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美国汽车工程师学会技术论文序列

实验的方法来决定膜片弹簧式离合器特征

翻译于：2000变速箱和传动系统讨论会（标准程序-1522）

美国汽车工程师学会2000世界专业会议
密歇根洲底特律市
2000年3月6–9日

版权所属2000汽车工程师学会公司。
摘要
报纸指出一个实验性的研究，该研究是关于在离合器接合和磨损期间膜片弹簧式离合器传输的转矩和热现象之间的关系此研究描述了在从前一篇论文中指出的实验工作台的发展。原始的技术是以测量要求的数值和形成关于研究关系的实验性方法发展起来的。这些主要的成果是在考虑不同的操纵条件，热现象的动态和离合器磨损的情况下获得的。
介绍
在自动的和连续的齿轮换挡中，用一台电子控制器替换驾驶员要求增加对每个动力系组成的认识以使变位调整设计最佳化。在不同的动力系组件中，建立实际的离合器转矩特性曲线是非常关键的当一个传动系统同膜片弹簧离合器代替转矩变换器被使用时，这一考虑就变得更加紧迫。考虑到系统生产者的目的，传递性特征通常用来表示依靠于离合器执行机构位置的转矩。为完成离合器转矩模型，通常认为考虑滞后作用影响该特征本身是足够的。不幸的是，经验表明离合器转矩取决于在啮合，滑动，离合器的频繁使用以及其他运转工况和参数期间的磨损和能量消耗。
为增长关于离合器传递多少转矩取决于该运转工况方面的知识，作者建立了一个专门设计的特性试验台。
最显著的特征简而言之评价对于离合器从动盘是表面热现象、推板位置动态和力动态地施加上把该离合器盖与该飞轮连接在一起。
评价离合器从动盘的最显著的特征是表面热现象，推板位置动态和把离合器盖与该飞轮连接在一起的动态的力。依靠热现象和离合器的磨损研究转矩之间的关系的实验的方法已经被描述出来，并且也已显示出最显著的成绩。
试验台
图表一表明了设计这个试验工作台来研究该性能片弹簧式离合器的特性。

图表⒈试验台布局
当模拟大多数常见的运转工况的时候，这个布局使测试离合器成为了可能，例如驻车起动和变速调挡。
主要的液压发动机（45kw,300-3000rpm)固定在一个减速器（同比等于10）上以研究当传动轴被锁定的时候离合器在30-300的范围内以一相对的速度接合时发生的现象。没有这个减速器此试验工作台允许飞轮的速度处于300-3000rpm的范围中。一个校准轮毂连接了该减速器和飞轮。离合器是包含于变速箱中，而且变速箱也提供了它的驱动机构。变速箱的原动轴固定于校准轮毂且最终固定于制动电动机。该制动电动机被控制在驱动轴上以便模拟惯性的负荷和转矩阻力。
试验台配备了传感器来测量变风区的数值，它可以分辩和影响该离合器取决于执行机构位置的传递转矩。（传递性功能）这些功能通常被认为为是摩擦系数、夹持载荷和平均离合器从动盘半径综合作用的结果。通常认为不变的摩擦系数事实上取决于离合器从动盘表面温度，相对速度、变速箱温度和磨损，而平均半径可以随圆盘磨损和圆盘表面温度的变化而变化。传感器就是这样排列的以便测量传递转矩、相对速度、离合器从动盘和飞轮之间的实际接触压力以及接触表面的温度。
该传递转矩是用固定在马达和驱动器上的应变仪来调节的。这些应变仪靠一完整的桥路联系起来。信号通过遥控设备传输到DAQ板上 （3）（6）。电动机轴的速度是靠一个贴在飞轮齿圈上的感应传感器测量的。传动轴的速度是靠一个光学设备测量的，其上附有600挡的信号产生轮。为了研究在离合器接合期间的动力学现象，用一个定制设计的模拟装置把信号的频率转变成电压信号。

图表⒉热电偶装置
飞轮和离合器盘的温度是靠特殊放置在承座配置中穿过该摩擦表面的热电偶来测量的。三个热电偶被安装在推板侧面的离合器盘表面上的距中心的不同位置上，以便估算沿着半径的温度分布。同理，三个热电偶是沿着飞轮的半径安放的（位置b).最后一个热电偶被放于离合器外壳中以测量其周围的温度。图表２显示出了膜片弹簧式离合器原理图和安装在该离合器表面和飞轮表面的热电偶。图表3显示出了根据位置a固定于离合器盘的热电偶的特殊部分。

图表3。固定于离合器盘的热电偶的详细说明（位置A)
一激光位移传感器测量反射盘的位置，该反射盘被刚性连接到根据图表4执行的推板外钢圈上。位移量是相对于变速箱来测量的。该激光分辩率为4mm，用1KHz的抽样频率获得的。为了克服飞轮平面度的错误而引起的问题，该位移传感器信号通过一个特别设计的与获得添加物同步的光学装置过滤到一个固定的圆盘角坐标上。

图表⒋反射盘的设计和安装
驱动该离合器分离轴承的轴的角位移量是通过一个刚性连接到该轴的电位计来测量的。
在试验期间，该推板位置和因此要求的夹持载荷被用校准气缸体的踏板行程所限制。一测量系统被用于判断在这次测试期间由离合器分离轴承加到该膜片弹簧的力是否是恒定的，且这个测量系统是以通过螺旋进料器连接到一测力传感器为基础的。
图表5描述了该热电偶被放入离合器外壳（1），测力传感器装置，螺旋进料器（2）和测量推板位移量的激光传感器之中。

图表⒌变速箱和安装传感器
为了判定在试验期间要求的夹持载荷是否是不变的，它被设计出来以测量刚性连接该飞轮到离合器盖所施加的力。把飞轮连接到离合器盖上的六个螺旋推进器中的三个是用装有一个轴向应变量规的螺旋推进器来代替的。该应变仪是根据半桥式电路连接的。图表6展示了该基本原理的图片。在该图表中，有一个螺旋推进器（1）和固定于离合器盖的螺旋推进器（2）以补偿依赖于温度的信号。

图表6 离合器盖闭和接通力传感器的装置
这些应变仪被连接到固定在该轮毂上的遥测设备上，它支撑着飞轮，像以前描述的一样通过过去常用的相同的轨迹获得温差热电偶信号（位置b).此位置允许了带有固定的离合器分离轴承位置和显著的离合器盖闭合力转换的转矩变化的估算。
测试方法
这次测试可以分成两个不同的种类，一个是带有锁定的主轴，另一个带有根据可控制的回转阻力能够自由旋转的主轴。就锁定的主轴而言，两种测试需要分别都被考虑过的跟踪特征记述和耐磨性测试。
该特征测试测量带有不同数值侧滑速度的回转力可传特性和推板位置。该侧滑速度通过改变马达位移量在30和40rpm之间变化。推板位置和夹持载荷通过用校准闭塞系统来限制踏板行程而改变。
这个耐磨性测试是用来推知该传输回转力计算结果是如何受耐磨性和动态热现象的影响的。该耐磨性测试是在不变的侧滑速度和推板位置的一组啮合周期下进行的。每个周期由一个短时期的滑动和一个比较长时期的自由转动组成。这个侧滑速度保持恒定，而且该踏板行程被固定以贮存离合器盘滑动表面的热功率消耗。
其他的耐磨性测试可以利用变速箱初始温度获得热现象和离合器盘效能之间相互作用的有关介绍来操作。
耐磨性实验还可以根据一个叫做远距离运行测试的方法来进行，这个方法是用来建立传输回转力，滑动期间的能量消耗与离合器盘表面温度之间的关系的。
在后面的这些测试中，用一个冷却系统来保持稳定的离合器盘表面温度。此外，离合器可能受到不同的啮合瞬时现象来增加或减少稳态情况下达到的温度。这些测试对比较同样温度下不同啮合瞬间的传输回转力是有用的。远距离运行测试还可以允许做关于离合器效能和稳态下温度变化之间关系的试验。我们可以观察到在传输回转力和离合器盘滑动表面温度之间关系的一种滞后损失。
能够自由旋转的主轴的测试也可以进行。这个测试的方法根据主轴的运转工况而主要改变施加到主轴上的回转力。在这个操作条件的测试正在发展之中。
试验结果
作者在[1]中描述了一些从旧版本的测试工作台得到的就特征测试而言的最主要的成果。那些测试过去是相当于车辆行驶5，000km磨损离合器的条件下而进行的。该结果用一个总共行驶50，000km的汽车离合器获得了磨损试验。在下面的部分展示一些通过磨损试验和远距离运行测试得到的试验结果。在这些测试期间热电偶被固定于以前描述的位置（b)处的飞轮边缘。
磨损试验图表７显示了在磨损试验的第一个五次周期期间的离合器温度和传输回转力工作情况。回顾回转力的历史，可以观察到每个周期是由三秒钟的滑动和七秒钟的自由转动组成。在这个测试期间，侧滑速度设置成100rpm。考虑到温度变化情况，大的横断面温度在一个大范围内波动，而小的横断面温度显示出了更渐进的增长。

图表⒎磨损试验期间的离合器温度变化情况
为了弄清楚温度和磨损是怎样影响该传递转矩的，使用集合体数据，绘制在离合器接合期间平均传递转矩对比啮合期间在平均直径处测得的滑动表面的平均温度是很方便的。图表8-9-10显示了用同一个离合器在三个不同的磨损实验中得到的这种数据结果，而且这个离合器被磨损大约3，000km(图表8)，大约10，000km(图表9)，大约（15，000km）.每个操作循环在一个新的循环开始之前是由一个三秒钟的滑动和十七妙钟的断路组成。这些测试被分成三十分钟的系列，因为每列总共有九十次啮合操作系。这些系列之间的中断对于下载和保存获得的数据是很必要的。
根据一些汽车离合器厂商使用的情况，我们假设该离合器每千米有三次的平均工作频率。每个三十分钟的系列因而相当于60千米的全程旅行。该发动机转速保持恒定在100rpm而且离合器闭路用校准气缸体限制在整个冲程量的86%以贮存离合器盘滑动表面消耗的热功率。
考虑到[1]中的结果，看起来是该传递转矩依赖于温度的程度可以随在使用离合器的第一个2，500km期间的磨损而变化。观察图表8-9-10可以看出来当滑动表面的温度达到 70°c时离合器传递一个大约450nm的恒定转矩，并且这种工作情况不受磨损的影响。曲线的第一部分在 50°c附近有一个最小值，在 70°c附近有一个拐点。这种状况似乎是可重复的而且随着使用汽车数量的增多带来的离合器磨损而变得更加明显。

图表⒏在磨损试验期间的平均传递转矩与平均温度之间的对应关系曲线（3,000千米）

图表⒐在磨损试验期间的平均传递转矩与平均温度之间的对应关系曲线 （10,000km）
为了确定离合器传递转矩是怎样受滑动表面初始温度的影响的，进行了变速箱温度分别为70°c，100°C，110°C的三个试验。图表11显示了这些用同一个离合器磨损约25，000km得出的结果。看起来是第一个转矩最小值是受此次试验的初始温度的影响的。随着初始温度的升高，拐点的出现变得更加明显。与升高的初始温度相联系的增大的角度可能与离合器的使用历史有关，因为当作用同样数量的循环时就可以得出稳定的传递转矩。

图表⒑在磨损试验期间的平均传递转矩与平均温度之间的对应关系曲线 (15,000km)

图表⒒在磨损试验期间的平均传递转矩与平均温度之间的对应关系曲线 (25,000km)
距离的运行测试—进行远距离的运行测试是为了研究在离合器滑动表面温度，离合器磨损和离合器效能之间的关系。这个测试是由一系列连续进行的磨损试验组成的。在这个测试期间使用到一个冷却系统以保持离合器盘滑动表面的温度稳定。图表12- 13- 14显示出了在一个磨损大约35，000km的离合器上进行的远距离运行测试的结果。这个测试由系统中三十分钟磨损试验的十二个循环够组成。
图表12显示出了在前四个磨损试验循环数中，离合器滑动表面温度的从60°C升高到120°C并且平均传递转矩从320nm增长到390nm（就像上面显示的磨损试验一样）。图表13和14表明了当离合器滑动表面温度达到稳定状况条件时，传递转矩并没有显著地变化。

图表⒓在远距离测试加热瞬变暂态值的测试中平均传递转矩与平均温度之间的对应关系曲线（35，000km）

图表⒔在远距离测试稳态条件的测试中平均传递转矩与平均温度之间的对应的关系曲线（35，000km）.

图表⒕在远距离测试稳态条件的测试中平均传递转矩与平均温度之间的对应的关系曲线（35，000km）
另一种远距离的运行测试是滞后损失测试。就象前面描述的远距离运行测试一样，滞后损失测试是由连续进行的许多磨损试验组成。为了在升高和降低温度条件下进行磨损试验，在第四个磨损试验之后啮合瞬变现象的工作循环和周期就被改变了。
前四个循环由三秒钟的离合器滑动紧接着是在新的循环之前十七秒钟的离合器断路组成。随后的循环由三秒钟的滑动组成，其后面在下次循环前还有五十七秒钟。
图表15 - 16表明了在两种不同的滞后损失测试中离合器的工作情况。它们分别是在一个磨损大约25,000km的离合器和同样的磨损大约35,000km的离合器上进行的。在前四个磨损试验循环期间，温度从30°c升高到120°c，传递转矩在第一个循环期间从480nm减少到350nm然后增加到400nm。在后来的循环中，温度从120°c下降到70°c ，而传递转矩减少的却不那么显著。

图表⒖在滞后损失测试期间的平均传递转矩与平均温度之间的关系曲线（25,000km）

图表⒗在滞后损失测试期间的平均传递转矩与平均温度之间的关系曲线（35,000km）
在不同的滞后损失测试中得出的结果证实了一种现象的可重复性，而这种现象强烈的依靠该离合器传递转矩和以前确定的该组元使用规律。
结论
该文章指出了工作台开发试验以明确地研究离合器传递转矩是如何依靠热和离合器磨损现象的。在离合器盘啮合期间测量的参数是表面温度，施加力以把离合器盖连接到飞轮和推板位移上。一种方法论发展起来以用这个试验工作台磨损该离合器来获得与一辆汽车实际的离合器同等的磨损。该试点试验研究了传递转矩，热现象和磨损之间的关系。这个试验工作台将来也会用到来研究目前论文中描述的现象，并考虑到在要求施加的转矩载荷的条件下该离合器盘的转动。