离合器片缠绕模型建立及高速旋转失效分析探讨

黄顺民

摘要 ：本文对离合器片的缠绕轨迹及其旋转爆裂强度的理论计算进行了分析，建立了实用模型，指出产品的外型尺寸及材料的抗张强度及纱线材质和加工状态是影响旋转强度的主要因素，由于面片常为非均质量，故此方法所推导的数学模型可供离合器片生产企业进行质量控制，也可根据产品技术要求进行参数设定的参考。

关键词 ：离合器片 缠绕模型 旋转失效 探讨

1、前言

离合器面片是摩擦材料的一种，是将玻璃纤维等纤维制成纱线后通过浸树脂、上胶、盘坯缠绕、热压、热处理等加工过程而制成。在盘坯缠绕时，将生产缠绕式离合器片的缠绕工序简要描述如下：一个凸轮控制下作水平往复运动的喷头不断出上胶的纱线，铺放在匀速转动的一个圆环胎盘中，当纱线达到总长度时停止，，除了电机、减速器等传动机构，进料机构、固化成型机构和机架等常规设计实现外，这个工艺设计首要问题是考虑曲线铺放在模具中的形状，进而形成对凸轮的设计，这是工艺设计中的核心问题。离合器面片作为第一批列入国家生产许可证目录的产品，是汽车工业的关键部件，主要起到汽车传递动力的作用，车辆离合平衡，不打滑、不抖动及耐磨性好作为关键指标，对汽车的传动起到关键作用，如果由于离合器片质量不合格，将会导致汽车在行驶半途过程中离合器打滑、抖动等情况甚至由于离合器面破裂而损坏整个离合器，因此质量不合格的离合器面片对汽车行驶造成严重的安全隐患，在传递扭矩过程中，离合器面片除了应具有适当的摩擦系数以保证扭矩的平稳传递外，还应有足够的强度，由于现代汽车发动机的最高转速已超过5000r/min，因此，离合器片要承受巨大的离心力的作用，也会因高速而造成整个离合器的失效，因此通过緾绕模型的建立来分析离心力受力情况，根据其形状，离合器片应是很平的环形片状，显然上胶密度要均匀，即要求胶线铺设均匀，又满足一定的力学条件（弯曲强度，旋转爆裂强度）这就需要纱线在环内不断交叉形成网状，整条曲线应分为若干形状完全相同的段，即曲线应有周期，并且在每个周期中曲线应与内、外圆至少各相交一次，习惯上，称一个圆周中的周期个数为花瓣数，经验上看，花瓣数至少为2，用数学语言来描述这个问题，即在一个平面环形（内半径r1，外半径r2）区域中自环内某点开始出发作一条曲线，要求曲线满足以下条件：胶线要连续，总长度为L，设曲线从内圆上某点开始，波动式地在环形内缠绕，具有周期性，花瓣数至少为2，曲线间必须是相交的且多次相交不许重复，在每个周期内必须和内圆、外圆至少各相交一次，要求圆环内任何位置，单位面积中所含各条曲线的总长度尽量相同，即均匀分布， 尽量简单，便于实现。

本文重点介绍离合器片的缠绕轨迹及其旋转爆裂强度的理论计算方程，既要使线尽量避免重叠，又要使其排列方式，有利于离合器片能承受最大旋转爆破应力，为了提高制品的产量和质量，探索正确设计缠绕机的理论依据，研究缠绕的规律，提出了一种新的方程式，便于计算的通用数学模型，并以此进行参数的设定提高产品质量，所推导的旋转爆裂强度数学模型可供生产企业技质量控制用。

表1是浙江某公司提供的各种材质和加工工艺的缠绕离合器片的抗拉强度和旋转爆裂强度的测试数据，同时也列出了本文所提供的数学模型用抗拉强度计算的旋转爆裂强度的计算值，从表1可看出，离合器面片旋转强度的实测值和用材料抗张强度计算的计算值相当接近，其误差低于3%，因此本文提出的数学模型有较实用性。

本数学模型对造成离合器片旋转失效的各相关因素进行了分析，其中产品的外形尺寸及材料的抗张强度是影响旋转强度的主要因素，对同一尺寸的产品来说，提高旋转强度的关键是提高材料的抗张强度，从这一意义上来讲，在暂不具备旋转强度试验条件的单位，可将抗张强度纳入产品检验内容。

本数学模型是一个理想化的公式，实际上，离合器片是非均质的，在加工过程中材料内部也会有细微伤痕，所以实测值和理论值有一定差距，因此用材质和工艺修正系数进行修正，若计算值在不合格区间，则应分析面片在生产工艺过程中可能存在的问，特别是桨料质量和上胶率及纱线本身的抗拉强度，修正系数见表2。

9 、结束语

1、该数学模型，由于波峰的转变，并非突变，而是按正弦波的规律自然过渡，尤其M较小时，波峰曲率半径大，中心层的强度分量相对提高，对缠线强度较为有利。

2、设计时，为了得到匀称均匀的图案，保证产品性能稳定，应考虑选择非重波型，即I，U互质的图案，仅量不用重波型图案。

3、缠绕参数M，U，i值的选定，可根据离合器片的尺寸和生产条件以及旋转爆裂强度的要求综合考虑决定，建议M=2-5，U=8-25，i

4、若所生产的离合器片或设计的缠绕机，能按上述数学模型进行，也必将会得到质量满意的结果。

5、可充分利用该数学模型，进行图案的模拟设计，以增加设计的准确性、可行性，提高设计效率。

6、为缠绕机的正确设计提供了可靠的理论依据，按分析完全可以找到一些方案能满足这种方程的实施。

7、由于旋转爆裂试验机价格高，大部分企业没有购买，但拉力强度试验机绝大部分企业均有，因此企业技术人员均可按本文之公式进行旋转爆裂强度的计算，以控制产品质量。

8、由于离合器片所使用的纱线不同，爆裂强度相差较大，因此，本模型根据线的材质不同，确定了一个不同纱线材质的校准系数K1。

9、離合器片的加工状态对爆裂强度影响较大，标准规定是无槽无孔的样品，而实际上，离合器面片大多数都是有排灰槽的，有的产品交付时是钻孔状态，而且根据从动盘设计要求有单排孔，也有双排孔，钻孔产品对爆裂强度影响很大，因此，根据较多数据统计结果确定了加工工艺K2校准系数。

参考文献：

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