230t+0.3811,(8)n22=-0.0768t+0.3917.(9)因此,分離階段的磨損率可以表示為γd(t)=Κ0pd(t)Δn2(t)Ζ=Κ0pd(t)(n21-n22)Ζ.(10)同理,在分離階段的起止時(shí)間內(nèi)對(duì)磨損率積分,可得摩擦片一次分離過程磨損量為Wd=∫t22t21γd(t)dt=Κ0Ζ∫t22t21pd(n21-n22)dt.(11)式中:t21和t22分別為離合器分離過程中滑摩的起止時(shí)刻.綜上,可以將離合器單次工作磨損量計(jì)算模型表示為W=Wc+Wd=Κ0Ζ[∫t12t11pc(t)(n11-n12)dt+∫t22t21pd(t)(n21-n22)dt].(12)2.2試驗(yàn)裝置和方法為得到工況條件系數(shù)K0,建立了離合器摩擦片磨損量測(cè)試系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.每次結(jié)合摩擦片轉(zhuǎn)速差為800～1000r/min,結(jié)合油壓為1.5MPa,滑摩時(shí)間為0.5～0.6s,分離時(shí)間為0.1～0.2s,累計(jì)結(jié)合次數(shù)為800.離合器潤滑與控制油路共計(jì)用油V=20L,取樣位置為離合器包箱控制油壓入口處.試驗(yàn)開始20min后采集初始油樣一個(gè),此后每完成200次結(jié)合采油樣一次,油樣光譜分析結(jié)果如圖5所示.離合器摩擦片磨損量測(cè)試系統(tǒng)工作油液中分布著大量的Cu元素顆粒,這些磨損顆粒反映了內(nèi)齒摩擦片的磨損信息.由圖5可得,試驗(yàn)前后油液中Cu元素質(zhì)量濃度增量ΔρCu為1.6μg/mL.由表達(dá)式W=ΔρCuV可以計(jì)算出油液中Cu元素的質(zhì)量濃度,然后根據(jù)式(12),可得出K0的值約為0.8199.2.3影響磨損損失的因素2.3.1沖油特性分析離合器結(jié)合過程緩沖油壓由緩沖彈簧剛度和初始?jí)嚎s量決定,圖6所示為得到的4種緩沖油壓特性,圖7中的Wc1～Wc4為對(duì)應(yīng)緩沖油壓pc1～pc4下摩擦片磨損量的變化規(guī)律.從圖7中可以看出:①對(duì)應(yīng)油壓pc1下的磨損量Wc1,該磨損量先升高,后降低;②不同的緩沖油壓特性對(duì)應(yīng)不同的磨損量,油壓力越大,磨損量也越大.2.3.2分離油液中的彈簧剛度和初始?jí)嚎s量離合器分離油壓主要取決于分離彈簧特性,通過改變分離彈簧剛度和初始?jí)嚎s量,可以得到如圖8所示的分離油壓曲線.圖9為對(duì)應(yīng)分離油壓pd1～pd4下的磨損量Wd1～Wd4的變化規(guī)律.2.3.3影響磨損量的因素在離合器結(jié)合與分離過程中,摩擦片滑摩轉(zhuǎn)速對(duì)磨損量也有很大影響.對(duì)于結(jié)合過程,在緩沖油壓一定,不考慮離心油壓作用情況下,滑摩轉(zhuǎn)速高低會(huì)直接影響磨損量和滑摩時(shí)間.如圖10所示,滑摩轉(zhuǎn)速越高,滑摩時(shí)間越長,磨損量越大.對(duì)于分離過程,不同滑摩轉(zhuǎn)速對(duì)磨損量的影響如圖11所示.圖10和圖11顯示:①對(duì)應(yīng)某一滑摩轉(zhuǎn)速,離合器結(jié)合過程中摩擦片摩損量先增大,后逐步減少;②分離過程則是開始時(shí)磨損量迅速增大,而后快速下降,最后逐漸趨于平穩(wěn);③離合器摩擦片結(jié)合過程磨損量要遠(yuǎn)大于分離過程的磨損量,因此對(duì)于離合器減摩耐摩的設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮結(jié)合過程.3多次換擋試驗(yàn)試驗(yàn)分析結(jié)果顯示,在使用期內(nèi),綜合傳動(dòng)換擋離合器摩擦片單次結(jié)合磨損量隨著結(jié)合次數(shù)的增多而逐步減小,且二者成非線性關(guān)系,因此,可以將離合器多次結(jié)合的磨損量ρCu表示為ρCu=ρ0?Cu+ρs?Cuf(Ν).(13)式中:ρ0,Cu為油液中Cu元素初始濃度;ρs,Cu為離合器摩擦片單次工作時(shí)Cu元素磨損量質(zhì)量濃度;f(N)為結(jié)合次數(shù)N的函數(shù),表達(dá)式由試驗(yàn)結(jié)果確定.綜合傳動(dòng)臺(tái)架可靠性試驗(yàn)共進(jìn)行了18000次動(dòng)態(tài)換擋,試驗(yàn)中為保證各離合器摩擦片磨損均勻,采用循環(huán)換擋方案,即將18000次換擋分成950個(gè)換擋循環(huán),單次循環(huán)換擋操縱順序按照實(shí)車道路試驗(yàn)各擋使用頻率確定,如表1所示.試驗(yàn)每隔20個(gè)換擋循環(huán)取油液一次,油液分析結(jié)果見圖12中試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn).對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬和,可以得到綜合傳動(dòng)離合器磨損量計(jì)算模型為ρCu=ρ0?Cu+ρs?Cu(5.44×10-9Ν3-1.9×10-4Ν2+2.625Ν-567).(14)式中:初始濃度ρ0,Cu為22.93μg/mL,單次換擋過程對(duì)應(yīng)的磨損量濃度ρs,Cu=2.7×10-3μg/mL.圖12中試驗(yàn)過程Cu元素磨損量分3種不同階段,分別為:①磨合磨損階段.摩擦片磨損量增加很快,磨損量隨換擋次數(shù)增加而逐漸降低,此過程一般出現(xiàn)在摩擦片開始運(yùn)行初期,如圖12中Ⅰ.②穩(wěn)定磨損階段.摩擦表面經(jīng)磨合后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),磨損量變化較小,摩擦片此時(shí)處于正常工作期,如圖12中Ⅱ.③劇烈磨損階段.磨損量隨時(shí)間逐步增加,工況條件急劇惡化,繼續(xù)工作容易導(dǎo)致摩擦片失效,如圖12中Ⅲ.試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,綜合傳動(dòng)濕式換擋離合器經(jīng)18000次換擋結(jié)合后,已經(jīng)具有發(fā)生劇烈磨損的趨勢(shì),繼續(xù)試驗(yàn)將會(huì)增大摩擦片磨損量,動(dòng)態(tài)換擋試驗(yàn)方案適合離合器摩擦片的可靠性考核.4單次工作摩擦片磨損量計(jì)算方法圖13所示為某綜合傳動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)考核后的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)光譜分析結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果,試驗(yàn)油液初始質(zhì)量濃度ρ0,Cu為12.3μg/mL.因換擋轉(zhuǎn)速不同,單次工作摩擦片磨損量濃度ρs,Cu變?yōu)?.23×10-3μg/mL.從圖13中可以看出,在對(duì)應(yīng)的換擋轉(zhuǎn)速和初始濃度下,離合器摩擦片磨損量計(jì)算結(jié)果接近試驗(yàn)結(jié)果,作者的磨損量計(jì)算方法得到了驗(yàn)證.5試驗(yàn)結(jié)果分析①濕式換擋離合器內(nèi)齒摩擦片磨損量可以用油液中Cu元素質(zhì)量濃度表征.單次結(jié)合磨損量可表示為工作油壓和滑摩轉(zhuǎn)速的乘積,工