離合器片纏繞模型建立及高速旋轉失效分析探討

黃順民

摘要 ：本文對離合器片的纏繞軌跡及其旋轉爆裂強度的理論計算進行了分析，建立了實用模型，指出產品的外型尺寸及材料的抗張強度及紗線材質和加工狀態是影響旋轉強度的主要因素，由于面片常為非均質量，故此方法所推導的數學模型可供離合器片生產企業進行質量控制，也可根據產品技術要求進行參數設定的參考。

關鍵詞 ：離合器片 纏繞模型 旋轉失效 探討

1、前言

離合器面片是摩擦材料的一種，是將玻璃纖維等纖維制成紗線后通過浸樹脂、上膠、盤坯纏繞、熱壓、熱處理等加工過程而制成。在盤坯纏繞時，將生產纏繞式離合器片的纏繞工序簡要描述如下：一個凸輪控制下作水平往復運動的噴頭不斷出上膠的紗線，鋪放在勻速轉動的一個圓環胎盤中，當紗線達到總長度時停止，，除了電機、減速器等傳動機構，進料機構、固化成型機構和機架等常規設計實現外，這個工藝設計首要問題是考慮曲線鋪放在模具中的形狀，進而形成對凸輪的設計，這是工藝設計中的核心問題。離合器面片作為第一批列入國家生產許可證目錄的產品，是汽車工業的關鍵部件，主要起到汽車傳遞動力的作用，車輛離合平衡，不打滑、不抖動及耐磨性好作為關鍵指標，對汽車的傳動起到關鍵作用，如果由于離合器片質量不合格，將會導致汽車在行駛半途過程中離合器打滑、抖動等情況甚至由于離合器面破裂而損壞整個離合器，因此質量不合格的離合器面片對汽車行駛造成嚴重的安全隱患，在傳遞扭矩過程中，離合器面片除了應具有適當的摩擦系數以保證扭矩的平穩傳遞外，還應有足夠的強度，由于現代汽車發動機的最高轉速已超過5000r/min，因此，離合器片要承受巨大的離心力的作用，也會因高速而造成整個離合器的失效，因此通過緾繞模型的建立來分析離心力受力情況，根據其形狀，離合器片應是很平的環形片狀，顯然上膠密度要均勻，即要求膠線鋪設均勻，又滿足一定的力學條件（彎曲強度，旋轉爆裂強度）這就需要紗線在環內不斷交叉形成網狀，整條曲線應分為若干形狀完全相同的段，即曲線應有周期，并且在每個周期中曲線應與內、外圓至少各相交一次，習慣上，稱一個圓周中的周期個數為花瓣數，經驗上看，花瓣數至少為2，用數學語言來描述這個問題，即在一個平面環形（內半徑r1，外半徑r2）區域中自環內某點開始出發作一條曲線，要求曲線滿足以下條件：膠線要連續，總長度為L，設曲線從內圓上某點開始，波動式地在環形內纏繞，具有周期性，花瓣數至少為2，曲線間必須是相交的且多次相交不許重復，在每個周期內必須和內圓、外圓至少各相交一次，要求圓環內任何位置，單位面積中所含各條曲線的總長度盡量相同，即均勻分布， 盡量簡單，便于實現。

本文重點介紹離合器片的纏繞軌跡及其旋轉爆裂強度的理論計算方程，既要使線盡量避免重疊，又要使其排列方式，有利于離合器片能承受最大旋轉爆破應力，為了提高制品的產量和質量，探索正確設計纏繞機的理論依據，研究纏繞的規律，提出了一種新的方程式，便于計算的通用數學模型，并以此進行參數的設定提高產品質量，所推導的旋轉爆裂強度數學模型可供生產企業技質量控制用。

表1是浙江某公司提供的各種材質和加工工藝的纏繞離合器片的抗拉強度和旋轉爆裂強度的測試數據，同時也列出了本文所提供的數學模型用抗拉強度計算的旋轉爆裂強度的計算值，從表1可看出，離合器面片旋轉強度的實測值和用材料抗張強度計算的計算值相當接近，其誤差低于3%，因此本文提出的數學模型有較實用性。

本數學模型對造成離合器片旋轉失效的各相關因素進行了分析，其中產品的外形尺寸及材料的抗張強度是影響旋轉強度的主要因素，對同一尺寸的產品來說，提高旋轉強度的關鍵是提高材料的抗張強度，從這一意義上來講，在暫不具備旋轉強度試驗條件的單位，可將抗張強度納入產品檢驗內容。

本數學模型是一個理想化的公式，實際上，離合器片是非均質的，在加工過程中材料內部也會有細微傷痕，所以實測值和理論值有一定差距，因此用材質和工藝修正系數進行修正，若計算值在不合格區間，則應分析面片在生產工藝過程中可能存在的問，特別是槳料質量和上膠率及紗線本身的抗拉強度，修正系數見表2。

9 、結束語

1、該數學模型，由于波峰的轉變，并非突變，而是按正弦波的規律自然過渡，尤其M較小時，波峰曲率半徑大，中心層的強度分量相對提高，對纏線強度較為有利。

2、設計時，為了得到勻稱均勻的圖案，保證產品性能穩定，應考慮選擇非重波型，即I，U互質的圖案，僅量不用重波型圖案。

3、纏繞參數M，U，i值的選定，可根據離合器片的尺寸和生產條件以及旋轉爆裂強度的要求綜合考慮決定，建議M=2-5，U=8-25，i

4、若所生產的離合器片或設計的纏繞機，能按上述數學模型進行，也必將會得到質量滿意的結果。

5、可充分利用該數學模型，進行圖案的模擬設計，以增加設計的準確性、可行性，提高設計效率。

6、為纏繞機的正確設計提供了可靠的理論依據，按分析完全可以找到一些方案能滿足這種方程的實施。

7、由于旋轉爆裂試驗機價格高，大部分企業沒有購買，但拉力強度試驗機絕大部分企業均有，因此企業技術人員均可按本文之公式進行旋轉爆裂強度的計算，以控制產品質量。

8、由于離合器片所使用的紗線不同，爆裂強度相差較大，因此，本模型根據線的材質不同，確定了一個不同紗線材質的校準系數K1。

9、離合器片的加工狀態對爆裂強度影響較大，標準規定是無槽無孔的樣品，而實際上，離合器面片大多數都是有排灰槽的，有的產品交付時是鉆孔狀態，而且根據從動盤設計要求有單排孔，也有雙排孔，鉆孔產品對爆裂強度影響很大，因此，根據較多數據統計結果確定了加工工藝K2校準系數。

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