汽车工程手册：德国版-起步部件和离合器设计

1.离合器

可操纵干式摩擦离合器、在机油中工作的多盘片式离合器和电磁粉离合器适用于舒适的起步过程和中断转矩流。为换档，手动换档变速器在尽可能小的惯性质量转矩时需要快速和完全中断转矩流。这只有干式摩擦离合器才能胜任。无级变速器（CVT）和现代双离合器变速器可选用另一些离合器型式^[8]。

干式摩擦离合器（图5.4-5）由固定在飞轮上的膜片弹簧压板、在变速器输入轴上可轴向移动的离合器盘和分离杆组成。分离杆通过球轴承将非旋转的操纵部件的分离行程传到压板上^[9]。双盘离合器用在重型载货汽车和建筑工地车辆上。最近也用在大功率乘用车上。在发动机和变速器之间需要一个扭转减振器，它可能放在离合器盘内或发动机飞轮内（双质量飞轮）。

图5.4-5 乘用车离合器（包括膜片弹簧压板、带扭转减振器和分离杆的离合器盘）

1—回位弹簧 2—压紧弹簧 3—壳体 4—膜片弹簧 5—摩擦片衬面 6—摩擦片衬面弹簧 7—汽车行驶用弹簧 8—发动机怠速用弹簧 9—轮毂 10—摩擦装置（摩擦环、蝶形弹簧、调整片） 11—分离杆 12—分离杆臂

图5.4-6 可传递的发动机最大转矩与离合器直径的关系

（1）传递转矩 离合器必须传递包括动态超车的发动机最大转矩。可传递的转矩是离合器压紧力、摩擦片摩擦系数、平均摩擦半径和摩擦面数的乘积^[2]。利用压紧力的变化，离合器成为转速变换器，而传递转矩是不变的。在滑转时转矩传递使离合器发热，并导致不可避免的摩擦片衬面磨损。对ABE，在12%坡度上，在5min内带允许的总汽车重量（包括挂车）5次起步需要最大的载荷。这时会导致摩擦系数下降（衰减）和由于离合器压紧盘和飞轮摩擦侧与背面间的温差引起它们的锥状变形，从而减少有效的摩擦面积和有效的传递半径。摩擦片衬面弹簧则可部分地补偿这种变形。此外衬面弹簧可减小低频强迫激励振动（可感觉到的振动，乘用车上约为10Hz）和轻松起步。与制动器不同，对离合器来说，热容量要比散热更重要。图5.4-6是离合器直径设计的实际范围。

在标准结构的离合器上，压紧力除以膜片弹簧的传动比（i=3～4）就可得到分离力。利用附加的、克服膜片弹簧的工作弹簧可以减小分离力。其前提是一个与摩擦片衬面磨损无关的膜片弹簧位置，这个位置可有效地自动调整以补偿磨损。

离合器盘必须补偿曲轴和变速器输入轴间的角度和中心偏移，并补偿由于曲轴弯曲引起的飞轮摇晃，否则导致离合器轮毂与变速器输入轴啮合磨损。

摩擦衬面最重要的性能是摩擦系数、破裂转速、衬面和摩擦背面磨损、在热负荷时的翘曲、质量惯性转矩、定量确定转矩和振动与噪声。滑动摩擦系数（在滑转时）和附着摩擦系数（在全接合）几乎是一致的，在正常的应力时为0.3～0.4，在摩擦片衰减时降到0.2。摩擦衬面为埋入树脂粘结剂中的线团（主要是玻璃纤维束和带黄铜或铜线的芳香族聚氨酯束）、橡胶和填料[11]。金属烧结衬面由于它的振动危险不太适合使用，但在美国用在不少商用车上。

（2）分离 离合器分离后，它的倒拖转矩只有0.2～0.5N·m。离合器盘惯性转动到静止的时间取决于它的惯性转矩和变速器的倒拖转矩。

图5.4-7 将传动链作为4个振动质量系统

（3）扭转减振器 由于重量和舒适原因，传动链较柔和地转动。在第一档，在发动机最大转矩时会出现高达90°的转角。发动机点火/着火引起的转矩不均匀性和由于快速操纵加速踏板和离合器引起的负荷变化激励传动链的扭振（图5.4-7）。这样会引起变速器发生嘎吱声和车身的低沉噪声。在离合器滑转时发动机与传动链中其他部件的振动解耦。

利用在离合器盘中的扭转减振器，由点火/着火频率激励的谐振频率和产生最高的嗄吱声与低沉噪声，视车型不同，在挂档时约为40～70Hz。这一谐振频率范围相当于4缸发动机在1200～2100r/min工作范围。图5.4-8是有拉伸和滑移载荷的扭转减振器典型特性线和吸收最大转矩冲击的情况。行驶扭转减振器的调整应在尽可能低的弹簧刚度下精确确定摩擦滞后。摩擦滞后可在谐振阻尼和超过临界频率的解耦恶化之间得到最好的折中。在没有挂档的发动机怠速，同样会出现变速器的嘎吱声。弹簧刚度约为行驶扭转减振器刚度的1%。±2°～±4°的扭振角与静态转角叠加，静态转角可由与变速器温度有关的倒拖转矩得到。

图5.4-8 扭转减振器特性线

充润滑脂的扭转减振器安装在双质量飞轮（图5.4-9）的初级件和次级件之间。飞轮初级件与曲轴用螺钉拧在一起（与至今的固定方法一样），并在外缘套上起动齿圈和刻上点火标记。飞轮次级件上固定压板，并支撑在飞轮初级件上。飞轮次级件组成离合器盘的两个相对摩擦面中的一个摩擦面。这样，点火/着火频率激励的传动链谐振频率降低到8～12Hz，传动链在发动机怠速时就已超过临界频率工作。由于飞轮次级件质量大，解耦品质优异。在起动和停止发动机时将短时间通过谐振频率。最大应力出现在错误行驶：长时间在谐振频率范围低速行驶，或在低速时特别快地接合离合器。

（4）离合器操纵 分离杆大多为长期润滑和自行对中。离合器主要是液力操纵，在自动换档变速器上为机电操纵（图5.4-10）。液力操纵由带自动放气的传感器缸、自动磨损补偿、储液罐、压力管和带预紧弹簧的蓄能缸组成。蓄能杆和分离杆一部分并成同心的蓄能缸（CSC）的一个部件。

图5.4-9 双质量飞轮（行星轮设计，润滑脂润滑）

图5.4-10 液压操纵离合器

离合器踏板特性（图5.4-11）可由压板分离力特性线推导出。这时要考虑离合器踏板传动比、操纵杆和液力操纵的情况，必要时还要考虑辅助弹簧（超过上止点弹簧）、摩擦损失和由于弹性变形产生的行程损失。后面几项是离合器定量范围的先决条件。

在自动操纵离合器时，电液或机电执行器担当驾驶人脚的工作。执行器为电子控制，并从传感器或CAN总线得到有关驾驶人的意图和汽车行驶状态信息，并从加速踏板转动角度和加速度辨认驾驶人的期盼。为快速换档，需要暂时分离离合器、换档和重新接合离合器。

自动操纵离合器在未来将成为自动变速器系统的组件^[39]。

图5.4-11 离合器踏板特性线

2.液力变矩器

（1）导言　液力变矩器^[1]是液力变速器。它可以在很宽的转速和转矩范围变换。与离合器不同，液力变矩器可提高转矩，当然它只能与锁止离合器一起使用，也有智能决策能力，因为液力变矩器的特性线设定在它的工作范围，同时还设定液力变矩器的工作性能随循环部分的调整而变化。在乘用车传动链中，当前为可达到8个前进档的有级自动变速器和无级变速器（CVT）使用液力变矩器作为起步部件。CVT变速器的使用将不断扩大。

（2）结构　用于乘用车的液力变矩器是按特洛克（Trilok）原理设计的。泵轮和涡轮是对置的。在它们之间是流体轴向流动的导轮。泵轮直接与内燃机曲轴相连，而涡轮与变速器输入轴连接。支撑轴将导轮与变速器体连接在一起。在导轮与支撑轴之间安装一个单向离合器（超越离合器），它只允许传递一个方向的转矩。在目前用于乘用车上的变速器，在其中组合有锁止离合器和扭转减振器（图5.4-12）。变速器的压力润滑油与液力变矩器连通，并充满液力变矩器。为散走液力变矩器功率损失产生的热量，利用重叠的润滑油质量流量持续进行交换。

（3）工作原理

1）液力传动。汽车从静止状态加速，在涡轮不动时泵轮转动。由于流体在液力变矩器中的离心力不同而产生流体的循环质量流动，从而传递转矩并最后驱动汽车行驶。

在液力变矩器内发生的流动过程见图5.4-13。它是以叶栅的展开形式表示的。工作轮（泵轮、涡轮、导轮）的流体进、出口用数字①、②、③、…、⑥表示，且与图5.4-12对应。(www.xing528.com)

图5.4-12 具有锁止离合器和扭转减振器的变矩器

图5.4-13 原理性的流动过程

将泵轮与涡轮间的转速差定义为液力变矩器变速比

在直接与发动机曲轴相连的泵轮中，充满其中的润滑油（以下称为变矩器油）产生离心力，从泵轮进口①到出口②加速流动。发动机转矩M_M等于泵轮转矩M_p。从泵轮离开的变矩器油到达涡轮进口③，并视叶片造型将冲击能量作用在叶片上产生与变速器输入轴转矩相等的涡轮转矩M_T。变矩器油从涡轮出口④流出后，继续在导轮叶栅的进口⑤到出口⑥转向流动，并产生一个导轮转矩M_L。在这种流动工况下，导轮通过单向离合器支撑在变速器体上。液力变矩器的转矩平衡方程式为：

在所表示的流动工况，涡轮转矩为M_T=M_P+M_L，从而增强了涡轮转矩或转矩变换。涡轮转矩与从发动机上取得的泵轮转矩M_p之比称为变矩比，即

液力变矩器以这种流动工况工作时变矩比为1.8～3.0。

图5.4-14 汽车起步过程时的流动过程

如果涡轮转速接近泵轮转速（图5.4-14），即汽车的起步过程接近结束（v=0.9），则导轮中的变矩器油以另一角度流动。没有单向离合器则导轮转矩会反向，按转矩平衡方程M_T=M_p-M_L，涡轮转矩不但没有增强，反而削弱。但单向离合器不能传递反向转矩，导轮转矩为零。这时液力变矩器成为液力耦合器，且M_T=M_p。

如果涡轮转速进一步提高到与泵轮转速一样（υ=1），由于液力变矩器中的变矩器油压力场相同，没有压差，不再有变矩器油流动，也不能传递转矩。

在变矩器传递转矩的过程中，总是存在滑转而导致功率损失，从而降低变矩器的传动效率。

液力变矩器的工作性能可用它的特性图（图5.4-14）表示。它表示在等转速（如n=2000r/min）时泵轮的转矩（M_p2000）随变速比υ的变化。图上还表示变矩器转矩比μ和效率η随变矩比υ的变化。η按下式计算：

液力变矩器吸收转矩的特性像其他叶片机械吸收转矩的特性一样，一般与流体流动速度成平方，与流体回路直径成5次方：

式中，C为常数，由变矩器油密度和部件的几何形状、尺寸决定。

如果将现成的或设计出的变矩器特性场与发动机特性线放在一起，可得到汽车起步时变速器输入轴上的转矩变化以及功率损失（图5.4-15）。

这样，就有可能按用户的愿望设计液力变矩器。设计参数除液力变矩器直径外，就是回路的子午线形状以及3个工作轮（涡轮、泵轮、导轮）的叶片角度。

2）变矩器锁止离合器。多年以来，为降低燃料消耗，使用能阻止泵轮与涡轮间的变矩器残余滑转的锁止离合器已成为液力变矩器的标准结构型式。这种离合器在泵轮与涡轮间形成一种力的逻辑联系。它们间的流动回路被短路。为此，在变矩器体内有一个带摩擦衬面的柱塞。柱塞与涡轮毂相连。通过控制变矩器油的流动方向推动柱塞使锁止离合器“分离”或“接合”。在这时，变矩器绝对需要充满油。

图5.4-15 典型的液力变矩器特性图

变矩器锁止离合器除无滑转传递功率的优点外，也带来发动机与变速器刚性耦合的缺点，不再有像流体机械具有的减振的优异性能。为此需要一个组合在液力变矩器中的扭转减振器，像类似于换档变速器的干式离合器中的扭转减振器。扭转减振器在锁止离合器工作范围具有良好的减振性能、工作平稳，可以组合在现有的液力变矩器锁止离合器中。

3）滑转可调变矩器锁止离合器（GWK）。滑转可调变矩器锁止离合器是变矩器锁止离合器功能的扩展。在滑转可调的工作方式下，变矩器锁止离合器不完全锁止，而是在输入端和输出端之间有一定的滑转。这个滑转可以阻止由发动机引起的扭振完全传递到变速器上，进而传动到整个传动链，并可提高传动效率。效率提高是由于汽车在以前出于舒适性原因要求在一个开式的变矩器离合器情况下行驶，现在可以在很小的机械滑转下行驶。以前完全锁止的行驶范围当然是保留下来。这样可以降低燃料消耗，特别是在柴油机上使用效果更好。

这样的工作状况带来的液力变矩器的损失功率可从它的效率推算出。适用的滑移可调变矩器锁止离合器要有摩擦衬面槽和柱塞喷嘴。以避免衬面过热和将变矩器油直接喷在摩擦面上。这是强制性的，因为在现代自动变速器中，在整个寿命期内不再要求更换变矩器油，即变速器油。

（4）前景 变矩器主要影响汽车燃料消耗和行驶功率，为此要不断优化。在现代传动链的越来越小的结构空间中要减轻整个系统的体积和重量（图5.4-16）。

图5.4-16 变矩器结构型式实例

除改善流体动力学性能外，要高度关注扭转减振器的调整。与在干式离合器系统中类似，必须寻找在当时的具体情况下离合器的最佳刚度、摩擦和质量状况。在锁止离合器上从单纯的锁止到湿起步离合器的功能趋势已显露出来。在汽车起步时由变速器控制而变化的另一个转矩将叠加在液力变矩器转矩上。变矩器机械系统可组合在传动链的电子管理中。

由于列举出的变矩器的一些优化方案和无磨损、高转矩起步的变矩器的优点，在未来几年，乘用车自动变速器用的变矩器将不断增长。