变速器用摩擦材料的技术动向

【日】 永井聰 小泉貴幸

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变速器用摩擦材料的技术动向

【日】 永井聰 小泉貴幸

对于品种呈现多样化趋势的汽车用变速器，迫切要求开展改善燃油经济性、舒适性及操控性方面的研究。论述了自动变速器的技术动向，回顾了湿式多片离合器及摩擦材料的发展历史，介绍了其技术开发动向及产品中采用的新技术和新工艺。

变速器 湿式多片离合器 摩擦材料 技术发展

0 前言

汽车的自动变速器(AT)是非常贴近生活的技术，AT(包括无级变速器(CVT))的普及率，在日本国内超过90%。

与手动变速器(MT)相比，AT传动效率、燃油消耗率表现稍差。有报道称，在最新的车辆上，AT的上述指标与MT大致相同或稍有差异，有些指标超过了MT(图1)。

1 湿式多片离合器

图2为湿式多片离合器(以下称离合器)的实例。离合器由粘贴摩擦片的钢制芯板及钢制的隔板构成。通过液压使活塞动作，以实现离合器的接合和断开。

图2 湿式多片离合器实例

离全器接合时，使输入轴与输出轴相对旋转的同步滑动，主要功能为无损地传递扭矩。离合器接合时吸收能量产生摩擦热，所以利用离合器内周侧的变速器润滑油进行冷却。

2 AT的技术动向与离合器

近年来，AT开发的主要亮点是变速级数增加(即呈多级化趋势)。早期的AT多为2档[2]、3档[3]、4档[4]，而近期变为6档[5]、7档[6]、8档[7]，而且还在开发9档[8]和10档的AT。随多级化获得的技术优势是：产品系列型谱化及调节有效范围的扩大使燃油消耗率降低，并提高了驾驶(操控)性能和舒适性。

AT的多级化通常意味着离合器数增加。随着近年来齿轮系统的技术开发，在不增加离合器数量情况下，亦可达成AT的多级化(图3(a))。与此同时，每个离合器的工作环境和使用条件越来越苛刻，离合器断开时的最大相对转速上升(图3(b))的接合次数增加。

预期离合器断开时不传递扭矩，但摩擦片与隔板之间流过的润滑油的微小的剪切阻力仍会产生拖曳(打滑)扭矩。多级化的AT离合器断开时最高形成转速1 400 r/min以上转速的相对旋转，即便拖曳扭矩很小也可能产生发热和损伤等故障。

此外，高速旋转中也可能发生由摩擦片的固有振动造成的不稳定振动[9]现象。

针对这些技术课题，正在开展离合器的优化设计研究。

图4 离合器油槽的开发推移与断开时的拖曳扭矩

在摩擦材料上开了用于润滑的油槽，而由于形状的最佳化，降低了离合器断开时的拖曳扭矩。图4表示油槽技术开发的历史。相比于传统离合器的设计，近年来的新技术使大幅度降低拖曳扭矩成为可能。

图5 离合器断开时拖曳扭矩的比较

关于离合器断开时高速空转中的不稳定振动，也因为摩擦片整体的优化设计而得到抑制。至于传统型的设计，为了改善接合特性，降低断开时的扭矩，部分产品在摩擦片的芯板上加工出波纹形状，但在高速空转中，这种板件产生固有振动，有时会成为不稳定振动。作为对策，将芯板做成平板状，清除了不稳定振动，同时通过油槽优化设计力求降低断开时的拖曳扭矩(图5)。

摩擦材料的改进对于AT多级化十分重要。对于多级化的AT，由于离合器断开时的高速相对旋转，离合器接合前的相对转速也较高。同时，离合器的紧凑化使得摩擦材料吸收能量增加，离合器的热负荷呈现增高趋势。因而，对摩擦材料要求具有耐受多级化造成接合次数增加的高寿命。

满足这类技术要求的摩擦材料的开发正在持续地展开，耐热纤维的配合比例不断增加，并开展了纤维的取合结构、整体配套的优化设计等。图6示出摩擦材料的耐热性和寿命的发展。

图6 摩擦材料的接合能量-寿命线图

此外，高转速、高吸收能量条件下的离合器接合中，除可能发生摩擦材料的烧损之外，由于隔板表面局部发热会导致产生过热斑点，加剧摩擦材料的磨损(图7)。要抑制过热斑点，可通过提高摩擦材料表面面向摩擦副配对材料(即隔板)表面的跟随性来实现。高气孔率提高了表面平滑性，这种耐高热摩擦材料(图8)正在开发中。

图7 过热斑点的发生过程

3 CVT的技术动向与离合器

使用CVT时，离合器基本上只在前进、后退的转换中使用，行驶中的变速在钢制的皮带与皮带轮中进行，而不通过离合器。CVT为连续变速，发动机旋转的变动少，有利于提升发动机效率，但受限于皮带-皮带轮结构，致使有效调节范围在技术上有限度。2009年公布的带副变速的CVT[10]中，将离合器用于变速，扩大了有效调节范围，改善燃油消耗率。

若CVT有变速感，则损害了本来的商品性(无级变速)，因此要求副变速器的离合器的变速冲击特性尽量少且控制性能良好。以日本生产商为中心，开展了CVT技术开发和普及，预计今后的应用范围会增加。

图8 高负荷耐久试验后的外观照片

4 自锁离合器的技术动向

普通的AT和CVT装备液力变矩器是车辆起步关键部件(图9)。液力变矩器是通过变速器用机油将输入侧(发动机)的旋转运动向输出侧(变速器)传递，由于旋转差异不可避免的产生传递损失，但使用摩擦材料的自动锁紧离合器(图10)直接连接发动机与变速器，可降低传动损失，以改善燃油经济性。

图9 液力变矩器的实例

图10 自动锁紧离合器实例

早期的自动锁紧机构只在4档等高速档位动作；而近年来，对效率及节省燃油的要求更高，从低速档位就使自动锁紧机构动作，由此大幅度改善传动效率。另一方面，自动锁紧动作时可能产生冲击，在低速工况下由于发动机振动传递，导致舒适性降低，但通过在低速区域采用使自动锁紧离合器微小滑动的控制方式吸收冲击和振动，可兼顾舒适性并改善燃油耗。另外，自动锁紧离合器的多片化使滑动控制性能提高，也推进了离合器结构的紧凑化。

伴随自动锁紧机构的发展，对自动锁紧离合器用摩擦材料的耐久性提出了更高的要求。应特别重视材料强度，以应对由于自动锁紧动作区域扩大引起接合频度大幅度增加，并重视应对滑动控制的耐热性和摩擦稳定性。自动锁紧离合器专用摩擦材料的改进和开发工作在持续推进中(图11)。

5 双离合变速器(DCT)的技术动向与离合器

图12 AT与DCT的离合器使用条件比较实例

DCT于2003年发布，是用于乘用车变速器的新型实用技术。它与传统MT类似，由齿轮机构和同步机构及2个湿式离合器组成。AT和CVT利用液力变矩器组成，并在车辆起步时进行动力传递。而DCT没有液力变矩器，车辆起步时也使用离合器，即离合器除了变速时的动力传动及断开之外，也进行起步时的动力传递。

与变速时相比，车辆从停止状态到起步、加速进行顺畅的动力传动需要大的能量，所以离合器接收的能量增加(图12)。

为适应这种能量的增加，应重新评价润滑油流量，传统的AT上流量约为0.5～2.0 L/min，而DCT在起步时的流量约为25～35 L/min。综上，DCT的离合器使用环境与AT、CVT的大不相同，为应对这种差异，需要采用不同离合器的设计和技术。

图13示出代表性的离合器的形状。为了满足高效冷却而加大机油流量的需求，可在DCT的离合器上增加油槽。

图13 AT离合器与DCT离合器的比较

摩擦材料的改进及技术开发也在进行之中。如前文所述，因为DCT未设液力变矩器，发动机的振动通过机械式的减振器及离合器来吸收。在离合器没有完全接合状态下，通常用于转速100 r/min的低速滑动，以该方式控制发动机对振动的吸收。另外，起步时离合器滑动时间长达30 s左右，滑动时会发生令人不舒适的异常抖动。

综上，对于摩擦材料，不仅要求提高耐热性，而且为防止抖动现象还要求大幅度提高摩擦特性。为此，正在开展以下技术开发工作：重新评估摩擦调整剂、进行材料配比的优化设计，并采用表面平滑化加工方法等。

图14为摩擦材料表面性质的比较。相比传统型材料，面向DCT开发的材料要求平滑性大幅度提高。

图14 摩擦材料的表面性质比较

6 结语

回顾了汽车用离合器及湿式摩擦材料的历史。AT的普及推进了离合器技术开发，但随CVT普及和可能不需要离合器的混合动力车辆、电动汽车的发展和产品化，离合器的前景受到质疑。

近年来，随着配装发动机车辆的技术创新，其燃油消耗率可与混合动力车辆抗衡。AT和CVT的多级化和高效率化，DCT的产品开发等有利于汽车的发展，因而对离合器及摩擦材料的技术要求还在提升。

今后，摩擦学技术工作者应致力于湿式多片离合器及摩擦材料的技术研发和产品开发，以降低汽车的燃油耗。

[1] 国土交通省.自動車燃費一覽(H17.3)，(H21.3)(H27.3)他.

[2] 三本木.濕式摩擦材の技術動向[J].トライボロジト，2008，53(9)：593.

[3] 小川.世界の車かす紙の技術[J].自動車技術會中部支部報，2008，62：13.

[4] Dabich S. Ford motor company automatic overdrive transmission[C].SAE Paper 800004.

[5] Scherer H. ZF 6-speed automatic transmission for passenger cars[C]. SAE Paper 2003-01-0596.

[6] Takatori K. Development of all new 7-speed automatic transmission for RWD vehicles[C]. SAE Paper 2009-01-0512.

[7] Scherer H. ZF new 8-speed automatic transmission 8HP70-basic design and hybridization[C]. SAE Paper 2009-01-0510.

[8] Gaertner L, Ebenhoch M. The ZF automatic transmission 9HP48: transmission system, design and mechanical parts[C]. SAE Paper 2013-01-1276.

[10] Nonomura R. Fuel economy improvement technology and control system in new-generation small CVT[C]. CTI, 2010: 559.

彭惠民 译自 自動車技術， 2015， 69(10)

许 蕾 编辑

2016-06-13)