濕式換擋離合器摩擦片磨損性能試驗研究

0濕式換擋推進過程綜合傳動裝置是一種復雜的機械系統，集滑動、轉向、動態和其他機構于一體。結構緊湊，傳動效率高，操作方便。廣泛應用于軍事安裝中的裝甲車輛、大型建設項目中的設備。濕式換擋離合器是綜合傳動裝置的關鍵部件,其工作特性和摩擦副磨損程度將直接影響綜合傳動的工作性能和可靠性。離合器磨損是離合器摩擦副表面材料不斷損傷的過程,一些學者曾對離合器磨損量的計算方法進行過研究,如李俊利用能量磨損烈度的方法對摩擦片的磨損量進行了理論計算,張學勇等將磨損量表示成正壓力的線性函數,利用理論分析和計算機仿真的方法計算了摩擦片磨損量隨時間的變化情況。本文綜合考慮油壓與滑摩轉速的影響,通過試驗對離合器磨損量計算方法進行了研究。1濕式換擋推進本文所研究的某履帶車輛綜合傳動變速機構如圖1所示。該機構主要包括5個濕式換擋離合器,這些離合器分別布置在一軸和三軸上,動力從一軸輸入,經二軸傳遞由三軸輸出。1、2號離合器與4、5號離合器兩兩結合可以形成前進1、2擋和3、4擋,與3號離合器結合可以形成倒擋。綜合傳動濕式換擋離合器工作摩擦副由銅基粉末壓制的內齒摩擦片和外齒對偶碟形鋼片組成。內齒摩擦片的基片為2mm厚鐵基片,兩側分別粘結0.6mm厚的銅基粉末;外齒鋼片為2mm的碟形鋼片,材料為65Mn,其碟形量為0.2～0.3mm。濕式換擋離合器結構如圖2所示。離合器結合時,壓力油經控制油道進入活塞左側油缸,活塞在油壓作用下向右移動,推動外齒鋼片逐漸壓緊內齒摩擦片,二者經過滑摩逐步達到同步,從而實現動力由傳動軸經離合器鼓至傳動齒輪的傳遞。離合器分離時,控制油路與油箱接通,工作油液經控制油道流回油箱,油缸內的結合油壓快速下降,活塞在回位彈簧力的推動下迅速向左移動,外齒鋼片與內齒摩擦片實現分離。2工作油壓磨損率與摩擦磨損特性離合器在結合與分離過程中,工作摩擦副傳遞的摩擦轉矩為Tf=Ffre=μNfre=μpAZre(1)A=φ(πR2-πr2)re=(R+r)/2式中,Ff為摩擦力,N;μ為摩擦因數;Nf為離合器摩擦副的工作壓緊力,N;p為有效工作油壓,MPa;Z為摩擦副個數;re為摩擦片的平均工作半徑,mm;A為離合器有效作用面積,mm2;φ為離合器有效系數;R為摩擦片外徑,mm;r為摩擦片內徑,mm。離合器工作過程中滑摩功的計算公式為W=∫t2t1TfΔndt(2)Δn=n1-n2(3)式中,Δn為離合器主被動摩擦片的工作轉速差,r/min,結合完成后Δn=0;n1為外齒鋼片轉速,r/min;n2為內齒摩擦片轉速,r/min;t1、t2分別為離合器工作的開始時間和結束時間,s。能量磨損理論認為,摩擦過程中所做的功雖然大部分以摩擦熱的形式散失,但是其中約9%～16%的部分以勢能的形式儲存在摩擦材料中。當一定體積的摩擦材料積累的能量達到臨界數值時,便以磨屑的形式從表面剝落。滑摩功是衡量離合器摩擦副磨滑情況的重要指標。對于已設計好的離合器,離合器有效作用面積A、摩擦片平均工作半徑re和摩擦副個數Z是固定值,由式(1)得摩擦轉矩Tf取決于摩擦因數μ和有效工作油壓p。同時結合油壓p的大小,也決定Δn的變化快慢,從而決定滑摩時間(t2-t1)的長短。因此,濕式換擋離合器摩擦副磨損情況主要與μ、p、Δn和滑摩時間(t2-t1)有關。離合器磨損率是磨損量的時間變化率,將離合器摩擦副摩擦因數綜合考慮在工況系數K0中,可以將磨損率表示為γ=K0pacosnb(4)其中,K0為工況條件系數,與摩擦副材料、表面品質和潤滑狀態等因素有關,在一般潤滑條件下,銅與鋼摩擦時,選取銅的工況條件系數為3.35,鋼的工況條件系數為0.92。a和b分別為有效工作油壓與滑摩轉速對磨損率的影響指數,它們的數值根據工況不同而有所變化,綜合傳動濕式換擋離合器摩擦副磨損量影響指數由試驗結果確定。為有效控制離合器的結合與分離工作品質,離合器工作油壓特性曲線如圖3所示。該曲線主要分為快速充油階段(ab段)、緩沖升壓階段(bc段)和階躍升壓階段(cd段)。快速充油階段是指工作油液快速充滿工作管路和離合器活塞工作油缸,并消除活塞與摩擦片間的間隙開始結合階段;緩沖升壓階段是離合器鋼片隨油壓升高逐漸壓緊摩擦片的滑摩階段;階躍升壓階段是當離合器主被動片達到同步后,結合油壓迅速躍升至最大值,使離合器摩擦片完全被壓緊。離合器分離階段(ef段)油缸內工作油與油箱接通,油壓迅速下降。在整個結合與分離階段中,摩擦副基本處于穩定磨損階段。離合器摩擦副的磨損主要發生在緩沖升壓階段,緩沖升壓階段的油壓特性方程可以表示為p1(t)=0.2248t2+0.5545t+0.3426(5)0.12s<t<0.62s離合器結合過程中主動鋼片和被動摩擦片典型的轉速變化規律如圖4所示,主動鋼片在摩擦力作用下轉速n11逐漸降低,被動摩擦片轉速n12逐漸升高,當二者速度同步后,滑摩結束。根據摩擦副主動鋼片和被動摩擦片典型的轉速變化規律,當作用時間為0.12s<t<0.62s時,可以擬合出主動鋼片和被動摩擦片的轉速變化式:n11=-0.072t2-0.0048t+0.3881(6)n12=0.3392t2-0.0403t+0.2114(7)因此,濕式換擋離合器摩擦副結合過程中磨損率可近似表示為γ1(t)=K0pa1[Δn1(t)]bZ=K0pa1(n11-n12)bZ(8)在摩擦副滑摩時間內對磨損率進行積分,可以得到摩擦副一次結合過程的磨損量:Q1=∫t12t11γ1(t)dt=K0Z∫t12t11pa1(n11-n12)bdt(9)式中,t11和t12為離合器結合過程的起止時刻,計算時分別取值t11=0.12s和t12=0.62s。根據油壓變化規律,泄油壓力變化過程可表示為p2(t)=0.0077e-3.4238t+44.3803e-52.959t(10)0.11s<t<0.6s分離過程中離合器主動鋼片轉速n21和被動摩擦片轉速n22變化規律可以表示為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為離合器分離過程的起止時刻,因離合器分離時間為0.1～0.2s,計算時取t11=0.11s和t12=0.31s。因此,分離階段的磨損率可以表示為γ2(t)=K0pa2(t)[Δn2(t)]bZ=K0pa2(t)(n21-n22)bZ(13)在分離階段的起止時間內對磨損率積分,可得摩擦副一次分離過程磨損量:Q2=∫t22t21γ2(t)dt=K0Z∫t22t21pa2(t)(n21-n22)bdt(14)綜上,可以將離合器單摩擦副N次結合分離過程的磨損量計算模型表示為Q=N(Q1+Q2)=NK0Z[∫t12t21p1a(t)(n11-n12)bdt+∫t21t22p2a(t)(n21-n22)bdt](15)3磨損量與工作次數的關系為研究磨損率影響指數的變化范圍,構建了離合器摩擦副磨損量測試系統,系統工作原理如圖5所示。試驗采用電機驅動,經增速箱后驅動離合器包箱主動鋼片、被動摩擦片與加載泵相連,提供負載轉矩。試驗臺離合器包箱為單片內齒摩擦片、雙外齒鋼片工作工況,摩擦片已經過磨合,處于穩定磨損階段。每次結合主動鋼片和被動摩擦片端轉速差為800～1000r/min,結合油壓為1.5MPa,結合時間為0.5～0.6s,分離時間小于0.2s,離合器累計結合次數為800次,每結合200次測量一次外齒鋼片的質量,共測量4次,測量所用儀器為TD10002型電子天平,測量精度為0.01g,兩個工作鋼片初始質量為430.11g和428.25g,因試驗強度不大,試驗結束時未發現過銅現象。內齒摩擦片由于發生受熱膨脹,尺寸變化較大,本文暫不對其計算。測量得離合器單外齒鋼片磨損量與工作次數關系如圖6所示。根據所建立的離合器摩擦副磨損量計算模型和離合器外齒鋼片磨損量試驗結果,利用MATLAB軟件進行編程計算,發現影響指數a和b呈線性變化規律,利用最小二乘法,可以將其表示為離合器摩擦副工作次數N的線性函數:a=1.572×10-6N+2.47(16)b=1.572×10-6N+2.87(17)式(16)和式(17)是對處于穩定磨損階段的摩擦片進行800次結合試驗得到的磨損量計算參數,可以將其代入式(15),對離合器摩擦片多次結合磨損量進行估算。4基于單一器模型的磨損量計算模型綜合傳動內部有多個離合器,不同離合器工況參數不同,對應的磨損量也不同,基于單個離合器的磨損量計算模型,對綜合傳動的磨損量進行評估,可以驗證磨損量計算模型的合理性。4.1試驗方案及過程綜合傳動磨損量試驗臺布置方案如圖7所示。試驗臺發動機功率為404kW,最高轉速為2200r/min,穩定工作轉速為700～2200r/min;模擬道路阻尼系數f=0.06;模擬整車單側慣量為27kg·m2;工作油溫在為70～110℃。試驗所用綜合傳動共有5個換擋離合器,除1號離合器為5個鋼片外,其余均為4片鋼片。磨損試驗采用動態換擋方案,共計完成18000次換擋,換擋比例與工作離合器編號如表1所示。根據換擋比例,18000次換擋可分為900個換擋循環,每個循環的換擋操縱順序見表2。升擋前發動機轉速提高到1800r/min,降擋時發動機轉速低于1400r/min,按照換擋比例分配和各擋工作離合器編號,可以計算出每個離合器的總換擋工作次數。4.2算法的準確度試驗前后各離合器外齒鋼片磨損量測試結果與計算結果見表3。試驗結果表明:①離合器摩擦副磨損量隨著工作次數增多而增大;②當離合器工作次數小于10000次時,磨損量計算誤差小于5%,表明計算模型具有較高準確度,當工作次數逐漸偏低時,計算誤差逐漸偏大;③當離合器摩擦副進入穩定磨損階段(約超過1000次),平均單次磨損量有所下降,需要對計算模型進行修正;④5號離合器工作次數較少,未完全處于較為穩定的磨損階段,離合器工況系數K0還不穩定,此時利用待定工況系數K0的磨損量計算模型計算誤差較大。5油壓力與轉速的關系本文將綜合傳動濕式換擋離合器磨損