（机械电子工程专业论文）微型汽车离合器摩擦性能试验方法的研究.pdf

摘要 离合器作为汽车的主要零部件对汽车的综合性能起着关键作用。在对微型汽 车干摩擦离合器的故障统计中，发现异常磨损是主要故障原因，因此，进行经济 型汽车离合器的摩擦磨损研究势在必行。本文所论述的试验方法为研究离合器的 摩擦磨损提供一种科学的研究方法和理论依据，对离合器的磨损机理研究和故障 原因的排查具有很大的现实意义。 本文主要论述了以下内容：离合器基础知识的介绍；试验设备工作原理以及 夹具设计方案的阐述；试验方法的论述以及试验数据的处理。 本文首先介绍了微型车离合器的基础内容，包括离合器的结构组成、离合器 的工作原理以及离合器摩擦材料的方法。其中结构组成部分对离合器总成的各零 部件做了详细介绍，工作原理部分对离合器的工作过程以及工作过程中的功能转 化做了剖析，试验方法部分介绍了常用的试验方法以及各种摩擦磨损试验。本章 对离合器基础理论的论述为试验方法的研究打下了坚实的理论基础。 摩擦磨损性能测试设备包括综合台架试验台和小样试验的高温销盘摩擦试 验机，文中阐述了试验设备的结构组成及其工作原理，针对高温销盘摩擦试验机 设计了与其配套的夹具，详细论述了夹具各零部件的设计方案。 文中重点介绍了正交试验设计方法，并对本次正交试验的数据做了分析，找 出了最优试验方案，得出最优试验水平，以正交试验结果为标准，对拓展开来的 摩擦性能试验做了详细设计。根据试验设计方案制定了相应的试验规范。 本文对台架试验和小样摩擦性能试验的试验结果分别做了数据分析。通过台 架试验找出了离合器综合性能的优劣。小样试验通过单因素试验和因素耦合试验 得出了最优的离合器结构和离合器工作过程中的最优工况条件。数据结果得出的 结论验证了本文所论述的试验方法的正确性与科学性。 关键字：微型汽车，离合器，摩擦磨损，摩擦试验 a b s t r a c t a st h em a i np a r to fa u t o m o b i l e s ，t h ec l u t c hp l a yak e yr o l ei nt h e i rc o m p r e h e n s i v e p r o p e r t i e s i n t h ep r o c e s so ff a i l u r es t a t i s t i c so fd r yf r i c t i o nc l u t c ho fm i n i v e h i c l e s ，a b n o r m a lw e a l a c c o u n tf o rt h em a i nr e a s o n s ，t h u st h er e s e a r c ho ff a i l u r e s t a t i s t i c so fe c o n o m i c a la u t o m o b i l e si si m p e r a t i v e t e s t i n gm e t h o d si nt h i st h e s i sh a v e p r o v i d e ds c i e n t i f i cr e s e a r c hm e t h o d sa n dd a t ab a s i s ，a n dn l e yh a v eg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ef o rr e s e a r c h i n gw e a rm e c h a n i s ma n df a u l tr e a s o n s m a i n l yd i s c u s s i n gt h ei n t r o d u c t i o no ff u n d a m e n t a lc o n t e n to fc l u t c h , t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft e s te q u i p m e n t , t h ed e s i g ns c h e m eo fc l a m p ，t e s t i n gm e t h o d sa n dp r o c e s s i n g o f t e s t i n gd a t a p r e s e n t i n gab r i e f i n t r o d u c t i o no fb a s i cc o n t e n to fm i n iv e h i c l ec l u t c h ，i n c l u d i n g t h es t r u c t u r e ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fc l u t c ha n dt h ep r i n c i p l eo fc l u t c hf r i c t i o n m a t e r i a l t h em a i np a r t so ft h ec l u t c ha r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，t h ew o r k i n gp r o c e s sa n d f u n c t i o nt r a n s f o r m a t i o ni nt h ep r o c e s s ，鹤w e l la st h ec o m m o n l yu s e dm e t h o d sa n d f r i c t i o na n dw e a rt e s t sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a r t t h i sl a y sas o l i dt h e o r e t i c a l f o u n d a t i o no nt h ef o l l o w i n gs t u d yo ft e s t i n gm e t h o d s f r i c t i o na n dw e a l p r o p e r t i e se q u i p m e n t ，i n c l u d i n gc o m p r e h e n s i v eb e n c ht e s ta n d p i no nf l a tr e c i p r o c a t i n gw e a rd e v i c e t t l ep a p e rd e s c r i b e st h es t r u c t u r eo ft h et e s t e q u i p m e n ta n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ea sw e l l 嬲t h ed e t a i lo fv a r i o u sp a r t so f t h ec l a m p d e s i g n e dc o r r e s p o n d i n gw i t hp i no nf i a tr e c i p r o c a t i n gw e a r d e v i c e f o c u s i n go nt h eo r t h o g o n a lt e s td e s i g nm e t h o d s ，a n dd a t ao ft h i st e s th a db e e n a n a l y z e dt oi d e n t i f yt h eo p t i m a lt e s ts c h e m ea n dt h eo p t i m a ll e v e lo fo r t h o g o n a lt e s t a st h es t a n d a r d , t h et e s t i n gr e s u l t sa r eu s e dt om a k ed e t a i l e dd e s i g nf o rt h e d e v e l o p m e n t o ff r i c t i o nt e s t a c c o r d i n gt ot h i st e s td e s i g ns c h e m e ，t h ec o r r e s p o n d i n g t e s ts p e c i f i c a t i o nw a sw o r k e do u t g i v i n gs p e c i f i cd a t aa n a l y s i so ft h er e s u l t so fb e n c ht e s t sa n df r i c t i o na n dw e a r t e s t ss a m p l e s t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fw o r k i n gc o n d i t i o n so fc l u t c ha r e f o u n do u tt h r o u g hb e n c ht e s t s ；s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n ta n df a c t o r sc o u p l i n ge x p e r i m e n t i no n e - s a m p l et e s th e l p st oa c h i e v eo p t i m a lc l u t c hs t r u c t u r ea n dw o r k i n gc o n d i t i o n s t h e c o r r e c t n e s sa n ds c i e n t i f i c a l n e s so ft e s t i n gm e t h o d si nt h i st h e s i si sv e r i f i e db yt h ef i n a ld a t ao f t e s t s k e y w o r d s ：m i n iv e h i c l e s ，c l u t c h ，f r i c t i o na n dw e a r , f r i c t i o nt e s t i i 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生c 签名，：眺 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名) ：! 当军莹袤d 师c 签名) 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 背景与意义 第1 章绪论 汽车是重要的运输工具，是科学技术发展水平的标志。汽车工业是资金密集、 技术密集、人才密集、综合性强、经济效益高的产业。世界各个工业发达国家几 乎无一例外地把汽车工业作为国民经济的支柱产业。汽车的研制、生产、销售、 营运，与国民经济诸多部门息息相关，对社会经济建设和科学技术发展起着重要 的推动作用。同时，汽车也是社会物质生活发展水平的重要标志。汽车的保有量 随着国民人均收入水平的提高而增加。目前，全球汽车总保有量( 即现今投入使 用和运行的轿车及商用汽车总数量) 已近9 亿辆。在发达国家，汽车已普及到千 家万户，促使人的社会生活方式发生显著的变化。 离合器作为汽车的主要零部件对汽车的综合性能起着关键作用。在对微型车 干摩擦离合器的故障统计中发现，异常磨损是主要故障原因。磨损过程一般分为 磨合阶段( 此时轻微磨损属于正常现象) 、稳定磨损阶段( 磨损量较小、时间较 长) 、剧烈磨损阶段( 磨损剧烈) ，离合器的正常磨损是经历前两个磨损阶段。在 q c t 2 5 9 2 汽车干摩擦式离合器总成技术条件中可以查阅到离合器行驶公里 数的标准是2 5 0 0 0 公里，在2 5 0 0 0 公里以内离合器损坏属于非正常现象。根据故 障统计报告，由异常磨损引起离合器车上起步发抖、分离不良、打滑三种现象的 3 9 2 件离合器中，在2 5 0 0 0 公里以内损坏的离合器为3 4 0 件，约占8 6 8 7 ，由此 可见，离合器的故障大多由异常磨损引起，进行微型汽车离合器的摩擦磨损研究 势在必行。本文所论述的试验设计为研究离合器的摩擦磨损提供一种科学的研 究方法和数据依据，对离合器的磨损机理研究和故障原因的排查具有很大的现实 意义。 1 2 国内外研究现状 对离合器摩擦磨损性能的研究，一是对摩擦片材料的研究，二是对离合器试 验方法的研究，离合器试验的研究成果主要是试验设备的改进。 1 2 1 离合器摩擦片材料的发展 初期的摩擦片是使用棉花、棉布、皮革等作为基材，例如将棉花纤维或其织 品浸渍橡胶浆液后，进行加工成型制成摩擦片，就是早期应用的摩擦材料品种之 一，但是它的耐热性差。随着车辆速度和载重的增加，其制动温度也相应增高， 武汉理工大学硕士学位论文 这类摩擦材料己经不能满足使用要求，人们开始寻求耐热性好的新型摩擦材料， 石棉摩擦材料由此诞生。 1 9 0 5 年，石棉摩擦片开始被应用，其制品的摩擦性能和使用寿命、热性和机 械强度均有较大提高。1 9 1 8 年后，人们用石棉短纤维与沥青混合后制成离合器 摩擦片。2 0 世纪2 0 年代初，酚醛树脂开始工业化应用，由于其耐热性明显高于 橡胶，所以很快取代了橡胶而成为摩擦材料中主要的粘结剂材料，并且由于酚醛 树脂与其它的各种耐热型的合成树脂相比价格较低，所以从那时起，石棉一酚醛 型摩擦材料被世界各国广泛使用至今。从上个世纪7 0 年代至今的三四十年来， 随着科学技术的发展，汽车的功率、速度和载荷日益提高，其运行工况条件日益 严峻，同时伴随着世界能源危机与人类环境保护意识的增强，对汽车和汽车零配 件提出更高的要求，促进了包括汽车摩擦材料在内汽车零配件的快速发展。对于 摩擦材料而言，要求有足够而稳定的摩擦系数、摩擦系数之差小；有良好的导热 性和一定的高温机械强度，有良好的耐磨性和抗粘着性，不易擦伤对偶件，无噪 声，低成本，对环境无污染等【2 1 。 1 2 1 1 国外离合器摩擦材料的发展现状 当前，国外特别是欧、美发达国家，对石棉摩擦材料严格禁止使用。美国生 产的摩擦材料己全部采用了无石棉材料，而欧洲国家的离合器摩擦片也基本采用 无石棉材料，日本也在大力开发研究无石棉摩擦材料。无论是在生产工艺、自动 化生产设备还是用材上，国外汽车无石棉摩擦材料都有了很大的发展。 ( 1 ) 生产工艺进展 随着科学技术的飞速发展，生产设备得到了很大改善。对于模压产品，国外 发达国家采用的基本工艺流程如图1 1 所示。配料基本实现计算机自动控制， 减少了人工配料的误差；热压大多采用大吨位压力机，并采用计算机控制技术， 大大提高了产品质量和生产率。 图i - - i 模压产品的基本工艺流程图 对于编织缠绕产品，采用的基本工艺流程如图1 _ 2 所示。这一工艺主要采 用了自动控制的编织机、浸喷处理装置、烘干系统，以及其它先进的辅助工装设 备。 2 武汉理工大学硕士学位论文 非石棉纤维 浸渍干燥卜一编织缠绕 印标、包装卜- 叫清洗干燥h 机械加工h 热处理u 热压固化 图1 - - 2 编织缠绕产品的基本工艺流程图 ( 2 ) 原材料的演变 作为汽车离合器的关键部分，摩擦材料需要具备许多性能，如抗腐蚀、低密 度、寿命长、低噪音、摩擦性能稳定、磨损率低及极佳的性价比。要获得高性能 的摩擦材料，仅用一种材料是不能满足要求的，而要多种组分复合而成，常用的 组分为增强材料、粘结剂、填料和碳质材料。 1 增强材料发达国家生产摩擦材料用的增强材料己大部分改为非石棉纤 维。应用最为普遍的是金属纤维( 包括钢纤维、铜纤维和铝纤维等) 、有机纤维( 包 括芳香族聚酞胺纤维及其浆粕、聚丙烯纤维及其浆粕、碳纤维和纤维素纤维等) 和无机矿物材料( 包括玻璃纤维、矿棉纤维、钦酸钾纤维、海泡石纤维、硅灰石 纤维以及云母、硅石等矿物) 。 2 粘结剂主要有以下几类：橡胶改性酚醛树脂( 粉状液态) 、环氧改性酚醛 树脂、硅树脂、改性硅树脂和腰果油改性树脂( y s m ) 。 3 填料为了制造出满足性能要求的摩擦材料，需加入各种填料来调节摩擦 材料的性能。新型的填料加入硬质材料、金属及其氧化物和有机填料等一般可提 高摩擦材料的摩擦系数，或可提高某些方面的性能，如加入锌粉可起到防锈的作 用，加入矿物填料对材料的性能一般影响不大，但可调整材料的组成，降低生产 成本，加入轻质填料则可降低材料的密度，也可改善其它性能。 4 碳质材料为了提高摩擦材料的耐磨性、减轻噪声，应用了另一类重要原 料一碳素和石墨质材料。主要包括天然无定型石墨、鳞片石墨、合成石墨、石油 焦炭海煤、无烟煤和活性炭等碳素材料。一般要求此类材料含碳量达9 7 以上， 粒度一般以2 0 至1 0 0 目为佳。碳质材料具有高温润滑作用，能减缓摩擦材料的 性能衰退，提高高温摩擦系数，改善磨损性和不刮伤对偶件等优点。 1 2 1 2 国内离合器摩擦材料的研究现状 解放前我国只有小型摩擦材料生产企业。新中国成立后，自2 0 世纪5 0 年代 开始，陆续建成一批摩擦材料生产企业；6 0 年代初期，由国家管理的重点石棉 摩擦材料企业有十八家，多以湿法生产为主；7 0 年代时，国内有近8 0 、约2 0 多家石棉摩擦材料重点企业从湿法转为干法生产工艺；7 0 年代末8 0 年代初，国 3 武汉理工大学硕士学位论文 家有关部门开始关注石棉制品企业的环境污染问题，并采取了一些改进措施。我 国一些重点摩擦材料企业和科研院校也开始对无石棉摩擦材料进行研究和开发， 并在8 0 年代后期开始了半金属摩擦材料的生产和应用。 2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代初这段时期，可以认为是我国摩擦材料行业快速 发展和发生了根本性变化的一个时期。在9 0 年代末期，我国有关部门和汽车行 业为了和国际市场接轨，根据联合国欧洲经济委员会第1 3 号法规及工s o 有关道 路车辆制动性能试验方法的国际标准和法规，颁布了g b l 2 6 7 6 - - - 9 9 汽车干摩擦 式离合器总成台架试验方法和g b l 2 6 7 6 - - 9 9 汽车干摩擦式离合器总成技术条 件国家标准，它是一个强制性标准。这实际上宣布我国汽车摩擦材料强制性全 面无石棉化的决定，这一标准将使我国摩擦材料行业发生换代性的变化。因此， 对于摩擦材料行业的专业人士来说，研究开发各种无石棉摩擦材料产品并及早全 面应用已是摆在我们面前的紧迫任务。 十多年来，我国的汽车摩擦材料无论是在产品材质还是在制造工艺、设备上 都有很大的进展，如半金属无石棉摩擦片的开发和制造己取得效益，对无石棉摩 擦材料的研究开发也在不断开展，对非石棉增强材料及树脂的选用做了较多的研 究，对摩擦材料的生产工艺、测试方法和设备等都有所研究和改进，但总体上仍 比较落后，与国外仍存在很大的差距。 1 2 2 离合器试验的研究现状 离合器摩擦材料摩擦磨损性能的优劣是决定汽车行驶安全性的一个重要的 手段，同时，摩擦磨损特性也是摩擦材料的最基本的、最重要的性能。评价摩擦 磨损特性的方法有很多，通常通过摩擦磨损试验来检验，常用的摩擦磨损试验方 法有对比试验法、标准试验法、使用范围试验法、使用性能试验法。 测定摩擦材料摩擦磨损特性的常用试验有3 种：采用标准试样形式的小样试 验；采用实际离合器总成件，并模拟实际使用条件的惯性台架试验；装车后的使 用试验。对于摩擦材料企业来说，更注重于小样试验和惯性台架试验。 目前在我国和其他亚洲国家常用的小样试验机是定速试验机，北美国家采用 c h a s e 试验机，此外还有f a s t 试验机和m 1 10 0 0 试验机。惯性台架试验机又称惯 性测功机( d y n a m o m e t e r ) ，因其能够较好地模拟离合器的实际工况条件，并较真 实地反映离合器摩擦副在实际工况条件下的摩擦磨损性能，所以被摩擦材料业内 人士认为是离合器和摩擦材料性能综合测试中最具权威性的测试设备。但其制造 成本昂贵且结构复杂、体积较大；试验过程繁琐，对操作和维修人员的要求也较 高。所以小样试验和台架试验相结合才是更科学、更经济的试验设计方案。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本论文研究的主要内容 本论文的研究目标是研究一套科学、严谨的经济型汽车离合器摩擦磨损试验 方案，通过不同厂家的离合器之间的比较以及同种离合器不同工况条件下的比 较，找出离合器的摩擦磨损规律，并找出优化的结构和摩擦材料。研究的具体内 容如下： 1 台架试验原理介绍及其试验规范的制定。 2 小样试验摩擦性能测试设备的原理介绍及其试验机上配套的夹具的设计 方案。 3 小样试验的试验方法设计以及相应试验规范的制定。 4 台架试验与小样试验结果的处理与分析。 1 4 本章小结 本章旨在使读者对本论文有一个大致的了解，简要介绍了课题研究背景，阐 述了对经济型汽车离合器试验研究的目的意义，并对离合器试验方法的发展历程 及现状进行了简要的分析。最后介绍了论文的组织结构及主要研究内容。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章离合器理论基础 2 1 汽车离合器的结构组成 2 1 1 汽车离合器功用 离合器是汽车的传动系中与发动机直接联系的重要部件，其功用是： 1 传递( 离合器接合) 和切断( 离合器分离) 发动机传给传动系的动力，以保证 汽车的平稳起步、停车以及变速器的顺利摘挡和挂挡。 2 当传给离合器的转距超过它能传递的最大摩擦转距时( 如汽车紧急制动而 未分离离合器时，发动机旋转部分因突然减速而引起的巨大惯性力矩) ，由于离 合器的主、从动部分之间发生滑摩，就可以保护各零部件以防止其过载而损坏。 3 通过离合器的使用，可有效地降低传动系中的振动和噪音。 2 1 2 汽车离合器结构的演变 1 8 8 6 年世界上第一辆汽车的发动机与传动系之间采用皮带传动，利用张紧轮 使皮带松弛或张紧来中断或接通动力的传递，这就是最早的汽车离合器。自此之 后，汽车离合器不断地改进，到1 9 0 0 年后，由于摩擦材料的改进才开始采用干 式与双片摩擦离合器，成为现代的汽车离合器。根据压紧弹簧形式的不同先后出 现了三代产品，使离合器的可靠性和舒适性不断提高，其重量和价格却不断降低 3 - 5 o 1 第一代产品一螺旋弹簧离合器 它是最早的干式单片离合器，采用螺旋弹簧作为压紧元件，1 9 2 5 年开始采用 石棉基摩擦衬片，至1 9 3 0 年结构已较完善，1 9 3 0 年以来普遍使用于汽车中。 2 第二代产品一推式膜片弹簧离合器 推式膜片弹簧离合器最早由美国通用汽车公司于1 9 3 8 年开始应用于该公司 的轿车产品，2 0 世纪6 0 年代以来应用于各类汽车。 3 第三代产品一拉式膜片弹簧离合器 4 世纪6 0 年代末在原西德f & s 公司首先研制成功，1 9 8 0 年以来国外大、中、 小型汽车都开始使用。 本论文研究的离合器均为推式干摩擦膜片弹簧离合器。 6 武设理i 大学硕l 学位论文 2 1 _ 3 离合器总成结构 推式膜片弹簧干摩擦离合器总成由膜片弹簧、离合器盖、压盘、传动片、分 离轴承总成以及从动盘总成等部分组成，部分组件如图21 所不。 图21 离合器盖总成零件分解图 l 一离合器盖 支承环，3 膜片弹簧4 一传动片卜蔓承铆钉啡盘 l 离合器盖 离台器盖一般为1 2 0 度或9 0 度旋转对称的板壳冲压结构，通过螺栓与匕轮 联结在一起。离合器盖是离合器中结构形状比较复杂的承载构件压紧弹簧的压 紧力展终都要由它来承受。 2 压盘 压盘的结构一般是环形盘状铸件，离合器通过压盘与发动机紧密相连。压盘 靠近外圆周处有断续的环状支承凸台，最外缘均布有三个或四个传力凸耳。 3 膜片弹簧 膜片弹簧是离合器中重要的压紧元件，在其内孔圆周表面上开有许多均布的 长径向槽，在槽的根部制成较大的长圆形或矩形窗孔，可以穿过支承铆钉，这部 分称之为分离指从窗孔底部至弹簧外圆周的部分形状像一个无底宽边碟子，其 截面为截圆锥形，称之为磉簧部分。 4 传动片 离合器接合时，飞轮驱动离合器盖带动压盘起转动，并通过压盘与从动盘 摩擦片之间的摩擦力使从动盘转动。在离合器分离时，压盘相对于离合器盖作自 由轴向移动，使从动盘松开。这些动作均由传动片完成。传动片的两端分别与离 台器盖和压盘以铆钉或螺栓联接，一般采用周向布置。在离合器接合时，离合器 武& 理工太学碰学位论文 盖通过它来驱动压盘共同旋转：在离合器分离时，町利用它的弹性恢复力来牵动 压盘轴向分离并使操纵力减小。 5 从动盘总成 蹩 二，j 。、攀嘟 夕+ 、“卜7 矿 从动盘总成包括摩擦片，波形弹簧片、从动盘毅、减振盘和减振弹簧等。其 中摩擦片是耐磨材料，离合器就是靠压盘和摩擦片之间的摩擦柬传递扭矩的。减 振弹簧用以避免汽车传动系统的共振，缓和冲击，减少噪声，改善汽乍行驶的舒 适性，并使汽车起步平稳。 22 干摩擦离合器的工作原理 2 21 离合器工作过程 全套离合器由两部分组成：离合器和离合器操纵机构。 就摩擦式离合器本身而占，按其功能要求，结构上由f 列几部分组成：主动 件、从动件、压紧弹簧和分离杠杆。其结构原理如图2 3 所示。 蹴矿& 武汉理工大学硕士学位论文 l234 56 1 l ( a )( b ) 图2 3 离合器结构 1 一飞轮 2 从动盘总成3 压盘4 分离杆5 分离套筒6 分离器制动7 一离 合器踏板8 压紧弹簧9 一离合器盖1 0 变速器第一轴( 离合器输出轴) 11 分离拨 叉及操纵连接杆 从图2 3 中可以看到，压盘3 、分离杆4 和压紧弹簧8 一起组装在离合器盖 9 内，俗称为离合器盖总成，盖总成通过螺栓安装到发动机的飞轮上，飞轮1 和 压盘3 为主动件，发动机的转矩通过这两个主动件输入，飞轮1 和压盘3 之间为 从动盘总成2 ，它作为从动件通过摩擦接受由主动件传来的输入转矩，并通过其 中间的从动盘毅花键输出转矩( 由变速器第一轴1 0 接受) 。压紧弹簧8 ( 它可以是 螺旋弹簧或膜片弹簧) 通过压盘3 把从动盘总成紧紧压在飞轮上，形成工作压力。 当发动机开始工作，带动飞轮1 和压盘3 一道旋转时，通过压盘上压紧弹簧产生 的工作压力所形成的摩擦力，带动从动盘总成旋转，完成转矩的输出。 如图2 3 ( a ) 所示，离合器通常总是处于接合状态。当需要切断动力时，驾 驶员通过离合器操纵系统中的踏板7 ，并经过操纵传动杆系及分离拨叉1 1 推动 分离套筒5 向前，消除间隙勿，使分离杆4 绕其在离合器盖9 上的支点转动，克 服压紧弹簧8 的工作压力后，压盘3 向后移动，从动盘总成2 和压盘3 脱离接触， 图2 3 ( b ) 所示从动盘总成2 不再输出转矩。分离套筒向左移动时，在消除了 间隙a r 后，输出轴1 0 受到了制动，转速很快下降，此种状况称为离合器制动， 目的是为了方便换挡。但这种离合器制动主要用在重型离合器上，一般离合器不 一定采用。分离杆和分离轴承之间的间隙a y 通常是需要的，因为从动盘总成因 摩擦面磨损后会使压盘3 向左移动，如果这一移动受到分离轴承的限制，就会导 致压盘3 不能很好地压紧摩擦面，造成从动盘在传扭时发生打滑现象。离合器使 用一段时间后由于间隙消失需要重新调整。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 离合器工作过程的功能关系 离合器的作用是借助摩擦力使主、从动轴平稳结合，传递力矩，并达到相同 的转速。如图2 4 所示。 设离合器主、从动轴的瞬时转速分别为，l i 、伤，需要传递的瞬时力矩为r ， 则接合过程中摩擦力矩做的滑摩功可表示为： 图2 _ 4 汽车离合过程 露= f ( q 一吃) t d t = 三3 0f ( 吩一吃) t d t ( 2 1 ) 式中： 磊一离合器滑摩功； 弼，锡离合器主、从动轴的角速度，r a d s ； 丁一离合器传递力矩； f 一接合过程所用的时间； n a ，一离合器主、从动轴的转速，r m i n ； 在离合器的接合过程中，主、从动轴的转速逐渐达到一致，完成接合过程， 如图2 5 所示。接合过程中的力矩r 由车辆系统的惯性阻力矩和车辆的道路阻 力矩组成。接合过程时间t 的长短，除了主、从动轴的转速差和力矩的影响外， 还与操作特性有关。离合器上的滑摩功最终以热的形式消耗在摩擦件上，并对摩 擦副产生影响。 图2 5 离合器工作原理 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述，离合器的工作过程实质是能量的转化过程。 2 2 3 离合器的基本性能要求 摩擦式离合器结构类型较多，但在使用上对它的基本要求是一致的： 1 能可靠地传递发动机的最大转矩； 2 接合过程要平顺、柔和，使车辆起步时没有抖动和冲击； 3 分离时要迅速、彻底； 4 离合器从动部分的转动惯量要小，以减轻换挡时变速器齿轮轮齿间的冲击 并方便换挡； 5 高速旋转时具有可靠的强度，应注意平衡，避免受离心力的影响； 6 应使传动系避免共振，具有吸收振动、冲击和减小噪声的能力； 7 操纵轻便，工作性能稳定，使用寿命长。 以上这些要求中最为重要的是使用可靠、寿命长以及生产和使用中的良好技 术经济指标和环保指标。 所谓使用可靠，是指离合器机构或零部件在预期内一直能正常工作，这意味 着在使用中要注意保养；其耗费的劳动量也要尽量小，这就取决于制造和装配质 量、结构设计和使用状况。很多情况下离合器不能可靠工作就是和不完善的技术 保养有关。合理选择离合器的结构参数，是保证离合器可靠使用的关键因素之一， 设计时应充分予以重视，但是一些零件在使用过程中达到一定里程后进行维修和 更换还是必需的、正常的，这些零件主要是摩擦片、从动盘毅、分离轴承、分离 套筒和其他一些分离机构零件。环境保护的要求是希望离合器工作时尽量不产生 有害的粉尘和不良气味。因为要求车身或飞轮外壳全封闭是不可能的，也是不恰 当的，因此只能从离合器上着手解决。离合器粉尘主要来源于从动盘总成摩擦片 的磨损【】。高的技术经济指标是指具有高性能质量的离合器且有相对便宜的价 格，这主要由结构设计、制造工艺和生产组织管理等方面予以保证，减少零件数 目，采用通用化、系列化设计和大批量生产，都有利于提高离合器的技术经济指 标。 2 3 离合器摩擦材料试验方法 摩擦材料摩擦磨损性能的检测是决定汽车行驶是否具有安全性的一个重要 手段，同时也是摩擦材料的最基本、最重要的性能。评价摩擦磨损特性的方法有 很多，通常通过摩擦磨损试验来检验，车用摩擦材料从产品开发到批量生产，一 般都采用规范的试验体系。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 离合器摩擦磨损试验方法 摩擦材料常用的摩擦磨损试验方法有对比试验法、标准试验法、使用范围试 验法、使用性能试验法。 对比试验法是指在相同条件下进行的试验，即将几种试样或者将要试验的试 样与已知标准试样进行对比试验以比较其摩擦磨损性能，从而选择或确定具有较 好的摩擦磨损性能的材料和结构。对比试验方法是摩擦材料最常用的试验方法之 一，很多试验研究人员都使用对比试验方法。 标准试验法是指用统一的标准化试验方法测量和研究出各种材料的摩擦磨 损性能指标，以便对各种材料在不同工况条件下的摩擦磨损性能进行比较和选 择。目前，摩擦行业正在努力制定各种材料的标准化摩擦磨损试验方法。 使用范围试验法是将试样在广泛条件下进行试验，以求得它的最大使用范 围或最高使用条件( 压力、速度、温度和寿命等) 。试验时常以摩擦磨损性能的 突变点来表示结果。此方法多用于研究新的耐磨、减摩和摩阻材料以及新的耐磨 表面处理工艺【弘1 0 1 。 使用性能试验法是模拟实际使用情况进行试验以便得到实际情况的摩擦磨 损性能指标。此方法一般多为应用部门采用。 2 3 2 离合器摩擦磨损试验 测定摩擦材料摩擦磨损特性的常用试验有3 种：采用标准试样形式的小样试 验；采用实际制动总成件和对偶件，并模拟实际使用条件的惯性台架试验：装车 后的使用试验。对于摩擦材料企业来说，更注重于小样试验和惯性台架试验。 2 3 - 2 1 小样试验 小样试验是指将所研究的摩擦件制成尺寸较小的试样，在相应的试样试验机 上进行摩擦系数和磨损性能的试验。小样试验的条件选择范围较宽，影响因素容 易控制，在短时间内可以进行较多参数和较多次数的试验，试验数据重复性较好， 对比性较强，易于发现其规律性，一般多作为配方研究与筛选试验，更多地用于 中间质量监控试验及新产品开发的前期阶段。小样试验的费用低、周期短，所以 经常被摩擦材料的生产厂家采用。但小样试验的试验条件在模拟性方面与摩擦片 工作时的实际工况条件有一定差距。目前，在亚洲一些国家和地区，如中国、日 本、马来西亚、台湾等地，小样试验的试验方法主要参照日本在2 0 世纪4 0 年代 建立并经多次修改的相关标准。北美国家的小样试验方法通常采用美国汽车工程 师协会( s a e ) 制定的试验规范。欧洲国家不进行小样试验，只采用台架试验。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 2 台架试验 台架试验是在试样试验基础上，择优选出能基本满足摩擦磨损性能要求的材 料，制成与实际结构尺寸相同或相似的摩擦件和对偶件，并模拟实际使用条件在 相应台架试验机上进行的试验。台架试验目的在于选择合理的摩擦副结构，校验 试验数据和模拟实际工况条件下摩擦件的可靠性。台架试验相对于试样试验来说， 更接近于实际使用条件，试验数据具有更高的可靠性。总之，相对于使用试验来 说，台架试验较易控制试验条件，还可强化实际使用条件；相对于小样试验来说， 具有优良的模拟性和数据重现性，但试验过程复杂、周期长、费用高。 2 3 2 3 使用试验 使用试验在上述两种试验基础上，再优选出摩擦磨损性能好的材料，制成实 际使用的摩擦副，在实际使用条件下进行的试验。 使用试验具有较好的真实性和可靠性，是摩擦磨损试验中最终不可缺少的。 但是它需要较多的人力物力和特殊的测量仪器、费用高、周期长。同时，试验结 果受到多因素的综合影响，不易进行单因素的考察，不易分析问题产生的原因。对 于摩擦磨损这样一个多因素的复杂问题，如果不进行前述两种类型试验，一开始 就进行使用试验，必然难以抓住主要矛盾作分析比较，增加整个试验的周期和费 用。 总之，上述三种试验，不一定按照常规试验分别依次地进行，主要视具体情 况而定，可以分别选取或结合进行，即可把三种类型试验结合进行，也可把试样 试验和使用试验或把台架试验和使用试验结合进行，对于结构简单的机械件，亦 可直接进行使用试验【l 。 2 4 本章小结 本章主要介绍了离合器的基础内容，包括离合器的结构组成、离合器的工作 原理以及离合器摩擦材料的试验方法。其中结构组成部分对离合器总成的各零部 件做了详细介绍；工作原理部分对离合器的工作过程以及工作过程中的功能转化 做了剖析；试验方法部分介绍了常用的试验方法以及各种摩擦磨损试验。本章对 离合器基础理论的论述为试验方法的研究打下了坚实的基础。 1 3 武汉理t 学顿学位论立 第3 章离合器摩擦陛能测试设备及夹具设计 离合器摩擦磨损试验有小样试验、台架试验和使用试验三种。本论文对离合 器摩擦性能的研究采用小样试验和台架试验两种。台架试验采用长春中联试验仪 器有限公司研制的离合器综合试验台，小样试验采用武汉理工大学摩擦学研究所 研制的高温销盘摩擦试验机。 31 综合台架试验台 3 1 l 试验台简介 汽车离合器的台架试验是用于模拟汽车实际的离合过程，以总成台架试验的 方式来测试离台器总成的摩擦性能、热稳定性、传递扭矩等性能。 图3 1 综合台架试验台实物图 综合台架试验设备采用长春中联试验仪器有限公司研制的离合器综合试验 台，主要应用于载重量小于3o 吨的轿车及轻型汽车的干式摩擦离合器及摩擦衬 片的性能测试。其实物图如图3 1 所示。其试验是根据离合器摩擦力矩与压力 成正比的特性而确定的具有优良的模拟性和数据重现性。 31 2 试验台的工作原理 离台器接台时能量主要是旋转机件旋转时所贮藏的动能。惯性离合器试验台 是采用旋转的惯性e 轮模拟汽车这部分动能，从而达到模拟实际汽车离合过程的 鬻 融。 武汉理工大学硕士学位论文 目的。台架试验中，要使被试验的离合器总成与装在汽车上的离合器总成状态相 同，工作负荷相同。 离合器综合台架试验台基本由电动机、传动机构、主轴及惯量飞轮组、从动 轴、连接法兰、控制与测试系统等组成【1 2 】。其结构示意图如图3 2 所示。一个 完整的试验设备除图3 _ - 2 所示的台架以外，还有气压或液压系统、吹风与吸尘 装置、以计算机为核心的试验程序自动控制系统、试验数据采集与数据处理系统 等。 2345 67 891 0 图3 2 综合台架试验机结构简图 l 一可调速电机2 一连轴节3 一减速箱4 支承座5 一飞轮6 主动轴法兰盘 7 | 试件( 从动盘总成) 8 试件( 盖总成) 9 从动轴法兰盘1 0 一从动轴1 1 一从动轴座 试验过程中要用到一些参数，现介绍如下： 转动惯量的计算： 厶= 管 式中：_ 厂r - 汽车足档的当量惯量，堙m 2 ； 形- 汽车总质量，鳄； r ，车轮滚动半径，m ； 驱动桥减速比； 丘变速器k 档速比，起步档位按下述原则确定： 半挂车或主车带拖挂：i 档； 单车：4 档或4 档以上变速器用i i 档； 单车：3 档或3 档以下变速器用i 档； 重型车：根据具体情况，由有关方面商定。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 道路阻力矩的计算： 以：坠掣! 王七。z o ( 3 _ 2 ) 式中：m ，作用于离合器输出轴上的道路阻力矩，n m ； 矽道路阻力矩系数，覃，= f c o s t r + s i n t r ； 厂滚动阻力系数( 微型车、轻型车及轿车：f = o 0 1 5 ；中、重型车： f = o 0 2 ) ： 口_ 坡路角度，辔口= 8 ； g 重力加速度，m s 2 ； 矿，耳，岛，同前。 3 1 3 试验台主要技术参数 综合台架试验台的主要技术参数如下： 最大扭矩：4 0 0 0 n m 最高转速：1 5 0 0 r m i n 最小可调惯量：o 5 k g 小2 接合次数：2 - - - 6 次分钟 温度范围：室温 - - 4 5 0 应用范围：1 6 0 姗4 3 0 聊 重复测量精度：o 1 n ( 载荷) 0 1n m ( 扭矩) o 1 ( 温度) 3 1 4 台架试验的依据与方法 离合器的台架试验是依据我国汽车行业台架试验国家标准q c t2 5 - 2 0 0 4 汽 车干摩擦式离合器总成技术条件和q c t2 5 - 2 0 0 4 汽车干摩擦式离合器总成 台架试验方法来进行试验和评价的【1 3 】。 本次试验的离合器从动盘总成包括： a 型离合器，其摩擦片内径为1 2 7 5 m ，外径为1 9 0 m m b 型离合器，其摩擦片内径为1 3 0 m m ，外径为1 8 0 m m c 型离合器，其摩擦片内径为1 2 5 m ，外径为1 8 0 m m d 型离合器，其摩擦片内径为1 3 2 m m ，外径为1 9 0 r a m 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 4 1 试验项目 1 6 0 次离合循环试验 2 滑摩试验 3 1 0 0 0 次离合循环试验 3 1 4 2 试验准备 1 试验样件检查：确认无异常、摩擦块无机油等污染。 2 热电偶安装：在压盘表面中径处，距工作表面0 5 0 1 m m ，埋装热电偶或 其它感温元件。 3 称重：用电子天平称取从动盘总成质量。 4 配装惯量：用酒精或丙酮擦拭离合器摩擦表面，配装相应的当量惯量。 5 安装：将离合器装于试验台上，确定夹紧厚度和对应的工作压紧力。安装 连接好温度、摩擦力矩、转角或转速的测量记录装置。 3 1 4 3 试验步骤 1 按规定的条件接合离合器，待试验台主、从动部分同步之后，分离离合器、 制动试验台从动部分到停止，完成一个循环。如此循环6 0 次。记录第2 0 次、第 4 0 次和第6 0 次过程中转矩随时间的变化曲线。 2 固定试验台从动部分，接合离合器使试验台主、从动部分之间产生滑摩直 到压盘温度达到3 2 0 c ，记录此时的转矩值，同时计算摩擦系数。 3 冷却到室温。 4 按规定的条件再循环1 0 0 0 次。每隔1 0 0 次，即记录第1 0 0 次、第2 0 0 次 及第1 0 0 0 次过程中转矩随时间的变化曲线。 5 称取从动盘总成质量。 6 测量盖总成的工作压紧力。 3 1 4 4 试验数据采集 台架试验设备为微机自动控制惯性试验台，上位机自动采集相关数据。汽车 台架试验的数据采集主要包括以下几项：转速、最大摩擦系数、最小摩擦系数、 平均摩擦系数、摩擦转矩变化曲线、温度变化曲线、工作载荷等参数m 1 7 1 。 3 1 4 5 试验结果 试验后，检查离合器有无异常现象，并测量从动盘质量。其中，摩擦片不允 许有明显的裂纹和刮痕，压盘不允许有影响功能的残余变形，以及明显的裂纹、 碎裂现象。 1 7 武救理工人学硕士学位论文 32 高温销盘摩擦试验机概述 小样试验采用的是高温销盘摩擦试验机。摩擦试验机试验基本原理是将摩擦 片按照规定要求，制成1 6 n 皿x1 6 皿规格的小样品，以一个恒定的压力将被测试 样压在压盘的表面上，并由电机带动摩擦片样品以荣转速旋转，则沿接触面的 切线方向会产生一个摩擦力，通过对压力和摩擦力的测定便可确定出被测样品的 摩擦系数。即： f “2 。 ( 3