濕式多片離合器散熱性能研究

陳遙飛，尤慶坤，魏國(guó)，張勇，司洪來(lái)

（天津一汽夏利汽車股份有限公司 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中心，天津 300190）

濕式多片離合器散熱性能研究

陳遙飛，尤慶坤，魏國(guó)，張勇，司洪來(lái)

（天津一汽夏利汽車股份有限公司 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中心，天津 300190）

給出濕式多片離合器的摩擦熱和對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算方法，用有限元法求解了離合器接合時(shí)摩擦片的溫度場(chǎng)，并對(duì)離合器的冷卻強(qiáng)度進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：冷卻液的溫度與流量對(duì)離合器散熱性能影響極大，是導(dǎo)致摩擦片失效和傳動(dòng)液變質(zhì)的主要因素.

濕式多片離合器；溫度場(chǎng)；冷卻強(qiáng)度；散熱性能

濕式多片離合器具有轉(zhuǎn)矩容量大、使用壽命長(zhǎng)、摩擦性能穩(wěn)定、熱衰退小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種車輛和工程機(jī)械. 但濕式多片離合器接合時(shí)產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)通過(guò)冷卻系統(tǒng)散熱，使?jié)袷蕉嗥x合器摩擦片和對(duì)偶鋼片因熱量累積而產(chǎn)生失效[1-6]. 本文對(duì)某車型的濕式多片離合器在接合過(guò)程中產(chǎn)生的熱量以及冷卻強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)接合狀態(tài)下摩擦片溫度變化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，以期找出影響濕式多片離合器散熱性能的原因.

1 離合器接合過(guò)程的摩擦熱量

離合器接合時(shí)，摩擦片與對(duì)偶鋼片的相對(duì)滑動(dòng)會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，單位面積上單位時(shí)間內(nèi)生成的摩擦熱可用熱流密度表示，其表達(dá)式[7-9]為:式中：r為摩擦片半徑，m；t為摩擦?xí)r間，s；i為第i對(duì)摩擦副，常數(shù)；μ(i,r,t)為摩擦因數(shù)，簡(jiǎn)寫為μ；p(i,r,t)為接合油壓，簡(jiǎn)寫為p，Pa；ω(t)為主、從動(dòng)盤的角速度差，簡(jiǎn)寫為ω，rad/s；q(i,r,t)為熱流密度，簡(jiǎn)寫為q， W/m2.

式中的主、從動(dòng)盤角速度差ω、接合油壓p由試驗(yàn)測(cè)取并進(jìn)行干擾信號(hào)處理，其主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差?N的變化如圖1所示，這里接合油壓p在r的徑向方向上近似不變. 當(dāng)離合器接合油壓為1 MPa，接合時(shí)間為1.355 s時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得的接合油壓p的變化曲線如圖2所示.由圖2可見(jiàn)：接合油壓p在接合過(guò)程中隨著接合時(shí)間增加呈線性變化，當(dāng)完全接合后接合油壓p保持恒定. 摩擦因數(shù)μ是隨半徑r、時(shí)間t等因素變化的量，本文取銅基燒結(jié)粉末冶金摩擦材料滑摩過(guò)程的平均摩擦因數(shù)0.09.

將ω、p、μ代入式（1），通過(guò)編制相關(guān)的計(jì)算程序，可得到摩擦片徑向不同半徑r處不同摩擦?xí)r間t的熱流密度變化曲線，如圖3所示.

圖1 離合器接合時(shí)主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差變化曲線

圖2 試驗(yàn)接合油壓變化曲線

圖3 摩擦片表面熱流密度變化曲線

2 離合器冷卻強(qiáng)度的計(jì)算

2.1 離合器端面對(duì)流換熱系數(shù)

離合器的散熱性能與通過(guò)摩擦片表面和溝槽內(nèi)冷卻液的對(duì)流換熱系數(shù)有關(guān). 由于離合器工作環(huán)境復(fù)雜，對(duì)流換熱系數(shù)隨離合器主從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差、油溫及冷卻液運(yùn)動(dòng)黏度等因素變化，獲取較為困難. 當(dāng)接合油壓建立后，濕式多片離合器摩擦片與對(duì)偶鋼片開(kāi)始?jí)壕o并產(chǎn)生相對(duì)摩擦，當(dāng)摩擦片表面與鋼片壓緊至消除間隙后，摩擦表面主要為熱傳導(dǎo)而無(wú)對(duì)流換熱，端面的對(duì)流換熱可以近似為橫掠圓柱體的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱[10-11]，其表面平均對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：c,n為常數(shù)，由文獻(xiàn)[13-14]取值；λ為冷卻液熱傳導(dǎo)系數(shù)， W/(m2?K )；v0為摩擦片端面運(yùn)動(dòng)線速度，m/s；Pr為普朗特?cái)?shù)，由油品性質(zhì)決定；v為冷卻液的運(yùn)動(dòng)黏度，m/s2；d0為摩擦片及鋼片直徑，m.

冷卻液的普朗特?cái)?shù)由下式計(jì)算得：

式中：cp為冷卻液的質(zhì)量定壓比熱容，J/(kg? K).

選8#傳動(dòng)新油，其物理特性見(jiàn)表1，離合器幾何參數(shù)及熱物理參數(shù)見(jiàn)表2，由式（2）可計(jì)算出不同溫度、不同轉(zhuǎn)速下圓周方向的對(duì)流換熱系數(shù). 離合器端面的對(duì)流換熱系數(shù)變化曲線如圖4所示.

表1 8#傳動(dòng)新油物理特性o(40 C)

表2 銅基燒結(jié)粉末冶金材料摩擦片幾何參數(shù)及物理特性

2.2 離合器徑向油槽對(duì)流換熱系數(shù)

離合器徑向油槽的結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示，傳動(dòng)液以一定的流速由入口進(jìn)入油槽，冷卻液帶走槽內(nèi)的熱量并冷卻離合器后由出口流出. 把徑向油槽槽內(nèi)的對(duì)流傳熱看作管內(nèi)液體的強(qiáng)迫對(duì)流換熱，則當(dāng)雷諾數(shù)Re<2200時(shí)，管內(nèi)流體處于層流流動(dòng)狀態(tài)，層流強(qiáng)迫對(duì)流的平均對(duì)流換熱系數(shù)采用塞得爾（Seider）－塔特（Tate）關(guān)聯(lián)式.

式中：ηf為冷卻液按管內(nèi)液體溫度時(shí)的動(dòng)力黏滯系數(shù)；ηw為冷卻液按管壁溫度時(shí)的動(dòng)力黏滯系數(shù)；公式使用范圍Re< 2 200，Pr=0.5- 1700，ηf/ηw=0.044 - 9.8，RePrde/l> 10.

圖4 摩擦片端面的對(duì)流換熱系數(shù)變化曲線

圖5 矩形油槽結(jié)構(gòu)示意圖

(ηf/ηw)0.14是考慮非等溫流動(dòng)中溫度場(chǎng)對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)h的影響， (de/l)1/3是考慮入口效應(yīng)對(duì)h的影響. 由于液體在徑向油槽停留時(shí)間較短，出入口端的溫差變化不大，可不考慮油槽內(nèi)流體溫度對(duì)h的影響，即 (ηf/ηw)0.14=1. 但油槽徑向面積較小，相對(duì)徑向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以需要考慮 (de/l)1/3對(duì)h的影響. 由于上述公式僅適用于圓管流體流動(dòng)，對(duì)于矩形油槽，需要計(jì)算其等效截面積，油槽的當(dāng)量直徑d=1.6× 10-3m ，當(dāng)8＃傳動(dòng)液?jiǎn)蝹€(gè)油槽流量q

e分別為120，60，30 mL/min時(shí)，經(jīng)計(jì)算槽內(nèi)冷卻液流動(dòng)狀態(tài)均為層流，由公式（4）計(jì)算得槽內(nèi)冷卻液的對(duì)流換熱系數(shù)如圖6所示.

圖6 矩形槽內(nèi)冷卻液在不同流量下的對(duì)流傳熱系數(shù)

3 離合器接合時(shí)的熱傳導(dǎo)過(guò)程分析

濕式多片離合器采用噴油潤(rùn)滑與冷卻，內(nèi)外摩擦片的摩擦面為給定溫度的熱流量邊界條件，摩擦片與冷卻液接觸的表面為對(duì)流邊界條件. 離合器接合過(guò)程是具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)外摩擦片沿軸向移近壓緊，直到全部摩擦片被壓緊并同步旋轉(zhuǎn)為止[12-14]. 接合過(guò)程結(jié)束后，內(nèi)外摩擦片同步旋轉(zhuǎn)，無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，無(wú)摩擦熱產(chǎn)生，而冷卻油繼續(xù)帶走熱量，摩擦片的溫度將逐漸下降，直到內(nèi)外摩擦片溫度均降到與入口冷卻液溫度相等，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡.

利用有限元法對(duì)離合器摩擦片接合過(guò)程進(jìn)行溫度場(chǎng)分析. 徑向槽銅基燒結(jié)材料摩擦片接合時(shí)的溫度場(chǎng)如圖7所示. 沿徑向槽分別取摩擦表面點(diǎn)C1、C2、C3、C4、C5、C6（見(jiàn)圖8），各點(diǎn)溫度變化曲線如圖9所示. 由圖9可見(jiàn)：徑向槽銅基摩擦片表面溫度隨滑摩時(shí)間增加而升高，當(dāng)溫度升高到一定值后開(kāi)始降低，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在點(diǎn)C3處. 由于此處溫度高、散熱效果不好，所以此處將最先出現(xiàn)熱彈性變形而失效. 取半徑r=50 mm，徑向槽內(nèi)部溫度變化曲線如圖10所示. 由圖10可見(jiàn)，油槽內(nèi)部溫度隨滑摩時(shí)間增加而升高，溫度最高達(dá)140 ℃，若冷卻液流通不好，摩擦片將會(huì)因溫度過(guò)高而老化冒煙，因此需要計(jì)算出摩擦表面及溝槽內(nèi)合適的冷卻液流量.

圖7t=1.2 s時(shí)銅基材料摩擦片溫度分布

圖8 徑向槽銅基摩擦片表面溫度采集點(diǎn)

圖9 徑向槽銅基材料摩擦片表面溫度變化曲線

圖10 銅基材料摩擦片徑向溝槽溫度變化曲線

4 離合器冷卻液流量仿真計(jì)算

為了避免離合器摩擦片因局部溫度過(guò)高而失效，可以通過(guò)增大潤(rùn)滑冷卻液流量來(lái)加快離合器的散熱. 潤(rùn)滑冷卻液流量可根據(jù)熱平衡方程計(jì)算，即通過(guò)計(jì)算離合器在接合過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量、潤(rùn)滑冷卻液吸收的熱量及通過(guò)離合器表面散發(fā)到箱體內(nèi)的熱量得出. 冷卻液流量的確定應(yīng)根據(jù)換擋頻率、離合器反復(fù)接合工況計(jì)算. 濕式多片離合器的冷卻液比流量計(jì)算公式[15]如下：

式中：qb為比流量，即單位摩擦表面上的冷卻液流量， m3/(m2?s)；cγ為摩擦片單位體積熱容量，J/(m3?K)；H為摩擦片的厚度，m；cf為冷卻液的單位體積熱容量， J/(m3?K)；t0為摩擦片的冷卻時(shí)間，s；ξ為散熱系數(shù)；ψ為摩擦副表面接觸系數(shù)；θp為沒(méi)有冷卻液時(shí)摩擦片滑摩發(fā)熱的平均溫度，℃；0θ為摩擦片結(jié)合前的表面溫度，℃；

1θ為冷卻液的初始溫度，℃.

假設(shè)離合器摩擦過(guò)程的冷卻時(shí)間t0=2.0 s，離合器摩擦片及冷卻液熱物理參數(shù)見(jiàn)表1、表2，根據(jù)式（5）進(jìn)行冷卻液流量計(jì)算，得出該離合器所需的冷卻液比流量與摩擦副溫度之間的關(guān)系見(jiàn)圖11. 通過(guò)計(jì)算可知：離合器要達(dá)到預(yù)定的冷卻效果，其冷卻液的比流量為q≥ 7× 10?4m3/(m2?s)，進(jìn)而可計(jì)算出離

b合器在單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定冷卻效果時(shí)的總的最小冷卻液流量.

圖11 離合器接合過(guò)程中溫度與比流量的關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)濕式多片離合器的接合規(guī)律，計(jì)算出了基于試驗(yàn)的摩擦熱以及對(duì)流換熱系數(shù)，用有限元法對(duì)離合器接合過(guò)程進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析，并計(jì)算分析了濕式多片離合器摩擦片溝槽的散熱性能，結(jié)果表明：冷卻液溫度及流量對(duì)離合器散熱性能影響較大，設(shè)計(jì)離合器時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮冷卻強(qiáng)度對(duì)摩擦片溫升的影響，采取有效的冷卻方式避免摩擦片失效及傳動(dòng)液變質(zhì)老化.

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[責(zé)任編輯：孫建平]

Research on Heat Dissipation of the Multi-disk Wet Clutch

CHEN Yao-fei, YOU Qing-kun, WEI Guo, ZHANG Yong, SI Hong-lai
(Product Design and Research Institute of Tianjin-FAW XiaLi Automobile Limited Company, Tianjin 300190, China)

An algorithm for friction heat and heat convection coefficient of the wet friction clutch is given. The finite element method for transient temperature field problem is employed to solve the heat transfer process of the friction piece when the clutch is engaged. The calculation results show that temperature and flow of coolant have a great effect on the dissipation performance of the wet clutch. It results in the failure of the wet clutch and deterioration of coolant.

multi-disk wet clutch; thermal field; cooling intensity; heat dissipation performance

TH132.46

A

1006-7302（2010）02-0006-35

2009-11-10

陳遙飛（1981—），男，山東萊陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事車輛動(dòng)力傳動(dòng)與綜合控制研究，E-mail: chenyaofeicqu@163.com.