离合器存在什么缺陷-技术探讨

自从离合器被发明后，作为汽车动力系统的重要组成结构，离合器的最大进步也只是从“硬摩擦”发展成“软摩擦”。仔细想想，几乎所有的驾驶问题都和离合器有关系，手动挡、双离合和AT自动档几乎都在苦苦寻求解决离合器问题的合理设计。究竟应该怎样解决？
1、为什么需要离合器
根据汽车行驶需要，发动机的输出轴（曲轴）选择变速器的不同变速齿轮（换挡）时，先要断开原来的变速齿轮，然后再连接新的变速齿轮。这个过程需要一个方便操作的专门装置来完成，这个装置就是离合器。

离合器的主要结构是两副摩擦片：一副与发动机曲轴相连、一副与变速箱输入轴相连。当两幅摩擦片分开时（离）、输出动力中断，便于变速箱完成齿轮交换（退出原来的档位齿轮，换上新的变速齿轮）；重新结合时（合），发动机输出的动力又通过紧紧贴在一起的离合器片输送到变速箱。这个过程看起来非常科学、合理。问题来了，为什么我们松开离合器踏板速度过快时，动力不但没有连接上，反而把发动机搞熄火？教练和老驾们通常会告诉你放慢一点！为什么要“慢一点”？
（1）三段转速轴模式
根据汽车在行驶中的转速特性，汽车的整个动力链可以被分成三段：发动机到曲轴侧离合器片为第一段、变速箱侧离合器片到变速齿轮驱动轴为第二段、变速齿轮从动轴到车轮为第三段。下图表示了三段转速轴的相互关系：

先来分析三段转速轴的相互关系。汽车处于行驶状态时，第三段转速轴的转速和车轮转速始终保持一致；第二段转速轴的转速和驱动轴变速齿轮的速比保持一致，随着选择的变速齿轮而变化；第一段转速轴的转速随着第二段转速轴的转速发生变化。我们重点分析变速时离合器出现的变化。
进档状态：
当汽车用4档以60km/h速度行驶，三段转速轴的转速是一样的。如果需要加速升至5档，先要分开离合器、挂上5档；三段转速轴发生的变化是：第三段转速轴的转速没变化，第二段转速轴的转速因为速比提高而减低，第一段转速轴的转速随油门深度变化。
当离合器重新结合时，在曲轴一侧的离合器盘（第一段转速轴）和在变速器一侧的离合器盘（第二段转速轴）的转速是不同步的。自动和手动变速器都需要通过离合器盘的摩擦使两侧轴的转速达到同步后才能完全结合。通常情况下，第一段转速轴的转速会高于第二段转速轴，两个盘存在“相对速度差”，摩擦结合时产生的振动会沿着第二段和第三段转速轴传到车轮，驾驶者基本感觉不到。如果换挡（离合器分离）时间过长、没有保持油门幅度，发动机转速（第一段）有可能低于变速箱转速（第二段和第三段）；这时，离合器盘摩擦时需要反过来提高发动机转速，产生的振动是经过曲轴（第一段）传递到发动机，发动机会出现一个刹车效应，类似极快地点了一下刹车。
退档状态：
如果汽车用5档以60km/h行驶到上坡段可能需要退到4档来增加动力，三段转速轴的转速出现的变化刚好和前面的情况相反。因为4档的减速比小于5档，换挡后第二段转速轴的转速永远高于第一段；离合器接合时，摩擦产生的振动方向也指向发动机，发动机一定会出现刹车效应。无论是手动挡还是使用离合器的自动挡在这种情况下都会出现“顿挫”。
由此可见，依靠离合器片摩擦来调整第一段和第二段转速轴旋转速度不一致的方法是引起各种问题的根源，是一个致命缺陷。AT采用了“液力变矩器+离合器”的设计把离合器片的“硬摩擦”转变成油液的“软摩擦”，一定程度上减轻了摩擦产生的振动，我们会在后面谈到。
（2）二元动力模式
发动机是汽车的动力源。在行驶过程中汽车实际上受到二元动力的影响：发动机是第一元动力、行驶惯性是第二元动力。下图表示了二元动力模式：

如果不断开离合器，动力将出现三种情况：匀速行驶时发动机输出的动力等于行驶阻力、加速行驶时发动机输出的动力大于行驶阻力、减速行驶时发动机输出的动力小于行驶阻力。也就是说，减速行驶时发动机实际上起到了“刹车”的作用。
换挡时需要断开离合器，整个动力链就会出现两个动力：发动机动力（第一动力元）受到油门和转速的影响、变速器受到汽车惯性（第二动力元）的影响。此时离合器盘处扭矩传递是由较大的一侧向较小的一侧的方向进行。加速（踩油门）升档过程中发动机一侧的扭矩是大于离合器一侧的、转速也高于离合器一侧，所以，离合器接合产生的振动是正向的；当上坡或急加速时，汽车的绝对惯性或相对惯性都大于发动机输出的动力，需要退档（选择较高速比的档位）来提高输出动力，这时发动机一侧的动力和转速小于变速器一侧，所以离合器接合产生的振动是反向的。这就是发动机在退档加速过程中出现各种问题的力学因素。
比较合理的设计是在换档时，第一动力元和第二动力元之间的动力始终处于平衡或者正向状态，振动很小或者振动永远向车轮方向传递；同时，曲轴转速（第一段转速轴）和离合器转速在变速过程中精确匹配。如果能够实现这样的设计，驾驶者就不会感觉到换挡时出现的顿挫等不良感受，也不会发生起步熄火之类的窝心事。遗憾的是使用摩擦原理设计的变速器是无法实现这个目标的。
2、离合器类型
目前主要有手动单离合器、自动双离合器和自动挡的液力变矩器+电磁多离合器几种形式。单离合器已经在前面说的比较多，这里只讨论后两种。
（1）双离合器
从结构角度看，双离合器是一款优化很好的产品。湿式或者干式双离合器把两组摩擦片（曲轴侧一片和变速器侧两片）重叠在一起，加上同轴套管式双轴设计极大地减小了变速箱体积和重量。

使用单离合器（手动挡）几乎没有出现过离合器发热的问题，为什么双离合器会发热、并引起各种故障？问题1是两组离合器处在同一个狭小空间内不利于散热；问题2是换挡时需要两组离合器都进入“半离合（专业人员叫做圆磨）”状态，产生的热量更多。如果把两个离合器分开，尽管存在摩擦结合的缺陷，产热的问题也许会减轻一些。
有一款8速双离合变速箱使用液力变矩器作为连接方式，大大减少了发热和顿挫等缺陷。
（2）液力变矩器+离合器
自动挡使用“液力变矩器+离合器”的设计把离合器片的“硬摩擦”改变成油液的“软摩擦”。这样的设计优点是多组离合器换挡时可以在电磁的驱动下迅速完成“分离”或者“结合”，厂家给出的时间只有0.2秒。其实，变速器在换挡时产生的振动一点也不比其它离合器小，因为时间极短，或许还会大一点，不过这种振动正向传播时，会在车轮上化解；逆向传播时，会被液力变矩器化解，不会传递到发动机。

这种被称为“软连接”的液力变矩器也存在缺陷：发动机的部分输出动力也会在油液中转化成热量、直接导致耗油量较高和传输效率较低；起步和加速时感觉也稍微有点迟钝。只有在锁定液力变矩器时，软连接才会变成硬连接，动力可以从发动机直接传递到车轮。
比较几种离合器设计，液力变矩器+离合器的设计最好。
3、是否可以解决离合器的缺陷
事实上，离合器已经变成了制约汽车发展的关键因素。无论你有多好的发动、多好的变速器，如果继续沿用现在的离合器，效果会大打折扣。如果继续投入大量资金解决离合器缺陷，为什么不能另辟蹊径寻找更科学的解决方案？
离合器的基本作用是：匹配变速转速、半连动和消除扭震等，使用更加精密的“同步器”也完全可以做到。同步器易于控制，几乎可以做到任何情况下的“无感变速”。还可以通过给同步器编写各种程序增加驾驶乐趣，比如：设计师可以根据车型动力配置情况设置出百公里最少加速时间、节油模式、山路模式…，任何人驾驶这款车都可以达到基本相同的标准。
也许有的车友看到这里会产生疑问：那么多知名企业为什么不这样做，中国人能做出来吗？一路走来，中国品牌车企用了太多的精力追赶世界先进水平。其实，代表世界先进水平的知名车企也有很多问题解决不了，比如这里讨论的离合器缺陷。我们不一定要每天抬着头去仰视这些大牌企业，也要学着埋下头多看看基本理论，找找汽车设计中还有那些技术可以改进？
知名品牌没有的技术，中国品牌可以有。