佘亦曦 張治中 譚武中

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，株洲 412002）

一般而言，直升機(jī)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比是恒定的，因此直升機(jī)旋翼和尾槳的轉(zhuǎn)速為固定值。隨著直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)直升機(jī)續(xù)航時(shí)間的要求越來(lái)越高。較高的旋翼轉(zhuǎn)速導(dǎo)致直升機(jī)油耗較高，難以延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。通過(guò)直升機(jī)變減速比減速器的設(shè)計(jì)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，可以實(shí)現(xiàn)旋翼在不同飛行速度或不同飛行模式下的轉(zhuǎn)速可調(diào)，提高直升機(jī)效率，延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，降低油耗。

美國(guó)波音公司研制的“蜂鳥(niǎo)”無(wú)人機(jī)（A160T）最先將摩擦離合器應(yīng)用于航空領(lǐng)域。該無(wú)人機(jī)可根據(jù)飛行高速、飛行速度等要求，通過(guò)控制減速器內(nèi)的摩擦離合器的接合脫開(kāi)，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)減速器在空中換擋，再加上發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，實(shí)現(xiàn)主旋翼轉(zhuǎn)速在50%～100%范圍的變化，將直升機(jī)續(xù)航時(shí)間提高 到20 h[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)車用/船用摩擦離合器進(jìn)行研究的較多，并且朝著高速大功率等方向拓展。航空用摩擦離合器使用條件要求苛刻，摩擦離合器在航空領(lǐng)域的應(yīng)用尚有很長(zhǎng)的路要走。

1 摩擦離合器的分類及其結(jié)構(gòu)形式

摩擦離合器可分為干式摩擦離合器和濕式摩擦離合器兩類。濕式摩擦離合器的摩擦副封閉在油腔內(nèi)部，并采用浸油潤(rùn)滑。在接合、脫開(kāi)過(guò)程中，摩擦片表面形成油膜起到保護(hù)作用，可減小摩擦片的損耗。因此，濕式摩擦離合器具有較小的溫升和較長(zhǎng)的使用壽命，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本較高。

圖1為一種典型多片濕式摩擦離合器，主要由成組的摩擦片、對(duì)偶鋼片和活塞等組成。摩擦離合器的接合脫開(kāi)可以是液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)。摩擦離合器的散熱主要靠潤(rùn)滑冷卻油。潤(rùn)滑冷卻油由離合器內(nèi)軸在離心力的作用下甩入摩擦副，再?gòu)耐廨S出油孔流出。摩擦離合器完全分離時(shí)，摩擦片和鋼片完全脫開(kāi)，傳遞扭矩為零，離合器動(dòng)力傳遞被中斷。但是，潤(rùn)滑油的持續(xù)供應(yīng)會(huì)使摩擦片與對(duì)偶鋼片間形成油膜。油膜的剪切力產(chǎn)生扭矩，導(dǎo)致離合器損耗能量。摩擦離合器接合時(shí)，活塞軸向動(dòng)作推動(dòng)摩擦片逐漸壓緊對(duì)偶鋼片，摩擦片和對(duì)偶鋼片通過(guò)滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生摩擦力矩，并最終逐步達(dá)到同步轉(zhuǎn)動(dòng)。理想工作狀態(tài)的離合器應(yīng)該做到結(jié)合時(shí)迅速、平穩(wěn)，結(jié)合后沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，分離時(shí)及時(shí)徹底。

圖1 濕式多片摩擦離合器工作結(jié)構(gòu)圖

2 航空摩擦離合器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

2.1 摩擦離合器參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)摩擦離合器時(shí)需考慮靜態(tài)過(guò)程和動(dòng)態(tài)過(guò)程。靜態(tài)過(guò)程設(shè)計(jì)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，而動(dòng)態(tài)接合過(guò)程復(fù)雜。摩擦片摩擦系數(shù)、摩擦片之間的間距、相對(duì)轉(zhuǎn)速和摩擦離合器接合沖擊度以及摩擦力矩等參數(shù)之間的匹配關(guān)系，對(duì)動(dòng)態(tài)接合過(guò)程都有很大影響。

為滿足直升機(jī)變速傳動(dòng)需要，摩擦離合器需具備接合速度快和載荷沖擊小的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)摩擦離合器參數(shù)時(shí)，應(yīng)對(duì)摩擦片摩擦系數(shù)、摩擦片之間的間距、相對(duì)轉(zhuǎn)速、摩擦離合器接合沖擊度以及摩擦力矩等進(jìn)行綜合分析，通過(guò)建立摩擦離合器摩擦力矩模型和沖擊度模型，得到離合器參數(shù)的最優(yōu)匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)摩擦離合器的參數(shù)化設(shè)計(jì)匹配。摩擦離合器的參數(shù)設(shè)計(jì)直接影響摩擦離合器的使用性能，是摩擦離合器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 接合過(guò)程溫度場(chǎng)分析

在接合過(guò)程中，航空摩擦離合器摩擦片和對(duì)偶鋼片的相對(duì)滑動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量熱量。熱量主要以對(duì)流散熱方式通過(guò)潤(rùn)滑油帶走，最終達(dá)到產(chǎn)熱量和散熱量的動(dòng)態(tài)平衡。摩擦片和對(duì)偶鋼片的幾何參數(shù)、材料和彈性模量都對(duì)離合器摩擦熱的產(chǎn)生有很大影響。低彈性模量的摩擦片和對(duì)偶鋼片可以有效減少產(chǎn)熱，降低高溫區(qū)的擴(kuò)大速度。摩擦片和對(duì)偶鋼片的橫向?qū)嵯禂?shù)和比熱容系數(shù)對(duì)離合器的熱力學(xué)性能有重要影響。在多片離合器中，靠近離合器后板的摩擦面溫度最高，且環(huán)向熱應(yīng)力最大，是決定離合器失效與否的關(guān)鍵。在同一片對(duì)偶鋼片表面上，表面溫度基本隨著對(duì)偶鋼片半徑增大而升高。但是，在最大外徑處，由于工作液的對(duì)流換熱存在，其溫度較半徑較小處更低。在相同轉(zhuǎn)速下，溫度越高，離合器摩擦片嚙合周期越短，壓力越高，嚙合轉(zhuǎn)矩傳遞幅度越大[2-6]。

為了滿足直升機(jī)高功率密度的要求，需對(duì)航空摩擦離合器進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)上考慮摩擦離合器的散熱。摩擦離合器接合過(guò)程中，摩擦片和對(duì)偶鋼片在軸向力的作用下沿軸向壓縮。軸向移動(dòng)過(guò)程中，摩擦片和對(duì)偶鋼片始終處于相互滑動(dòng)狀態(tài)，溫度急劇上升，容易導(dǎo)致摩擦離合器失效。因此，需分析摩擦離合器接合過(guò)程中的摩擦離合器的溫度分布及變化，獲取溫度場(chǎng)分布和變化規(guī)律，確定合適的摩擦片表面油槽結(jié)構(gòu)和散熱結(jié)構(gòu)。

2.3 接合過(guò)程中摩擦系數(shù)分析

濕式離合器接合過(guò)程可分為3個(gè)階段。第1階段，離合器在尚未工作時(shí)，包含的摩擦副處于脫開(kāi)狀態(tài)，各對(duì)摩擦副之間可看成等間距排列，摩擦片與對(duì)偶鋼片之間不存在粗糙接觸。當(dāng)摩擦片和對(duì)偶鋼片在油缸壓力作用下沿軸向壓縮時(shí)，摩擦片尚未與對(duì)偶鋼片接觸，兩者的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)將剪切潤(rùn)滑油油膜，此時(shí)承載力由油膜承擔(dān)。第2階段，離合器接合過(guò)程。隨著接合時(shí)間的增加，摩擦片表面的微凸體將與對(duì)偶鋼片接觸，此時(shí)承載力由油膜和微凸體共同組成。當(dāng)潤(rùn)滑油不斷從摩擦片油槽處排出時(shí)，微凸體的接觸面積不斷增加，油膜剪切力和黏性轉(zhuǎn)矩開(kāi)始減少，粗糙轉(zhuǎn)矩和微凸體摩擦阻力不斷增加，此時(shí)的摩擦系數(shù)為混合摩擦系數(shù)。第3階段，全接觸階段。此時(shí)，由活塞傳遞的壓力全部由摩擦片上的微凸體承載。在接合即將完成時(shí)，相對(duì)轉(zhuǎn)速接近于零，因此動(dòng)摩擦系數(shù)接近于靜摩擦系數(shù)[7]。

在摩擦離合器的接合過(guò)程中，摩擦離合器摩擦片的摩擦系數(shù)是變化的，直接影響離合器的接合質(zhì)量。摩擦離合器摩擦片的摩擦系數(shù)與很多因素有關(guān)，如摩擦材料、工況、表面處理工藝、潤(rùn)滑油溫度以及黏度等。通過(guò)理論公式將離合器摩擦片中油膜、微凸體摩擦、溫度等影響因素?cái)M合，精確計(jì)算摩擦片之間的摩擦系數(shù)，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比。誤差是研究并解決摩擦離合器的關(guān)鍵問(wèn)題之一[8-10]。

2.4 接合過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性分析

濕式摩擦離合器各參數(shù)之間耦合關(guān)系復(fù)雜。在接合摩擦過(guò)程中容易出現(xiàn)抖振現(xiàn)象，不僅會(huì)破壞接合的平穩(wěn)性，產(chǎn)生較大的噪聲，還會(huì)加劇摩擦磨損，縮短使用壽命。濕式摩擦離合器產(chǎn)生抖振的原因與離合器本身設(shè)計(jì)參數(shù)有一定關(guān)系，包含尺寸參數(shù)、摩擦片材料、轉(zhuǎn)速及壓力等[11-13]。

開(kāi)展航空摩擦離合器動(dòng)態(tài)接合特性分析，需將離合器的接合、脫開(kāi)過(guò)程與離合器的振動(dòng)模型合并，將離合器的穩(wěn)定性、沖擊特性等動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和離合器的接合特性、尺寸參數(shù)等進(jìn)行綜合討論。通過(guò)數(shù)值求解和仿真分析得到摩擦片的振型分布、摩擦片的臨界轉(zhuǎn)速，并對(duì)流固耦合下的摩擦片和對(duì)偶鋼片振動(dòng)形式進(jìn)行仿真分析，分析離合器摩擦片和對(duì)偶鋼片在高速旋轉(zhuǎn)下的振動(dòng)問(wèn)題[14-15]。

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)減速器中齒輪、軸承數(shù)量多，嚙合頻率豐富，存在多個(gè)振動(dòng)頻率。航空摩擦離合器用于直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)減速器，容易與減速器特征頻率產(chǎn)生共振，影響減速器正常使用，甚至危及直升機(jī)飛行安全。因此，如何開(kāi)展動(dòng)態(tài)接合特性建模和求解，掌握接合過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征，是設(shè)計(jì)航空摩擦離合器的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2.5 摩擦副磨合磨損機(jī)理和磨損量變化規(guī)律研究

通過(guò)合理的磨合磨損，能有效彌補(bǔ)離合器加工過(guò)程中的一些誤差和缺陷，延長(zhǎng)離合器的使用壽命，增強(qiáng)離合器的可靠性。因此，在濕式離合器設(shè)計(jì)階段，掌握摩擦副磨合磨損機(jī)理和磨損量變化規(guī)律，控制摩擦副表面形貌，合理制定離合器磨合規(guī)范，對(duì)提高離合器工作性能具有重要價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)直升機(jī)續(xù)航時(shí)間的要求越來(lái)越高。通過(guò)直升機(jī)減速器內(nèi)航空摩擦離合器的變減速比設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)旋翼的變轉(zhuǎn)速，有效延長(zhǎng)直升機(jī)飛續(xù)航時(shí)間。本文介紹直升機(jī)技術(shù)發(fā)展對(duì)航空摩擦離合器的需求，闡述航空摩擦離合器的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)摩擦離合器參數(shù)選擇、接合過(guò)程溫度場(chǎng)分析、摩擦系數(shù)分析、接合特性分析和摩擦副磨損激勵(lì)和磨損量變化規(guī)律等航空摩擦離合器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究。目前，與航空摩擦離合器同類型的濕式離合器主要用于車輛工程，針對(duì)航空摩擦離合器的專門(mén)研究較少。開(kāi)展航空摩擦離合器的關(guān)鍵技術(shù)研究，有助于提高我國(guó)直升機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平。