自动变速箱锁止摩擦材质的演变及最新技术
液力变矩器在早期的自动变速箱中主要起到液力耦合和变矩的功能，使发动机动力能有效传递到变速箱中。但是随着汽车对燃油经济性的要求不断提高，很多年前液力变矩器中就开始加入了锁止的功能，液力变矩器在锁止状态下时，其锁止离合器处于结合状态，发动机和变速箱的输入轴转速同步，它们处于刚性连接状态，这样动力传递的损失就很小。通常汽车在启动时，需要加大的输出扭矩，这时液力变矩器就需要处于非锁止状态，锁止离合器释放，发动机的动力通过变矩器内的液体来传递到变速箱，同时将扭矩放大，而一旦汽车行驶到一定速度后变速箱会自动控制锁止离合器进入锁止状态，这样就可以大大节省油耗。随着电控技术的飞速发展，锁止离合器的控制模式也不断提升，于是对锁止离合器上用的锁止摩擦材质的要求也不断提高。在维修市场中，了解锁止离合器的种类以及它所适用的摩擦片对于维修人员来说是很重要的，知道锁止离合器的不同性能要求，从而选择正确的摩擦片可以使维修人员事半功倍。
在早期的纯液控变速箱中，液力变矩器内的锁止离合器属于开关型控制模式，它只有2种状态——结合或释放。在这种简单的锁止离合器中，摩擦片的要求相对较低，因为锁止离合器的工作并不频繁，比如在一个纯液控的4速变速箱中，在3档以后才锁止离合器才开始工作，而且锁止结合过程很短，因此摩擦片只需要摩擦系数较大、能尽快锁止。图1中的TAN材质(主要包含纤维素纤维和树脂)就是典型的液控变速箱使用的摩擦材质，它的表面比较粗糙，摩擦系数大。它的最大优点就是成本低，主要缺点是不耐磨也不耐热。
图1 TAN摩擦材质
随着电控技术的引入，自动变速箱开始采用脉宽调制型(PWM)电磁阀，通过变化脉冲信号的占空比来调节锁止油压，这种控制比纯液控变速箱要精确得多，可以微调锁止油压，锁止离合器在这种PWM控制模式下锁止过程开始变得较缓和，在一个较宽的占空比范围内，锁止摩擦片开始存在一定的半打滑结合状态，电脑根据滑差量来调节电信号的占空比，从而微调锁止油压。在这种状态下，摩擦片容易出现过热失效，表面会出现一层光亮的釉层，这就表明摩擦材质已经烧损。于是这时的锁止离合器开始使用加入杜邦公司的凯夫拉纤维(KEVLAR)，这种摩擦片也叫Kevlar摩擦片，它比TAN材质要耐磨和耐热，摩擦系数也比TAN要低，比较适合PWM型的锁止离合器。一般普通的4速电控变速箱都属于这种类型。
但是从GM的4T65E开始，它采用了复杂的电控锁止控制模式(ECCC模式)，比普通的PWM模式使用更多的半打滑控制，锁止离合器在更低速时就开始工作，而在高速时也不完全锁止，始终存在一定的滑差量，在不同的阶段，只是滑差量大小不同而已。由于大幅度的半打滑控制会产生大量的热量，普通的KEVLAR摩擦片无法应付这么多的热量，容易在表面产生光滑坚硬的釉质，使摩擦片特性完全丧失，因此通用公司采用了其专利设计的编制碳摩擦片。它是由长的碳纤维像织布一样编织出来的(图2左方)，它的特点是极其耐热，摩擦系数小，锁止结合比Kevlar和TAN材质要平稳很多。但是它的制造成本很高，只有通用系列的变扭器才使用这种编制碳摩擦片。在维修市场中这种原厂编制碳的摩擦片是购买不到的，即便有后市场的编制碳摩擦片，成本也搞得离谱。在这种情况下，用短的碳纤维制造的高碳摩擦片在维修市场上被广泛接受(见图2右方)。它的性能比编制碳略低，但价格相对便宜很多，但仍比纸基摩擦片成本高出3倍。图3显示了这些摩擦片的耐磨特性的比较。
图2原厂编制碳摩擦片和后市场高碳摩擦片
图3 碳基摩擦片、Kevlar摩擦片和TAN摩擦片的耐磨性比较
以上介绍的这些摩擦片基本是10-20年以前的技术，主要适用于4速和5速的自动变速箱。然而自从6速及更高档位的自动变速箱问世以来，摩擦片技术已发生了很大的变化。换挡和锁止的平稳舒适性成为主要的性能要求，要达到这个性能，其实有很多方面可以着手改进，但是出于成本的考虑，制造厂商发现还是在摩擦片上入手改进的成本最低，这也迫使摩擦片的技术在今年来发展迅速。比如用于BMW的6速变速箱，它们的变扭器大量使用半打滑控制，耐磨和耐热的技术要求已让位于在大滑差下锁止的平稳性。图4显示的是宝马6HP变速箱的锁止摩擦片，这种材质配合特殊设计的凹槽能满足了在大滑差控制下各种工况的性能要求。很多维修这种BMW6速变速箱的变扭器的维修人员都有这样的经验：在很多情况下，如果不更换原厂摩擦片，或者用副厂摩擦片，包括碳基摩擦片来替代，维修后的变扭器很容易出现锁止颤抖的问题，而更换了新的原厂摩擦片，维修成功的比率就大大提高。这说明了在新型的高级电控变速箱中，生产厂在摩擦片上花了很多努力来改善在多种工况下保持锁止接合平稳的能力，而这正是当今摩擦片研发中的难点。这种新型摩擦片和碳基摩擦片比起来有以下特点：1)制造成本大幅降低，这对制造厂来说是最有吸引了的。2)在凹槽的配合下，滑磨稳定性比碳基摩擦片好。碳基摩擦片有一个先天弱点，就是它无法开槽，这也限制了它的应用。碳基摩擦片在有些工况下还是容易在结合时产生颤抖。
图4 带凹槽的ZF6HP摩擦片
图5 6HP摩擦片的表面磨损
然而6HP的摩擦片虽然满足了大滑差下结合平稳的特性，但它牺牲了很多其它的技术性能，比如耐用性。图5显示的就是比较常见的在大扭矩下宝马6HP26锁止摩擦片的表面脱落。随着宝马8速自动变速箱的问世，8HP的锁止摩擦片使用了新型的大滑差摩擦片HTS(见图6)，它在保持了原来6HP摩擦片优点的基础上，兼具了耐热、耐磨的特性。图6中的HTS摩擦环看似为普通的墨绿色，但它传热极快，绝非是普通的纸基片。由于其出色的性能，它也被用在湿式的大众双离合器DSG变速箱的离合器中。和碳基摩擦片比起来(不论是编制碳还是高碳摩擦片)，HTS性能更出色，它是经过特殊处理的纸基摩擦片，所以它的成本比碳基摩擦片更低，它在最新的OEM市场和维修市场都已取代碳基摩擦片。
图6 8HP用的HTS摩擦环
图7HTS和编织碳摩擦片的性能比较
图7很好地解释了新型的用于8HP变扭器的HTS摩擦片和传统的编制碳摩擦片的性能差别。从图上看两者最大的区别就在于当摩擦片的相对速度接近零时，也就是当离合器完全结合前的一刹那，编制碳的摩擦系数是上升的，从数学模型上分析的话,整个系统的能量在离合器结合过程中如果随着时间推移能量变大就会引起振动, 这就意味着随着离合器的结合，上升的摩擦系数会导致颤抖。图中HTS的摩擦系数是随着离合器的结合而下降的，这可以使整个系统能量下降，防止离合器结合颤抖的出现。要达到这种特性，正是HTS独特的地方。同时，8HP的HTS相比于6HP的摩擦片，大幅提升了它的耐热性能和耐磨性能。HTS热传导能力极强，可以通过变扭器外壳很快将热量散走。
图8 不同摩擦材质的防颤性能比较
图8显示了不同摩擦材质的防颤性能比较。古老的TAN材质最差，用于8速变速箱的HTS最好。图中的HTE是一种新型的取代KEVLAR的新型材质，它的性能优于TAN和KEVLAR，而成本比HTS要低，性价比较高，适用于普通的变扭器锁止离合器，以及变速箱的离合器中。宝马8速变速箱中的多个离合器中的摩擦片用的就是这种HTE材质。
新型的双离合器变速箱是目前比较流行的新技术，它没有液力变矩器，因此它对摩擦片和控制系统的性能要求非常高。换挡时产生颤抖是双离合器变速箱中目前比较难处理的问题，生产厂目前也正在对控制系统和摩擦片进行改良以适应更复杂的工况。其中湿式的双离合器用的就是HTS材质，而干式的双离合器则用的是特质的干式摩擦片，它对性能的要求更高。双离合器的出现将更快地推进摩擦片技术的演变。
