分離式離合器摩擦副有限元熱分析研究

白玉江，李長虹，趙先鋒

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

濕式多片分離式離合器是車輛變速箱動力傳遞的重要部件，它主要依靠摩擦片和對偶鋼片的摩擦作用來傳遞運(yùn)動和扭矩。分離式離合器在頻繁的接合分離過程中，摩擦片、對偶鋼片產(chǎn)生相對滑動，對偶鋼片輸入的功率一部分消耗于克服摩擦做功，這部分功率轉(zhuǎn)換為熱量，使摩擦片溫度升高;同時，由于摩擦副接合分離時間較短，常由于冷卻和散熱不充分而造成其溫度快速升高［1］。由這兩方面的因素引起對偶鋼片的局部燒傷、翹曲等失效現(xiàn)象，從而影響整個動力傳動系統(tǒng)的正常工作。

1 分離式離合器工作原理

圖1 分離式離合器工作原理圖

分離式濕式離合器是使汽車發(fā)動機(jī)與變速箱結(jié)合和分離，從而實現(xiàn)傳遞力和扭矩與變速的重要零部件之一，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由對偶鋼片、摩擦片、軸、液壓活塞、油道、回位彈簧、外轂等零部件構(gòu)成。當(dāng)離合器接合時，工作液壓油就會經(jīng)過油道進(jìn)入活塞右側(cè)的液壓油缸內(nèi)，活塞隨著壓力油壓力的增大向左側(cè)運(yùn)動并逐步推動摩擦片與對偶鋼片接觸到完全壓緊;同時從變速箱傳遞的力和扭矩通過對偶鋼片與摩擦片摩擦作用傳遞到輸出軸上，實現(xiàn)動力傳輸。當(dāng)離合器分離時，控制油路與油箱連通，活塞會隨著液壓油缸液壓力的減小并在回位彈簧的作用下向右側(cè)運(yùn)動，那么對偶鋼片與摩擦片就會在高速旋轉(zhuǎn)下迅速分離，實現(xiàn)動力切斷。

2 摩擦傳熱學(xué)基本理論

2.1 摩擦生熱原理

分離式離合器對偶鋼片與摩擦片的表面有一定的表面粗糙度，當(dāng)摩擦片與對偶鋼片接觸時在表面的微凸體上形成摩擦接觸，對偶鋼片與摩擦片就會因摩擦而產(chǎn)生熱量，形成摩擦生熱。

2.2 傳熱基本理論

用有限元進(jìn)行熱分析時必須要遵守?zé)崃W(xué)第一定律，即能量守恒定律。假設(shè)在進(jìn)行熱分析過程中忽略對偶鋼片與摩擦片的質(zhì)量的磨損，那么熱力學(xué)第一定律可以表達(dá)為［2］:

式中，Q—熱量;W—做功;ΔK—系統(tǒng)動能;ΔU—系統(tǒng)內(nèi)能;ΔP—系統(tǒng)勢能。

2.3 傳熱過程基本分析

熱量從系統(tǒng)的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分或從一個系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個系統(tǒng)的現(xiàn)象叫傳熱。熱傳遞的基本形式有三種:第一種是熱傳導(dǎo)過程，第二種是熱輻射過程，第三種是熱對流過程。

2.3.1 熱傳導(dǎo)過程

完全接觸的兩個物體之間或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換定義為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)速率決定于物體內(nèi)部的溫度場的分布情況。熱傳遞遵循傅里葉定律:

式中:q—熱流密度(W/m2);

K—熱傳導(dǎo)系數(shù)(W/(m·k));

“-”號—熱量流向溫度低的方向。

2.3.2 熱對流過程

對流換熱是指某一固體壁面和它溫度不相同的且與它有著相對運(yùn)動的流體之間發(fā)生接觸時，流體與固體壁面之間的熱量交換現(xiàn)象。對流換熱有兩大類，自然對流換熱和強(qiáng)制對流換熱。對流換熱的基本運(yùn)算公式采用牛頓冷卻公式［2］:

q=h(Ts-Tb)

式中:h—對流換熱系數(shù)(W/m2℃);

Ts—固體壁面溫度(℃);

Tb—周圍流體的溫度(℃)

2.3.3 熱輻射換熱過程

物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程叫做輻射換熱。物體溫度越高，單位時間內(nèi)輻射的熱量越多。某一個表面所能輻射的最大熱流密度我們可以通過斯蒂芬—玻爾茲曼方程計算得出［3］:

Q=εσA0F01(T04-T14)

式中:Q—熱流率;

T0—輻射面0的熱力學(xué)溫度(℃);

T1—輻射面1的熱力學(xué)溫度(℃);

σ—史蒂芬—波爾茲曼常數(shù)(σ=5.67×10-8W/(m2K4));

A0—輻射面0的面積(mm2);

F01—輻射面0到輻射面1的形狀系數(shù)。

3 分離式離合器摩擦副瞬態(tài)熱分析

3.1 摩擦副簡單建模

如圖2所示是在三坐標(biāo)下建立的分離式離合器摩擦副的對偶件，它包括摩擦片與對偶鋼片，摩擦片材料由芯體材料40Cr和表面紙基材料構(gòu)成，對偶鋼片材料是65Mn;離合器摩擦副中對偶鋼片與摩擦片是相間布置的。

圖2 分離式離合器摩擦片與對偶鋼片

對分離式離合器摩擦副的溫度場有限元分析時，為方便研究摩擦片和對偶鋼片的溫度場與應(yīng)力場分布狀況，需要對摩擦片和對偶鋼片進(jìn)行一些假設(shè)［4］:

1)對偶鋼片和摩擦片的接合過程時間較短，因此，可以忽略冷卻和輻射所帶走的熱量。

2)摩擦所產(chǎn)生的熱量全部被對偶鋼片和摩擦片吸收。

3)忽略對偶鋼片和摩擦片在接合過程中的磨損，且對偶鋼片與摩擦片材料的物理性能不隨溫度而變化。

摩擦片襯片材料為紙基摩擦材料，摩擦片芯片材料為40Cr，對偶鋼片的材料為65Mn。摩擦片和對偶鋼片的材料屬性如表1所示。

表1 摩擦片與對偶鋼片材料屬性

3.2 離合器有限元仿真結(jié)果分析

為分析分離式離合器在接合時間和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時應(yīng)力和溫度的變化規(guī)律，按摩擦片與對偶鋼片接合過程時間分別為0.1 s、0.3 s，油壓為2.1 MPa，轉(zhuǎn)速分別為2 500 r/min、5 435 r/min，摩擦系數(shù)為0.15的假設(shè)條件進(jìn)行了有限元仿真計算，結(jié)果如下:

如圖3所示，左圖是對偶鋼片在轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時的應(yīng)力分布圖，整個接合面的應(yīng)力分布相對比較均勻，最大應(yīng)力為6.655 4 MPa;右圖是對偶鋼片在轉(zhuǎn)速為5 435 r/min時的應(yīng)力分布圖，整個接合面的應(yīng)力分布也比較均勻，外邊緣的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為7.689 7 MPa。

圖3 接合時間為0.1 s的對偶鋼片應(yīng)力分布

如圖4所示，左圖是摩擦片在轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時的應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為21.794 MPa;右圖是摩擦片在轉(zhuǎn)速為5 435 r/min時的應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為20.962 MPa;這兩幅圖可以看出接合面上的應(yīng)力分布比較均勻，摩擦片內(nèi)邊緣的應(yīng)力分布比較集中。

圖4 接合時間為0.1 s的摩擦片應(yīng)力分布

圖5所示為結(jié)合面溫度的變化情況。左圖顯示轉(zhuǎn)速為200 r/min時，接合面的最高溫度為123.348℃;右圖顯示轉(zhuǎn)速為5 435 r/min時，接合面最高溫度為241.899℃。說明當(dāng)接合時間一定時，隨著轉(zhuǎn)速增加，摩擦副溫度也會隨之升高。

圖5 接合時間為0.1 s的摩擦副溫度分布

如圖6所示，左圖是對偶鋼片在轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時的應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為6.632 2 MPa;右圖是對偶鋼片在轉(zhuǎn)速為5 435 r/min時的應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為6.632 2 MPa。這兩幅圖可以看出應(yīng)力主要分布在靠近外邊緣的環(huán)形帶上。

圖6 接合時間為0.3 s的對偶鋼片應(yīng)力分布

如圖7所示，左圖是摩擦片在轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時的應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為21.422 MPa;右圖是摩擦片在轉(zhuǎn)速為5 435 r/min時的應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為21.034 MPa;這兩幅圖可以看出接合面上的應(yīng)力分布比較均勻，摩擦片內(nèi)邊緣的應(yīng)力分布比較集中。

圖7 接合時間為0.3 s的摩擦片應(yīng)力分布

圖8所示為結(jié)合面溫度的變化情況。左圖顯示轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時，溫度為192.86℃;右圖顯示轉(zhuǎn)速為54 35 r/min時，溫度為401.156℃。說明當(dāng)接合時間一定時，隨著轉(zhuǎn)速增加，摩擦副溫度也會隨之升高，升高的幅度加大。

圖8 接合時間為0.3 s的摩擦副溫度分布

4 結(jié)論

本文基于ANSYS workbench軟件對分離式離合器摩擦副的應(yīng)力場與溫度場進(jìn)行計算，分析摩擦副不同的接合時間和轉(zhuǎn)速對應(yīng)力分布與溫度分布的影響，雖然不能得到摩擦副溫度的具體分布狀況，但可以得出如下結(jié)論:

1)在接合壓力和摩擦系數(shù)不變的情況下，接合時間和轉(zhuǎn)速變化對對偶鋼片和摩擦片的應(yīng)力變化的影響不是很明顯。對偶鋼片應(yīng)力主要分布在靠近與傳輸動力的輪轂花鍵連接的對偶鋼片外邊緣，摩擦片應(yīng)力主要分布在與輸出動力的軸花鍵連接的摩擦片內(nèi)邊緣。

2)在接合壓力和摩擦系數(shù)不變的情況下，轉(zhuǎn)速和接合時間變化對離合器摩擦副溫度變化的影響較大。隨著轉(zhuǎn)速增加，摩擦副溫度也會隨之升高;結(jié)合時間對摩擦副溫度變化的影響比轉(zhuǎn)速變化的影響更加明顯，并且在高轉(zhuǎn)速的情況下比在低轉(zhuǎn)速的情況下的影響更加明顯。

3)通過分析轉(zhuǎn)速和接合時間對摩擦副溫度分布的影響，為下一步研究摩擦副在空轉(zhuǎn)時由于溫度升高而造成對偶鋼片燒損問題的應(yīng)對措施有一定的參考意義。

［1］ 陸國棟.濕式多片摩擦離合器摩擦副熱分析［D］.重慶:重慶大學(xué)，2011

［2］ 丁建林.濕式多片離合器熱場分析及溫度預(yù)估模型研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2011

［3］ 凌桂龍.熱力學(xué)分析從入門到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2013

［4］ 傅順軍，崔雯，閆濤，等.離合器摩擦片瞬態(tài)摩擦生熱有限元分析研究［C］.機(jī)電設(shè)備，1005-8354(2011)02-0018-03

［5］ 張世軍.濕式摩擦離合器油路流場及摩擦片瞬態(tài)溫度場分析［D］.重慶:重慶大學(xué)，2009

［6］ 高耀東，李新利，等.離合器摩擦片溫度場的有限元分析［J］.煤礦機(jī)械，2007，28(6)

［7］ 周建釗，張輔荃.離合器摩擦片的溫升分析［J］.機(jī)械設(shè)計與研究，1998(1):50-52

［8］ Kennedy F，Ling F.A thermal.Thermoelastic and wear simulation of a high-energy sliding contact problem［J］.ASME，Lubrication Technology，1974，97:497-507

［9］ 霍曉強(qiáng)，劉安.濕式換擋離合器摩擦副瞬態(tài)溫度場的仿真研究［J］.工程機(jī)械，2006，6(3):23-27