焦 敏 趙治國 王 晨

（1.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804；2.科力遠(yuǎn)混合動力技術(shù)有限公司，上海 201501）

目前，能源短缺、環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，國家積極推動新能源汽車的發(fā)展。但由于我國基礎(chǔ)充電設(shè)施和電池技術(shù)比較落后，純電動汽車發(fā)展受限，作為傳統(tǒng)汽車到純電動汽車過渡期的混合動力汽車，將是我國汽車產(chǎn)業(yè)未來30年的主要發(fā)展對象。混合動力技術(shù)作為傳統(tǒng)車的技術(shù)升級是當(dāng)前汽車技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路?；旌蟿恿ζ嚧钶d的變速箱以發(fā)動機(jī)及雙電機(jī)為動力源，通過新型復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)功率分流，不僅可以避免電功率循環(huán)，還可以通過增設(shè)換擋元件實現(xiàn)大扭矩輸出、高效固定傳動比輸出等功能。濕式制動器具有較好的散熱性能，并且電液伺服系統(tǒng)具有高能量密度，因此，當(dāng)前許多基于復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力變速箱都采取濕式制動器，實現(xiàn)系統(tǒng)的工作模式切換[1-3]。

本文設(shè)計的混合動力變速箱，通過在行星架上增設(shè)濕式制動器B1，鎖止發(fā)動機(jī)（發(fā)動機(jī)與行星架相連），使汽車低速行駛時，系統(tǒng)能夠以純電動模式運行；通過在電機(jī)1軸上增設(shè)濕式制動器B2鎖止電機(jī)1，使汽車高速行駛時，系統(tǒng)能夠以并聯(lián)式混合動力模式運行，從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)效率的目的。針對上述濕式制動器在混合動力變速箱中的應(yīng)用，本文對兩組制動器進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，并通過極端苛刻的制動模式對兩組制動器進(jìn)行溫升分析和耐久試驗。

1 濕式制動器結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件設(shè)計

濕式制動器B1結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理如下：液壓油進(jìn)入制動油腔后，制動活塞克服碟型彈簧阻力推動摩擦片與對偶片壓緊，產(chǎn)生高摩擦力，從而致使與之連接的行星架（圖中未畫出）就被鎖止；當(dāng)液壓油從制動油腔排出時，碟型彈簧彈簧將制動器活塞復(fù)位至初始位置，制動器脫開，行星架可以自由旋轉(zhuǎn)。同理，濕式制動器B2結(jié)構(gòu)及工作原理類似，這里不再贅述。

濕式制動器的關(guān)鍵零部件是摩擦片和對偶片，設(shè)計應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)布局緊湊、扭矩容量及熱容量大、傳動平穩(wěn)以及可靠性強(qiáng)等要求。因此摩擦材料、摩擦片尺寸和片數(shù)是決定濕式制動器扭矩容量的關(guān)鍵因素。本設(shè)計選用摩擦系數(shù)穩(wěn)定，且耐磨性好的紙基摩擦材料作為襯層的摩擦片，對偶片選用吸熱能力強(qiáng)的SPCC材料[4]。根據(jù)變速箱空間布局，本設(shè)計制動器B1、B2摩擦片外形具體尺寸，如表1所示。

圖1 濕式制動器結(jié)構(gòu)圖

表1 制動器摩擦片外形尺寸（mm）

濕式制動器B1、B2能夠明顯改善整車燃油經(jīng)濟(jì)性，濕式制動器B1的匹配主要由動力性指標(biāo)決定，濕式制動器B2的匹配主要由經(jīng)濟(jì)性性能指標(biāo)決定。根據(jù)整車系統(tǒng)匹配前期設(shè)計輸入，得出所需制動器B1和B2的最大轉(zhuǎn)矩分別是TB1max=275N·m，TB2max=80N·m。

假設(shè)摩擦片間壓力分布均勻，則制動器B1、B2所能傳遞的最大扭矩如式（1）所示。

式中，μ為制動器摩擦片摩擦系數(shù)，取0.1；plim為摩擦材料允許的單位應(yīng)力，取3.5N/mm2。

經(jīng)計算可得，制動器B1、B2摩擦面數(shù)ZB1=4.16，ZB2=1.05，經(jīng)過圓整取ZB1=5，ZB2=2?？紤]實際工程應(yīng)用中要有安全系數(shù)，因此確定制動器B1摩擦片片數(shù)為3，對偶片數(shù)為4；制動器B2摩擦片片數(shù)為1，對偶片片數(shù)為2。

2 制動器摩擦片生熱數(shù)學(xué)模型

2.1 滑摩功率計算

由于制動器接合過程中滑摩產(chǎn)生的熱量幾乎全部被制動器吸收，導(dǎo)致制動器溫度升高，這部分能量叫做滑摩功，即摩擦片滑動摩擦轉(zhuǎn)矩所做的功[5]。如下式（2）所示。

式中，Ws為接合過程中的制動器滑摩功，TB為接合過程中的制動器摩擦轉(zhuǎn)矩，ω為被制動件鎖止前的最大角速度。

從上式可知，滑摩功與制動時間、接合過程中的摩擦轉(zhuǎn)矩TB、被鎖止件的角速度ω有關(guān)。TB、ω是隨時間變化的，且它們的變化呈現(xiàn)非線性。因制動器的制動扭矩隨著時間變化較小，可假設(shè)TB為常量并暫取最大值。則所有摩擦片的最大滑摩功率如式（3）所示。

可將滑摩功率試驗曲線簡化為直線進(jìn)行計算，則滑摩功率隨時間變化的公式如式（4）所示。

如圖2所示，在制動器摩擦片表面上取寬度為dr的微小圓環(huán)，圓環(huán)的半徑為r，此面積上產(chǎn)生的滑摩功率如式（5）所示。

圖2 制動器摩擦片

式中，dT為該圓環(huán)上產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩；dω為主、被動摩擦片角速度差；μ為制動器摩擦片摩擦系數(shù)，取值0.1，PB為作用在摩擦片單位面積的應(yīng)力。

單面摩擦片的總滑摩功率如式（6）所示。

單面摩擦片的最大滑摩功率如式（7）所示。

式中,TdBmax為摩擦片單面所能傳遞的最大扭矩。

2.2 滑摩功率計算

由于對偶片導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于摩擦片導(dǎo)熱系數(shù)，故假設(shè)制動器結(jié)合過程中產(chǎn)生的滑摩功全部以熱量形式傳遞給了對偶片，導(dǎo)致對偶片溫度升高[6]。由于制動轉(zhuǎn)矩恒定，制動過程為勻減速運動，其中熱流密度與制動時間t為線性函數(shù)關(guān)系，假設(shè)摩擦片上熱流密度是均勻的，則熱流密度函數(shù)QB如式（8）所示。

式中，dS為微小圓環(huán)的面積，如式（9）所示。

根據(jù)式（3）～式（8），摩擦片摩擦面上半徑為r處的熱流密度如式（10）所示。

3 濕式制動器的溫升分析

本文利用Abaqus對制動器摩擦副的溫度場進(jìn)行有限元分析。已知液壓系統(tǒng)提供的制動油壓，作用于制動器摩擦片，制動器B1摩擦片面壓pB1為2.77N/mm2，最苛刻的工況下發(fā)動機(jī)的初始轉(zhuǎn)速為1200r/min，制動時間為0.99s；制動器B2摩擦片面壓pB2為2.06N/mm2，最苛刻的工況下動機(jī)1初始轉(zhuǎn)速1000r/min，制動時間為0.522s。根據(jù)式（2）～式（10），可求得制動器B1、B2的熱流密度函數(shù)，如表2、表3所示。

表2 制動器B1不同初始轉(zhuǎn)速對應(yīng)的熱流密度函數(shù)

表3 制動器B2不同初始轉(zhuǎn)速對應(yīng)的熱流密度函數(shù)

以上述結(jié)果作為有限元分析的邊界條件，設(shè)置模型的初始環(huán)境溫度。同時設(shè)置計算參數(shù)，進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。分析采用類型為DC3D8的六面體網(wǎng)格，對偶片的材料為鋼，其材料參數(shù)如表4所示。

表4 對偶片材料參數(shù)

通過計算制動器B1的溫升，并給對偶片表面節(jié)點加載熱流密度，可知不同半徑節(jié)點的熱流密度不同，且在半徑方向內(nèi)熱流密度是連續(xù)變化的。因此，筆者在有限元分析的邊界條件中做了離散處理，即根據(jù)不同半徑大小的節(jié)點，加載不同熱流密度，加載方式及操作界面如圖3、圖4所示。

如圖4所示，在左對話框中，熱流密度的大小為該半徑下初始時刻制動器熱流密度的計算數(shù)值。假設(shè)熱流密度曲線隨時間成線性變化，并設(shè)置該值的幅值曲線在0～0.99s之間，幅值從為1～0，如圖4右對話框所示。接下來將該有限元計算模型的初始溫度場設(shè)置為70℃，通過瞬態(tài)熱分析計算得到制動器B1對偶片的溫升云圖，如圖5所示。同樣的方法分析制動器B2的溫升，按照表3中的熱流密度函數(shù)及制動時間進(jìn)行分析，得到制動器B2對偶片的溫升云圖，如圖6所示。

圖3 制動器B1對偶片加載熱流密度

圖4 操作界面

圖5 對偶片B1的溫升云圖

圖6 對偶片B2的溫升云圖

從對偶片的溫升云圖中可以看出，制動接合過程結(jié)束時刻，制動器B1對偶片的最高溫度為95.54℃，與初始時刻相比升高了25.54℃；制動器B2對偶片的最高溫度為71.8℃，與初始時刻相比升高了1.8℃，可知溫度沿半徑方向發(fā)生變化，且對偶片最外圈的溫度最高。在實際工作過程中，對偶片最常見的失效位置也位于最外圈，這是由于外圈的線速度最大，從而產(chǎn)生更多的摩擦熱，有限元分析的結(jié)果與該結(jié)論一致。

4 耐久試驗

濕式制動器B1和B2的理論設(shè)計和溫升分析已經(jīng)完成，接下來需要進(jìn)行實踐檢驗，以測試其耐久性是否滿足要求?，F(xiàn)對制動器B1和B2分別進(jìn)行20萬次和6萬次高強(qiáng)度工況耐久性能測試。

4.1 試驗平臺搭建

平臺搭建試驗設(shè)備主要包括混合動力系統(tǒng)1套（合成箱、發(fā)動機(jī)各1臺）、整車控制單元1個、發(fā)動機(jī)控制單元1個、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器1個、動力電池1臺、實時控制系統(tǒng)1套、上位機(jī)1臺等，試驗臺架平臺如圖7所示。

圖7 變速箱系統(tǒng)臺架

綜合七個標(biāo)準(zhǔn)路譜下的制動器B1、B2工作條件，形成本試驗工況條件，其中七個標(biāo)準(zhǔn)路譜分別是：上海工況、武漢工況、天津工況、US_06、CN_motorway、US_highway、EGS[7]。

制動器B1鎖止工況分兩種進(jìn)行：一是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為零的工況，鎖止時間間隔不小于10s，鎖止次數(shù)14萬次，占總次數(shù)的70%；二是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速非零的工況，鎖止前發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速500r/min，鎖止時發(fā)動機(jī)最大扭矩小于100N·m，鎖止時間間隔1min內(nèi)不超過2次，鎖止次數(shù)6萬次。

制動器B2鎖止工況按照混合動力轎車30萬公里的設(shè)計壽命進(jìn)行試驗，試驗中結(jié)合了動力系統(tǒng)控制策略，鎖止前電機(jī)1轉(zhuǎn)速為200r/min，鎖止時電機(jī)1扭矩80N·m，鎖止次數(shù)6萬次。

4.2 試驗結(jié)果分析

圖8 制動器B1摩擦片和對偶片

圖9 制動器B2摩擦片和對偶片

經(jīng)過長達(dá)2個月的測試，完成制動器B1、B2耐久試驗，將變速箱從動力總成臺架拆下進(jìn)行拆箱檢查。試驗后，制動器B1、B2摩擦片和對偶片如圖8、圖9所示。

對制動器B1和B2的活塞行程進(jìn)行測量，并經(jīng)千分表檢測，磨損量結(jié)果如表5所示

表5 制動器B1、B2磨損量

試驗結(jié)果表明，制動器的構(gòu)成元件活塞、活塞蓋無明顯變形；O型圈無磨損、擦傷痕跡；制動器B1、B2的核心部件摩擦片無明顯熱損傷，油槽清晰可見；對偶片無熱點，無翹曲現(xiàn)象。制動器B1、B2的設(shè)計滿足變速箱功能及耐久要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計及溫升分析結(jié)果基本一致，設(shè)計滿足要求。

5 結(jié)論

本文針對新型深度混合動力轎車無極變速箱設(shè)計了一組基于紙基摩擦材料的濕式制動器，通過制動器傳遞摩擦扭矩計算、建立制動時間以及滑磨功數(shù)學(xué)模型等方法，對該制動器對偶片在滑動摩擦過程中的溫升進(jìn)行計算分析，最后利用臺架試驗分別對制動器B1、B2進(jìn)行20萬次和6萬次的耐久測試。

試驗結(jié)果表明，制動器B1、B2的設(shè)計滿足變速箱的功能及耐久要求，與熱分析結(jié)果基本一致。本制動器能產(chǎn)生較大制動扭矩，制動效果較好，制動響應(yīng)速度快，整個制動系統(tǒng)的溫升小，滿足使用要求，目前已運用于某量產(chǎn)混合動力變速箱。