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离心式离合器抖动行为和摩擦衬套材料设计研究
摘要
本研究从保形接触的热点开始检查离心式离合器的抖动行为，之后不断改进发生热弹性的不稳定性，最终在振动中形成环状起伏，以及摩擦系数和扭矩。这种行为被证明与测试结果一致。使用田口参数实验方法，制备18种摩擦衬片试样以研究它们在颤振阻力中的性能并建立颤振行为与Ts / Td（Ts：静态扭矩；Td：动态转矩）和dmu;/dVx(mu;:摩擦系数; Vx:摩擦片和离合器鼓的相对滑动速度)之间的关系。这些样本还用于检查关于离心式离合器的效果和获利能力，并且发现各种控制因素的相对重要性。摩擦系数的理论模型，离合器抖动的临界滑动速度，和接触压力比pn = p（pn：压力波动w.r.t. p; p：平均接触压力）和对应于抖动行为的温度。接触压力比和温度的参数被示为有助于解释抖动的发生。作为100个离合器循环的接合时间的函数的摩擦扭矩和传动系，离合器和离合器鼓的旋转速度通过实验获得以评估dmu;/ dVx和Ts / Td。当相对滑动速度达到临界速度Vc时，出现最大值pn = p的急剧上升的现象。最大值pn = p的增加通常导致（初始为负的）dmu;/ dVx值的增加，从而导致抖动的严重性。dmu;/ dVx的波动强度成为在接合过程中dmu;/ dVx本身的增长的控制因素。具有100个循环的离合试验的dmu;/ dVx和Ts / Td的平均值可以根据这两个参数的波动强度粗略地分成三组，其中每一个具有线性关系。
1.导论
当车辆开始滚动时，离合器接合有时产生抖动，这可能损坏传动系部件。抖动常常表现为传动系的噪声扭转振动或车辆的强烈振动的形式。瞬态扭转振荡与颤振有关。摩擦系数和滑动速度之间的特殊关系成为抖动的最重要来源。导致抖动的离合器系统的扭转振动通过在离合器摩擦盘和飞轮的界面处以及在压力板界面接触处的粘滑过程引起。离合器的摩擦盘承受相当大的热负荷。高温会导致热应力失效，如表面裂纹和永久变形[1,2]。扭曲通常发生在多片离合器中，并且是锥形变形或盘波纹的形式。并且已经研究了多片湿式离合器的摩擦盘中的温度和应力[3]。通常，摩擦表面上的正常压力的初始分布可以是不均匀的，但是由于热变形也可能是不均匀的。这种热弹性转变存在于许多滑动接触系统中[4]。这种压力变化过程是不稳定的，被称为热弹性不稳定性[5]。在Kennedy和Ling[6]提出的模型中，考虑了热变形和磨损对正常接触压力的影响。相比之下，Zagrodzki [7]提出了一个瞬态热机械现象发生在多片湿式离合器考虑热弹性不稳定效应的模型。Bostwick和Szadkowski [8]研究了由于摩擦表面上的滑动速度的减小而导致的离合器面上的摩擦系数的增加所产生的自激振动。自激振动的振幅仅取决于系统参数。在Crowther和Zhang [9]中，使用离合器接合的六自由度动态模型来研究低频瞬态对动力系中离合器接合粘滑行为的影响。将市售的烧结摩擦垫与标准灰铸铁压力板连接，并在离合器测力计中测试以确定用于预测使用寿命的接合特性[10]。磨损烧结摩擦垫的微观特征表明二氧化硅颗粒为垫提供了耐磨性。具有标准钢反应板的商业纸基摩擦片用湿式离合器系统的四种刚度和惯性组合进行测试[11]。低惯量系统显示出更快的退化和更短的离合器寿命用于高扭转振荡。该系统对于在较不僵硬的系统中较低的固有频率也更敏感。基于线性系统分析开发了一种用于确定纯粘附到粘滑运动的分析程序[12]。清楚地观察到粘滑性能是发动机扭矩不规则性和非线性摩擦特性的结果。这种盘的惯性的确影响系统动力学。对湿式离心离合器[13]的模拟车辆抖动的研究使用离合器单元测试仪，并且结果被用作抖动的评价指标。基于此，阐明了摩擦材料的组分对抖动的影响。在Gregori [14]中，开发了一种台架试验来测量在离合器盘上使用的摩擦材料的抖动灵敏度。开发了一种用于表征抖动的离合器面向灵敏度的方法。粘滑，在几乎所有的具有摩擦接触的致动器和机构中存在一定程度，常常导致自激振动。在接合过程中，通过传动系传递的一些能量通过正阻尼效应转换成其他形式的能量。如果由于某种原因阻尼变为负的，则由离合器传递的能量中的一些能够引起传动系的自激扭转振动，这可能引起抖动。[15]显示摩擦系数（mu;）和滑移速度（Vx）的梯度为负值，如果dmu;/ dVx ZC / Fn（C：阻尼系数; Fn：法向载荷），阻尼为正， 是稳定的。如果dmu;/ dVx o C / Fn，传动系统的阻尼系数变为负值，振动系统变得不稳定。Karnopp [16]根据摩擦力Ft的变化与相对界面接触速度Vx分析了粘滑移区域中的各种摩擦模型。[17]研究了离合器系统的扭转振动模式。已经证明，抖动与摩擦衬片材料的类型有关。使用瞬态有限元分析方法来分析制动系统的完全耦合热弹不稳定性问题[18]。如此验证了分析技术和仿真模型的可靠性。
离合器颤动的原因很少被研究，因此本工作旨在建立一个理论模型来解释这种行为，并使用随时间变化的振动和它们的频谱分析来验证其有效性。抖动的严重程度由以Ts / Td表示的转矩的上升速率（Ts：静态转矩; Td：动态转矩）和通常由dmu;/ dVx表示的转矩波动的强度（mu;：摩擦系数; Vx：滑动速度 的摩擦衬里）。因此，可以确定满足抖动的小强度需求的这两个控制参数的映射，因此可以评估在摩擦衬里中使用的制造条件和材料对抖动预防的影响。还与摩擦转矩的上升率和转矩波动的强度相关联地建立了试样的Ts / Td和dmu;/ dVx之间的关系。
2.理论模型的发展
本研究分析了在离心式离合器的摩擦衬片和离合器鼓的接触表面处产生的摩擦系数（mu;）离心式离合器通常包括作为输入构件的星形轮，作为离心构件的三组滑靴和摩擦衬片，以及作为输出构件的圆形离合器鼓。部分弧形鞋的一端通过枢轴（铰链销的中心点，在图1中由A1表示）固定为输入构件; 该鞋的一点通过弹簧1连接到相邻鞋的枢转侧。当输入构件（驱动器）的旋转速度足够高时，摩擦块由于离心力而被迫向外移动，并且摩擦衬片旋转以与离合器鼓接合，直到摩擦衬片被紧紧地压靠 离合器鼓内表面无相对滑动速度。图1（a）表示在开始与离合器鼓接合之前的一个摩擦衬片的机械图; 下标i表示此刻的初始状态。图1（b）表示完成完全啮合后的图。
一个摩擦片（a）的机械图; 和（b）在与离合器鼓接合之后
弹簧在靴1中.B被定义为在施加离心力之前的摩擦衬片的终止点，并且B0被定义为衬层的受到离心力的新的终止点。 将x定义为B点的切线与离合器鼓内表面之间的距离。 由于施加离心力，摩擦瓦的旋转角度（phi;）为[19]。顺时针旋转的单个摩擦瓦受到多种力，包括离心力Fclu，弹簧力Fspr1和Fspr2，在鞋和驱动板之间的橡胶垫圈中以及在枢轴和驱动板之间的垫圈中产生的摩擦力， 以及在摩擦衬片和离合器鼓的接触区域处产生的法向力和切向力（摩擦力）。 除了力平衡之外，还需要枢轴的力矩平衡，以便实现离合器系统的动态平衡状态。从摩擦块的质心到离合器中心的距离为rcm，摩擦块的质量为m，离合器中的驱动器的转速为omega;1。
可以预期，固定离合器鼓表面形成“热点”，其中温度显着超过其预期平均值，并且这种现象由Barber研究[5]。小的偏离完全符合将压力并且因此摩擦加热集中到摩擦衬片和离合器鼓的界面的特定区域中。这些区域扩展到其周围表面的水平之上，并减少真实接触的面积[4]。该过程因此集中接触并进一步提高局部温度，因此导致热弹性不稳定性。如果在膨胀点继续滑动，则接触压力集中。这些斑点被磨损，直到在其他地方发生新的接触。这些新的接触点然后进行加热，膨胀和携带负载，而旧的接触点减轻负载，然后依次冷却，收缩和分离。这种循环过程已经在两个相符表面的滑动接触中发现。由于热点的尺度与表面粗糙度的尺度相比较大，所以与凹凸相互作用的时间相比，循环的时间周期长。两个半无限滑动固态标称平面被压到与平均压力p接触。为了避免移动表面的微接触的瞬态性质，移动表面被认为是完全平坦的，但仍然考虑导电行为。静止固体具有与由摩擦释放的表面热相关的失真cn，并且其表面具有小的振幅和波长lambda;的初始波动。使波纹变平所需的等温压力是[20]。接触点中的热弹性不稳定性的机制引入表面的热变形。
接触点中的热弹性不稳定性引入表面的热变形，如公式（19），呈正弦波形的形式。由不稳定性引起的热点处的接触压力也是具有以循环形式的可变幅度的正弦波形。根据公式 （9）中，接触过程中的摩擦转矩的值取决于接触面积上的摩擦系数和接触压力积分。当滑动速度达到方程式中的Vc时，接触压力波动的强度和其积分预期立即增强。 因此，接触过程中的摩擦转矩也是循环波动的形式，其振幅随时间增加。
在本研究中对与离合器鼓滑动接触的矩形摩擦衬片进行温升分析。摩擦衬片相对于离合器鼓以滑动速度Vx在x方向上移动。 由于在摩擦衬片和离合器鼓之间的接触区域处产生的摩擦热的产生而导致的工件中的温度升高T（1 /4theta;范围，theta;：试样温度;theta;范围：环境温度）分布满足不稳定能量方程：在初始时刻，产生摩擦热（单位：J）作为点热源theta;pt。 如果滑动接触区的接触宽度为B并且接触长度为l，则接触面积为B1。Q0（单位：焦耳/秒）被定义为内部能量的改变，这是关系到摩擦热的传递速度。在实际应用中，只有一些摩擦热传递到摩擦衬片。令X x Vxt。y轴是在平行于摩擦片的宽度方向和z轴的方向垂直于接触表面（朝向摩擦衬的内部）。如果对应于该部分的能量分区为Rw，则用于具有速度Vx的移动表面热源的滑动接触表面上的三维温度升高分布表示为[22]。
3.标本制备和实验细节
研究减少变化的经济学（即成本节约）是本研究的另一个主要目的。田口技术使用不同于通常使用的产品特性的成本模型，其更加强调减少变化，特别是当总变化在产品的规格限制内时。上述特性适合于本研究，因此该技术被用于摩擦衬片试样的制备中。在本工作中，铜纤维和甲基纤维素的含量（wt％），成型压力和温度以及成型时间被用作评价抖动行为的五个控制因素;并且为每个因子排列规范限制内的三个级别（因子值）。这五个控制因素被选择为对摩擦衬片和离合器鼓的接合中产生的抖动是重要的，部分地基于摩擦片制造商的经验。应该强调的是，该技术被应用于用于当前18个样本的正交阵列（L18（35））的设计，并且排除了来自研究的优化的方差分析（ANOVA）。这些18个试样的正交阵列如表1所示。摩擦衬里的复合材料由无石棉有机纤维，芳族聚酰胺纤维，酚醛树脂，丁腈橡胶，腰果摩擦粉尘，重晶石，人造石墨粉，焦炭和铜粉。将摩擦衬片试样制成尺寸为37mm（长度）22mm（宽度）4mm（厚度）的矩形板的形状。然后将三块摩擦衬片热压并沿着离合器重块的侧表面紧密粘附。离合器的几何形状和一些操作条件在表2中示出。本研究使用由驱动板组件，驱动带，离合器组件和驱动组件组成的无级变速器（CVT）系统。
在CVT测力计（AVL，日本）上进行样品的Judder测试和分析。图1所示的测试系统。图2（a）由驱动电机，负载电机，驱动转速表，负载转矩计，负载转速表和红外测温仪组成。使用数据采集系统（Prowave Orion，Taiwan）收集驱动板，离合器和离合器鼓的垂直和水平振动的信号，摩擦扭矩和旋转速度，用于数字信号处理。数据采集系统包括一个具有八个通道的记录器，两个NI-9234采集卡（NI，美国）和PCB-352-C68和PCB-352-C22加速度计（美国），如图1所示。如图2（b）所示，用于分别检测垂直和水平方向的振动。同步采样率在102 dB时为51.2 kS / s。使用三维共聚焦显微镜（NanoFocusmu;Surf，Germany）测量分辨率为720nm的部分弧摩擦衬片的曲率半径。为了获得摩擦衬片试样的杨氏模量，以图1所示的形式制备样品。3用于使用微/纳米拉伸试验机（DDS32 Kammrath＆Weiss GmbH，德国）的试验。18个试样的杨氏模量的实验结果示于表3中。在拉伸试验之前，使用表面粗糙度测量仪器（Surfcorder ET-4000Sosaka，Japan）测量试样形貌。平均表面粗糙度和lambda;值在公式（22）表示在表4中。lambda;值是取样长度ls中五个最大峰和五个最大谷的总和的平均值。表5显示了SPCC离合器鼓和摩擦衬套的材料和热性能。对这些性质的热影响不包括在本研究中的参数的评价中。
从空转速度到驱动速度高达500rpm的测试过程被定义为一个周期。在具有摩擦衬片和离合器鼓的接合之前获得具有其最大值的滑动速度Vx。 当滑动速度达到零值时，接合完成。 在开始测试之前，在计算机软件中设置10个循环作为一个单元，并且对于每个抖动测试给出10个循环，其中100个循环。所有信号的采样率，包括振动，固定为5120 Hz。 为了避免在测试周期中产生过大量的数据，收集第一周期的信号，然后收集任何两个相邻样本之后的每四个周期的信号。因此，每次测试都可提供总共26组扭矩和旋转速度的信号。
4.结果与讨论
在本研究中，驱动器，离合器和离合器鼓的转速以及摩擦转矩的信号作为18个试样的接合时间的函数被获得。图。图4示出了大约11秒的时间段的四个参数的示意图。在空闲状态下，驱动器以约1650rpm旋转。其转速开始迅速上升，以产生离心力并推动鞋向外移动。啮合的开始是在离合器鼓的非零转速的初始时刻;而当离合器鼓的转速等于离合器的转速时达到完全接合。在接合开始之后的非常短的时间内，离合器扭矩急剧上升到大约4N-m。在接合过程中，首先发现离合器扭矩具有小振幅的波动，并且在平均大小逐渐减小的同时，波动振幅在接合过程的后半段显着增加。当完全接合完成时，离合器扭矩显着下降到约2.2N·m。在该过程的第二半中的波动被发现是循环波动，而不是具有随机形式。这种行为归因于判断，这将在后面的部分中验证。在本研究中，“接触之前”是指在最大（相对）滑动速度之前的一秒时间段，而“接触后”是指最大滑动速度之后的一秒时间段。图。图5显示了接触后第一个周期中code-1样品的四个参数的实验结果。离合器鼓的转速在1秒内略微增加至约260rpm。摩擦转矩的曲线由于在循环中出现的抖动而振荡。低频零级保持扭矩线归因于前述信号采样方法和横坐标中时间尺度的大放大率的组合效应。
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