Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Wet clutch tribology: friction characteristics in limited slip differentials
2005 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

In recent years, electronically controlled automotive transmission systems, where wet clutches are used as intelligent differentials, have appeared in the market. These applications impose great demands on the transmission fluids and friction materials used as well as on controllability and vibration preventive (anti-shudder) properties of the clutch systems. This thesis focuses on transmission fluids used in wet clutches in all- wheel drive systems. The investigated all-wheel drive system, featuring a wet multi-plate clutch with a sintered brass based friction material, is described. A comprehensive literature review section outlines the state-of-art in this field and gives an insight into many of the problems commonly experienced in this type of application. Different methods used to investigate the function of wet clutch transmission fluids are also presented. Test equipment designed during this thesis work in order to determine the frictional characteristics of transmission fluids is described. This equipment measures friction torque, normal load, oil temperatures and the actual temperature experienced by the fluid in the contact zone. Base oil type and viscosity have been found not to significantly influence friction characteristics of a wet-plate clutch , indicating that the torque is primarily transmitted by asperity contacts rather than fluid films. Oil additives, on the other hand, have a considerable influence on friction, again leading to the conclusion that tribolayers on contacting asperities rather than fluid films govern friction. From these observations it can be concluded that the lubrication regime under the conditions studied are boundary lubrication, moving into mixed lubrication at high velocities and low temperatures. Results show the influence of several operating parameters on the frictional behavior of the clutch. Temperature is shown to have significant influence on the friction of transmission fluids which decrease with increasing temperature. It is therefore necessary to measure the true temperatures in the clutch contact in order to obtain realistic measurements of friction. A method which excludes the influence of temperature on measured friction data have been developed and verified. The influence of clutch disc pressure on friction is quite moderate compared to the influence of temperature and sliding velocity. The influence of velocity on friction is governed by the transmission fluid and friction material used in the clutch. The friction-velocity relationship is a good indicator of the fluid’s ability to suppress friction induced vibrations. It is, however, important to measure the friction-velocity relationship at constant temperature, or to compensate the relationship for temperature effects. A successful method to develop transmission fluids has been developed. Formulated fluids allow good anti-shudder properties to be combined with good lubrication performance for other machine elements present in the transmission. Interactions between different additives must be considered which can, in many cases, completely alter the friction characteristics since additives compete for the same adsorption surface. Extreme pressure additives have been found to be particularly troublesome when used in combination with other additives as far as their ability to maintain good anti-shudder properties is concerned. Based on the knowledge of clutch performance obtained from the research presented in this thesis, a model to predict transmitted clutch torque has been developed. This accurately determines the transferred torque from the current operating conditions and the thermal history of the clutch. It can be concluded that thermal effects have a significant influence on the torque transferred by the clutch, and it is therefore necessary to have a thermal model of the clutch combined with a temperature dependant boundary friction model based on empirical friction data for the friction material/transmission fluid combination of interest.

Abstract [sv]

På senare tid har elektroniskt styrda drivlinor blivit allt vanligare i personbilar. I dessa transmissionssystem används ofta våta kopplingar för att överföra önskade vridmoment mellan olika axlar. För att uppnå lättkontrollerad och vibrationsfri momentöverföring ställs höga krav på de använda transmissionsoljorna och friktionsmaterialen. Denna avhandling behandlar främst transmissionsoljor för våta kopplingar i fyrhjulsdriftsystem. En beskrivning av det undersökta fyrhjulsdriftsystemet och den ingående flerlamellkopplingen ges. Dessutom beskrivs de friktionslameller av sintermässing som används i denna tillämpning. En omfattande litteraturstudie som syftar till att identifiera forskningsfronten inom området presenteras och ger en insikt i vilka problem som måste lösas i denna typ av applikationer. I anknytning till detta beskrivs även olika metoder som används för att undersöka funktionen hos våta kopplingar. För att undersöka friktionsegenskaperna hos olika transmissionsoljor har en testutrustning konstruerats. Denna utrustning mäter överfört vridmoment, pålagd kraft, oljetemperatur och kontakttemperatur i kopplingen. Både konstruktionen och typiska testcykler beskrivs detaljerat. Mätningar visar att basoljetyp och viskositet endast har en liten inverkan på friktionsegenskaperna (momentöverföringen), vilket tyder på att friktionen uppkommer i asperitetskontakter snarare än genom viskösa effekter i en oljefilm. Oljeadditiv har däremot kraftig inverkan på friktionen, även detta tyder på att friktionen genereras av additivskikt på yttoppar snarare än av en oljefilm. Sammantaget visar detta att den smörjregim som råder under undersökta förhållanden är gränsskiktssmörjning som går in i blandfilmssmörjning vid höga hastigheter och låga temperaturer. Resultat visar även hur en mängd olika parametrar påverkar friktionsegenskaperna i kopplingen. Studerade parametrar inkluderar temperatur, glidhastighet, tryck och oljesammansättning. Temperaturen har betydande inverkan på friktionsegenskaperna hos transmissionsoljor. Friktionen minskar med ökande temperatur. Därför är det nödvändigt att mäta den korrekta temperaturen i kopplingen för att få relevanta mätvärden på friktionen. En metod för att presentera mätdata på ett sätt där temperaturens inverkan elimineras har utvecklats och visat sig fungera väl. Friktionspåverkan från den pålagda normalkraften är liten jämfört med inverkan från temperatur och glidhastighet. Glidhastighetens påverkan på friktionen bestäms av den aktuella kombinationen av smörjolja och friktionsmaterial. Sambandet mellan friktion och glidhastighet ger en god bild av smörjmedlets vibrationsdämpande förmåga. Det är dock viktigt att detta samband mäts vid konstant temperatur eller att mätdata kompenseras på ett lämpligt sätt. En framgångsrik metod för att utveckla transmissionsoljor har utvecklats. Formulerade oljor har visat att det är möjligt att kombinera vibrationsdämpande egenskaper med goda smörjegenskaper med avseende på andra maskinelement i transmissionen. Växelverkan mellan olika additiv måste beaktas och kan i många fall leda till kraftiga förändringar i friktionsbeteendet eftersom alla additiv konkurrerar om att fästa på samma metallyta. Speciellt extremkontaktstrycksadditiv (EP) har visat sig vara svåra att kombinera med andra additivtyper. Baserat på den nyvunna kunskapen om kopplingars momentöverföring har en teoretisk modell utvecklats. Denna modell kan förutsäga vilket överfört moment kopplingen genererar under givna förhållanden. Eftersom temperatureffekter har stor inverkan på friktionen är det nödvändigt att ha en termisk modell av kopplingen som kan kopplas till en temperaturberoende friktionsmodell. Friktionsmodellen är baserad på empiriska friktionsdata för aktuell kombination av friktionsmaterial och smörjmedel.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2005. , 41 p.
Series
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544 ; 2005:28
National Category
Tribology (Interacting Surfaces including Friction, Lubrication and Wear)
Research subject
Machine Elements
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-26662Local ID: f62d8ae0-518d-11db-9592-000ea68e967bOAI: oai:DiVA.org:ltu-26662DiVA: diva2:999829
Note
Godkänd; 2005; 20061001 (ysko)Available from: 2016-09-30 Created: 2016-09-30 Last updated: 2018-01-10Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2797 kB)136 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2797 kBChecksum SHA-512
bc183dfafc87f730ac06eb68b8d9404f2f7b026d4c3e3f35b18bbdea7c3e815b4bc1d61674a0064e717f51a4b60063f2f69e80f56ba1ab45b7f2ab8ca136f6d7
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Mäki, Rikard
Tribology (Interacting Surfaces including Friction, Lubrication and Wear)

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 136 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 404 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf