能量密度对湿式换档离合器摩擦热弹性不稳定性影响的机理研究与分析模型

湿式换档离合器是车辆传动系统的关键部件之一。离合器摩滑过程中，非均匀的摩擦热变形与差异性的弹性接触状态间往复的交互耦合过程导致摩擦片与对偶钢片间的摩擦只集中在部分接触区域，导致离合器常处于热弹性不稳定性状态。离合器接合一次过程中、摩擦片单位面积吸收的摩滑功为离合器的能量密度。高功率密度传动系统迫切需求高能量密度离合器，但高能量密度易导致离合器摩擦热弹性不稳定性状态加剧，将引起离合器摩擦副局部区域温度过高，导致离合器早期失效。本研究拟通过分析湿式摩擦离合器的能量密度与其摩擦热弹性不稳定性状态的相互作用机理，预期获得摩滑速度、摩滑力矩、摩滑时间以及冷却流量等工作参数对摩擦热弹性不稳定性状态影响的定量关系；结合试验研究，建立用于分析离合器摩擦热弹性摩擦状态的综合仿真模型，揭示湿式换档摩擦离合器摩滑过程中摩擦副的综合应力变化规律与温度场分布规律，以指导湿式摩擦离合器的参数设计。

湿式多片式换挡离合器是车辆传动系统的关键部件，湿式多片式换挡离合器属于典型的环薄板结构，摩擦副在摩滑过程中非均匀温度场导致的热变形作用过程与机械转矩作用过程相互耦合，多物理过程耦合循环导致界面摩擦状态不稳定。课题完成了项目计划书中的全部内容，课题在离合器热翘曲变形建模分析与试验系统设计、摩擦副动态滑摩过程界面真实接触面积的估算模型、冷却与间歇接触对离合器界面温度场影响评估等方面取得多项成果。课题申请发明专利4项，其中获授权3项；发表学术论文12篇（另有5篇已录用），其中SCI刊源3篇（另有2篇已录用），EI刊源10篇，培养毕业研究生5名。课题研究成果在最新研制的高速履带式装备上得到了应用，实现了传动系统的高工作可靠性和高集成性，课题部分研究成果获2015年度国家科技进步二等奖。. 课题运用热弹性理论建立了离合器摩擦热流密度与冷却对温度场分布规律影响的分析模型，运用薄板弯曲理论，建立了摩擦副动态滑摩过程界面真实接触面积的估算模型。通过动态测温和静态比压试验验证了理论模型对接触比压分布研究的适用性。引入了摩擦副元件动态滑摩热弹形变系数Kα、静态不均匀接触系数Kδ和离合器接触比压扰动系数K（或成为摩擦不稳定系数）。K值为接触比压最大值与名义平均接触比压之比，K值越大，配对摩擦副接触界面比压扰动越大，表明配对摩擦副接触特性越差，真实接触面积越小，离合器越可能出现局部高压与高温区。理论分析与试验结果表明：所研究的铜基粉末冶金摩擦材料与65Mn对偶钢片组成的配对摩擦副：在低、中摩擦热流密度时，真实接触面积为名义接触面积的40~60%；高摩擦热流密度时，真实接触面积约为名义接触面积20~40%；当达到或超过临界摩擦热流密度时，配对摩擦副真实接触面积仅为名义接触面积的10~15%。. 试验与仿真研究中，摩擦副元件保证不失效时的单位面积滑摩功（能量密度）在滑摩终了时刻为3.5 J/mm2~8.4 J/mm2，最大达到12.9 J/mm2，远大于目前采用的高热流密度使用工况下（0.7~1.2 J/mm2）的单位面积滑摩功。表明所研究的离合器摩擦副采用传统设计时的许用滑摩功参数仍可进一步增大，所研究的离合器配对摩擦副（铜基粉末冶金摩擦片与65Mn对偶钢片配对）的耐热极限即许用滑摩功可提高到3.5 J/mm2~8.4 J/mm2之间，这对现役使用的离合器轻量化设计具有指导意义。