吳 超，郭劉洋

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京 100072)

液粘離合器是車輛綜合傳動裝置的一個重要元件，它控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速并傳遞動力.液粘離合器的工作原理是利用摩擦副間的油膜剪切力來傳遞扭矩.對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)的，即:通過控制離合器油缸的工作油壓來改變離合器摩擦副的結(jié)合程度，從而控制摩擦片與對偶片的速差來改變輸出軸的轉(zhuǎn)速，最終達到對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的目的.

液粘離合器摩擦副間油膜剪切作用產(chǎn)生的摩擦功損耗將以熱量的形式被潤滑油帶走，因此，液粘離合器剛開始工作時，應(yīng)先通入潤滑油.當液粘離合器控制壓力為零時，摩擦副處于分離狀態(tài)，摩擦副之間的間隙最大，間隙中充滿的潤滑油最多、粘性也最大，那么，當摩擦片旋轉(zhuǎn)時，就難以保證對偶片絕對靜止，對偶片也會被帶動旋轉(zhuǎn)，此時將作用在對偶片上的扭矩稱為帶排扭矩.但是帶排扭矩的存在帶來2個不利影響:1)將造成發(fā)動機功率的損失;2)影響風(fēng)扇傳動轉(zhuǎn)速的控制.因此，對液粘離合器的帶排扭矩進行研究，是為了最大限度地減少功率損失，同時使得風(fēng)扇在低溫環(huán)境下的帶排轉(zhuǎn)速降至最低，并使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制在一定范圍內(nèi)，這對于風(fēng)扇傳動來說至關(guān)重要.

1 帶排扭矩的計算原理

液粘離合器的摩擦副可以簡化成2個相對旋轉(zhuǎn)運動的圓板，如圖1所示.根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，可以推導(dǎo)出液粘離合器摩擦副間最小帶排扭矩的計算公式[1].

圖1 帶排扭矩推導(dǎo)原理圖

在圓環(huán)油膜半徑r處取一微小圓環(huán)面dA=2πrdr，其油膜剪切應(yīng)力τ= μ(ω1－ω2)r/h，剪切力dF=τdA，傳遞的扭矩，即帶排扭矩dT=rdF，則有

對式(1)進行積分可得所有摩擦面之間的帶排扭矩:

式中:z為摩擦副對數(shù);μ為油液的動力粘度，Pa·s;R1為摩擦片內(nèi)半徑，m;R2為摩擦片外半徑，m;Δω為摩擦片與對偶片的角速度差，rad/s;h為摩擦片間隙，m.

從式(2)可見，液粘離合器的帶排扭矩與油液的動力粘度、主動摩擦片的轉(zhuǎn)速(車速)成正比，與摩擦片間隙即油膜厚度成反比.

2 帶排扭矩的理論計算值

根據(jù)式(2)對液粘離合器的帶排扭矩進行計算.

為了與試驗狀態(tài)進行對比，計算時選擇入口油溫為40℃，摩擦副對數(shù)為24.若假設(shè)對偶片轉(zhuǎn)速為0，則 Δω =2πn/60 = πn/30.在轉(zhuǎn)速 500 r/min和4 500 r/min之間取7個點，其理論扭矩的計算結(jié)果如表1所示.

表1 帶排扭矩的理論計算值

3 液粘離合器帶排扭矩的試驗研究

為了研究液粘離合器帶排扭矩的影響因素，對其進行了臺架性能試驗.

3.1 試驗裝置

液粘離合器的試驗臺布置如圖2所示，試驗時鎖死離合器輸出端使液粘離合器輸出轉(zhuǎn)速始終為零，同時關(guān)閉控制閥以保證離合器處于分離狀態(tài).通過電機改變輸入轉(zhuǎn)速，每個轉(zhuǎn)速點穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)2 min，分別記錄各點的輸入轉(zhuǎn)速、輸入扭矩、輸出扭矩、潤滑壓力、出入口油溫、摩擦片出口油溫等數(shù)據(jù).

圖2 試驗裝置示意圖

3.2 液壓系統(tǒng)

圖3為液粘離合器的液壓系統(tǒng)示意圖.控制油從一個小流量泵出來后進入控制閥組，根據(jù)電控信號調(diào)節(jié)輸出壓力，實現(xiàn)離合器的結(jié)合與分離.由大流量泵流出的潤滑油進入離合器摩擦副平衡功耗.通過試驗裝置實現(xiàn)回油.

圖3 液壓系統(tǒng)示意圖

3.3 試驗內(nèi)容和結(jié)果分析

3.3.1 轉(zhuǎn)速對帶排扭矩的影響

對液粘離合器進行試驗，試驗轉(zhuǎn)速點分別為500、1 000、1 500、2 000、3 000、4 000、4 500 r/min，潤滑油液為15W/40CD，入口油溫在30～40℃之間，液壓系統(tǒng)要保證足夠潤滑油流量，其潤滑壓力模擬實際使用工況，最終試驗結(jié)果如表2所示.

表2 試驗結(jié)果

將試驗值與理論值進行對比，由圖4可見，理論計算結(jié)果與試驗值基本吻合，變化趨勢相一致.對比兩條曲線，在低轉(zhuǎn)速時試驗值略微偏大，究其原因，主要有2點:1)低速時油溫較低，油液的粘度偏大;2)低速時各摩擦副間的分離間隙不均勻.當轉(zhuǎn)速逐漸升高后，以上兩方面影響因素減弱，試驗值與理論值逐漸接近.

圖4 液粘離合器帶排試驗值與理論值對比曲線

3.3.2 油溫對帶排扭矩的影響

根據(jù)流體力學(xué)理論，油液的粘度對溫度的變化十分敏感，溫度升高，粘度下降.由于帶排扭矩與油液動力粘度成正比，致使油溫對帶排扭矩有很大影響，所以對此進行了試驗驗證.

對液粘離合器在2 000 r/min時進行試驗，潤滑入口油溫分別為30℃、40℃、50℃、60℃，試驗結(jié)果如圖5所示.可見，隨著油溫的升高，帶排扭矩逐漸下降，試驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性.

圖5 液粘離合器不同入口油溫下帶排扭矩試驗值曲線

3.3.3 摩擦副間隙對帶排扭矩的影響

為了進一步降低摩擦副的帶排扭矩，對摩擦副一側(cè)的壓盤進行了修改設(shè)計，使其減薄1 mm，這樣便相應(yīng)增大了摩擦副間隙1 mm，再次進行了試驗，并與修改前進行了對比，結(jié)果如圖6所示.試驗結(jié)果表明:增大間隙后，帶排扭矩減小，最大帶排扭矩已經(jīng)小于30 Nm.可見，通過適當調(diào)整摩擦副間隙可以合理控制帶排扭矩使其滿足使用要求.

圖6 摩擦副不同間隙時帶排試驗值對比曲線

4 結(jié)論

通過對液粘離合器帶排扭矩的理論分析和試驗研究，得出以下結(jié)論:

1)帶排扭矩的理論數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果的變化趨勢基本一致，在高轉(zhuǎn)速時試驗數(shù)據(jù)與理論值更加接近;

2)油液的粘溫特性對帶排扭矩影響很大，隨著油溫升高，粘度下降，帶排扭矩隨之減小;

3)合理調(diào)整摩擦副的分離間隙，可以控制帶排扭矩的大小，間隙增大，帶排扭矩減小.因此，在滿足使用要求的前提下應(yīng)通過適當增加摩擦副間隙以減小帶排扭矩，防止功率損失增加.

[1]姜劍勇.液體粘性調(diào)速離合器試驗系統(tǒng)的研制[D].杭州:浙江大學(xué)，2006.