DCT變速器的離合器熱負(fù)荷特性仿真分析

孫 毅，褚超美，顧建華

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海汽車變速器有限公司，上海 201800)

DCT變速器的離合器熱負(fù)荷特性仿真分析

孫 毅1，褚超美1，顧建華2

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海汽車變速器有限公司，上海 201800)

雙離合自動(dòng)變速器在工作過程中，由于離合器摩擦片在滑動(dòng)摩擦過程中產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致摩擦片失效。文中針對(duì)變速器的摩擦片進(jìn)行熱負(fù)荷仿真分析，借助摩擦副的熱流密度模型，通過UG建立了摩擦副的有限元模型，基于ANSYS Workbench分析了摩擦副的油槽寬度和厚度對(duì)接合過程中摩擦片瞬態(tài)溫度場的作用，得到了摩擦副溫度場的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，接合過程中摩擦片表面溫度隨著徑向距離的增加而升高，摩擦片的高溫部分集中在摩擦片表面的外邊緣附近，但在外邊緣處溫度下降，槽寬和厚度對(duì)潤滑油的對(duì)流換熱有一定影響。

雙離合自動(dòng)變速器；油槽；摩擦副; 溫度場；有限元法

雙離合器自動(dòng)變速器(Dual Clutch Transmission，DCT)在結(jié)合過程中，兩個(gè)離合器中的摩擦副由于滑摩產(chǎn)生了大量的摩擦熱，使得摩擦元件在熱應(yīng)力作用下可能產(chǎn)生局部翹曲變形，甚至使摩擦片燒結(jié)粘附使離合器失效。改善DCT離合器摩擦片的耐熱性是提高離合器的使用壽命和工作可靠性的重要措施。

離合器的熱負(fù)荷問題引起了眾多研究人員的關(guān)注。Zhao Shuangmei等[1]提出了關(guān)于二維多片離合器的熱彈性變形模型，分析了材料的特性對(duì)離合器熱機(jī)耦合現(xiàn)象的影響；Yuan等[2]研究了濕式制動(dòng)器脫開狀態(tài)下的流體特性；張金樂等[3]采用ABAQUS軟件對(duì)濕式換擋離合器溫度場的影響因素進(jìn)行了仿真研究；Lai等[4]使用有限容積法對(duì)濕式離合器的三維溫度場進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

但大多數(shù)學(xué)者的研究多集中在摩擦副的溫度場模擬[5]，但生產(chǎn)實(shí)踐表明摩擦副油槽結(jié)構(gòu)以及厚度對(duì)溫度場有一定的影響，本文針對(duì)變速器的摩擦片進(jìn)行熱負(fù)荷仿真分析，首先基于UG建立了奧迪A3雙離合器的摩擦副有限元模型，在ANSYS Workbench平臺(tái)下分析油槽寬和摩擦片的厚度對(duì)溫度場的影響，為優(yōu)化摩擦片結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)。

1 摩擦副模型的建立

1.1 雙離合器接合過程動(dòng)力學(xué)模型的建立

圖1為雙離合自動(dòng)變速器接合過程中在滑摩階段的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡化模型，其中主動(dòng)部分包括發(fā)動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器等，從動(dòng)部分包括變速器的傳動(dòng)系統(tǒng)、聯(lián)軸器、螺旋槳等[7]。在簡化模型時(shí)，默認(rèn)將主從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量全部當(dāng)量到離合器轉(zhuǎn)軸上。此時(shí)忽略離合器各傳動(dòng)元件在接合過程中的彈性變形[8]。

圖1 離合器接合過程模型

忽略旋轉(zhuǎn)阻尼的影響，可以建立接合過程中的動(dòng)力學(xué)方程[9]。主動(dòng)側(cè)

(1)

從動(dòng)側(cè)

(2)

當(dāng)t=0時(shí)，從而可以得到其轉(zhuǎn)速差為[10]

(3)

式中，Jd、Td、?e分別為主動(dòng)側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和角速度；Jr、Tr、ωl分別為其從動(dòng)側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和角速度；T,T′為離合器所需傳遞的摩擦力矩。本文默認(rèn)離合器的工作轉(zhuǎn)速為1 000 r/min[11]，但實(shí)際中離合器結(jié)合時(shí)的轉(zhuǎn)速一般為正常工作轉(zhuǎn)速的65%。

1.2 摩擦副有限元模型的建立

DCT雙離合器由多對(duì)摩擦副組成，每對(duì)摩擦副由對(duì)偶鋼片、摩擦片組成，摩擦片由摩擦襯片和芯片組成。摩擦副中摩擦片的芯片厚度為1 mm，摩擦襯片厚度為1.6 mm；摩擦片外徑R0為96.45 mm,內(nèi)徑Ri為81.45 mm；摩擦鋼片的厚度分別為1 mm、2 mm、3 mm；摩擦片上開有徑向槽，徑向梯形槽寬尺寸分別為1.32 mm、2.29 mm、3.00 mm。摩擦片材料為銅基粉末冶金,對(duì)偶鋼片材料為45鋼,兩種材料的物理特性如表1所示[12]。設(shè)定摩擦副的初始工作溫度和潤滑油的初始溫度均40 ℃。

表1 摩擦片材料性能參數(shù)

2 離合器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)溫度場影響仿真

2.1 雙離合器摩擦副熱負(fù)荷仿真分析

離合器摩擦副熱負(fù)荷是由接合過程中主從動(dòng)摩擦片滑摩產(chǎn)生的。假定接合過程的油壓成線性變化，設(shè)接合初始?jí)毫镻0，接合完成后接合壓力為Ps，則可以建立接合過程中某時(shí)刻的接合壓力模型為

(4)

結(jié)合式(1)和式(2)，可知壓力線性變化時(shí)，單次接合完成所需的時(shí)間為

(5)

摩擦副之間的滑摩產(chǎn)生熱負(fù)荷，摩擦面的熱流密度計(jì)算公式為

q(r,t)=μPrω

(6)

式中，r為摩擦面上的點(diǎn)到圓心的距離。

熱流密度主要與離合器的轉(zhuǎn)速、離合器的結(jié)合時(shí)間、潤滑油壓力、摩擦片的尺寸與摩擦因數(shù)等綜合決定。在摩擦片尺寸、材料等參數(shù)一定的情況下，熱流密度是與時(shí)間、徑向位置相關(guān)的函數(shù)，摩擦面上的熱流密度分布[14]如圖2所示。

圖2 摩擦副熱流密度分布圖

摩擦片的對(duì)流換熱系數(shù)[6]可由式(7)表達(dá)，式中的每個(gè)參數(shù)值都可以在ANSYS Workbench中設(shè)定

(7)

式中，hf為對(duì)流換熱系數(shù)，單位為W/(m2·℃)；Nu為努謝爾特?cái)?shù)，具體設(shè)定參見文獻(xiàn)[15];k為潤滑油的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·℃)；ω為摩擦元件角速度，單位rad/s;v為潤滑油運(yùn)動(dòng)粘度，單位為m2/s。

2.2 雙離合器摩擦副的熱流密度分配

濕式摩擦離合器在接合過程中，受接合壓力的影響發(fā)生相對(duì)滑摩，產(chǎn)生滑摩功，生成熱量，同時(shí)向兩邊擴(kuò)散。由于摩擦鋼片與摩擦片的材料不同，導(dǎo)溫系數(shù)不同，所以熱量向兩邊摩擦片的分配也不相同，則可得熱流密度在摩擦襯片和鋼片之間的分配關(guān)系為[6]

(7)

(8)

式中，κd和κr分別為對(duì)偶鋼片和摩擦襯片的熱傳導(dǎo)率；cd和cr分別為對(duì)偶鋼片和摩擦襯片的比熱容；ρd和ρr分別為對(duì)偶鋼片和摩擦襯片的密度；q(r,t)、qd和qr分別為總熱流密度、分配到對(duì)偶鋼片的熱流密度和分配摩擦襯片的熱流密度。

3 離合器熱負(fù)荷特性仿真分析

3.1 溫度場分析

圖3和圖4展示了摩擦片在接合過程中兩個(gè)時(shí)刻的溫度云圖。由圖可知，離合器摩擦片的表面溫度隨著摩擦片半徑的增大而上升，接合過程中摩擦片的高溫部分集中在其表面的外邊緣處，使得此處易發(fā)生熱失效。在摩擦片接合時(shí)的前期，在半徑方向上的溫度分布不均勻，溫度梯度較大，但到其接合后期，由于摩擦副相對(duì)速度減小，導(dǎo)致滑摩產(chǎn)生的熱流密度的減小以及潤滑油對(duì)流換熱的影響，熱量逐漸傳遞到摩擦副，溫度梯度減小。

圖3 t=0.75 s 的溫度云圖

圖4 t=2 s 的溫度云圖

圖5表示摩擦片的半徑分別為30 mm、60 mm、80 mm和95 mm時(shí)的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度曲線，由圖可知摩擦片徑向溫度分布總體趨勢(shì)是隨半徑增大而升高,但在最大半徑處時(shí)會(huì)下降，原因是由于輸入摩擦片的熱流密度與半徑成正比，熱流密度隨著半徑的增加而增大，從而導(dǎo)致摩擦片溫度的升高，但摩擦片的外邊緣處由于潤滑油對(duì)流換熱的影響，使得摩擦片外邊緣處的溫度下降。

圖5 不同結(jié)點(diǎn)的溫度變化圖

3.2 厚度的結(jié)果分析

將摩擦鋼片的厚度分別設(shè)置為1 mm、2 mm和3 mm，鋼片在接合過程中各自的摩擦溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示，當(dāng)鋼片厚度為1 mm時(shí)，摩擦副的最高溫度可達(dá)157 ℃，而當(dāng)厚度為3 mm時(shí)，最高溫度卻只為153.5 ℃；因此可得，接合完成后離合器對(duì)偶鋼片的熱容量隨著鋼片厚度的增加而上升。并且隨著鋼片厚度的增加，對(duì)偶鋼片的熱容量也不斷的增加，但總熱流量并沒有改變，從而可以降低摩擦片的溫度。

圖6 不同厚度的摩擦副溫度變化圖

3.3 槽寬的結(jié)果分析

將摩擦片的油槽寬度分別設(shè)置為1.32 mm、2.23 mm、3.00 mm，則3種油槽寬度的摩擦片從開始接合時(shí)到2 s內(nèi)各自的溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示，3種油槽寬度的摩擦片上沿徑向的溫度場分布規(guī)律基本一致。當(dāng)油槽寬度為1.32 mm時(shí)，摩擦片在0.763 s時(shí)溫度達(dá)到最大值153.96 ℃；當(dāng)油槽寬度為2.29 mm時(shí)，摩擦片在0.75 s時(shí)溫度達(dá)到最大值150.52 ℃；而當(dāng)油槽寬度為3.00 mm時(shí)，摩擦片在0.74 s時(shí)溫度達(dá)到148.92 ℃。由此可知，接合過程中摩擦片表面溫度隨著油槽寬度的增加而降低，并且達(dá)到最高溫度的接合時(shí)間也隨著油槽寬度的增加而減小。分析原因可知，增加摩擦片油槽寬度沒有改變摩擦片在滑摩過程中產(chǎn)生的總熱流量，但卻增加了潤滑油的容量，從而可以降低離合器接合完成時(shí)溫度。

圖7 不同槽寬溫度隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)束語

采用ANSYS Worbench分析了摩擦片不同油槽寬度的瞬態(tài)溫度場，得出結(jié)論：(1)在接合過程前期，摩擦片沿半徑方向的溫度梯度較大，但后期相對(duì)減小；摩擦片的高溫部分集中在其表面的外邊緣處，所以該處易發(fā)生局部翹曲變形；(2)在接合過程中，摩擦片的表面溫度隨著半徑的增大而升高，但是在其外邊緣處附近由于潤滑油對(duì)流換熱的影響，溫度有所降低；(3)鋼片厚度的增加可以有效地降低摩擦副的溫度，但鋼片的機(jī)械剛度也會(huì)隨之增加，因此設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)增加對(duì)偶鋼片的厚度；(4)增大摩擦片表面的油槽寬對(duì)于減小摩擦片表面溫度有一定作用，并且使其達(dá)到最高溫度時(shí)的接合時(shí)間也相對(duì)提前。但若油槽寬度過大，會(huì)導(dǎo)致鋼片的冷卻油量減少，從而降低鋼片使用壽命。所以在設(shè)計(jì)摩擦片油槽寬度的時(shí)候在允許范圍內(nèi)適當(dāng)增加摩擦片的油槽寬度可以有效緩解離合器摩擦片的熱失效問題。

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Simulation of Thermal Load of the Dual Clutches of Dual Clutch Transmission

SUN Yi1，CHU Chaomei1，GU Jianhua2

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China;2.Shanghai Automobile Gear Works,Shanghai 201800,China)

The friction pair during sliding friction process produce the large amount of heat will cause the thermal failure during the gear box engagement. The article does research on the thermal load of the dual clutch transmission, firstly based on the help of the paper studied the friction pair heat flux model and established an finite element model of the friction pair by UG, This paper also analyze the effect of the width of the groove and the thickness of the friction pair on the transient temperature field by ANSYS Workbench and reveals the change rule of temperature field. Simulation results showed that the temperature of each point on the friction pair increased as the radial distance away from the clutch shaft，and the high temperature zones are near the outer radius of friction pair．However，the temperature dropped when at the largest radius. The different groove width and thickness of the friction have influence in the on the convection heat transfer in a lubricating oil.

dual clutch transmission;oil groove;friction pair;temperature field;finite element method

2016- 06- 02

孫毅(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：雙離合自動(dòng)變速器的摩擦片熱仿真。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.016

U463.2

A

1007-7820(2017)04-064-04