濕式離合器典型工況參數(shù)對(duì)摩擦鋼片溫度場(chǎng)的影響

鄒婷婷,張志剛,陳 瑤,梁美琳

(重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院， 重慶 400054)

隨著自動(dòng)擋乘用車市場(chǎng)占有率逐年增加，濕式離合器由于其具有工作過程摩擦性能穩(wěn)定、故障率低、使用壽命周期長(zhǎng)、傳遞扭矩容量大以及質(zhì)量較干式離合器更輕等優(yōu)點(diǎn)，已大量應(yīng)用于自動(dòng)變速器和濕式雙離合變速器中。濕式離合器在接合的短暫時(shí)間內(nèi)，由于其滑摩過程將大量機(jī)械能轉(zhuǎn)化為摩擦熱，引起摩擦副溫度迅速升高，其中摩擦鋼片溫度升高尤為明顯，很有可能造成摩擦副燒蝕、翹曲變形等故障，最終影響變速器換擋的穩(wěn)定性和可靠性。

國(guó)外早在1974年，F(xiàn).Kennedy[1]為研究摩擦副材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容以及對(duì)偶件的厚度對(duì)摩擦副溫度分布的影響，建立了濕式多片制動(dòng)器的二維模型，而該模型并未考慮摩擦副接觸狀態(tài)以及熱-結(jié)構(gòu)耦合的相關(guān)變化，但該模型為后來研究濕式離合器的溫度奠定了基礎(chǔ)。Zagrodzk P[2]為研究摩擦鋼片的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分布以及非均勻工作油壓對(duì)摩擦鋼片溫度場(chǎng)的影響，建立了濕式多片離合器摩擦副的數(shù)值計(jì)算模型。Grzes[3]通過有限元中熱-結(jié)構(gòu)耦合的方法，研究了工作油壓和摩擦副相對(duì)轉(zhuǎn)速變化對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律。Jie等[4]建立了熱流密度模型和對(duì)流換熱模型，對(duì)濕式多片離合器摩擦副的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)以及接觸壓力變化規(guī)律進(jìn)行了仿真分析。國(guó)內(nèi)賈云海等[5]基于溫升計(jì)算理論和熱傳導(dǎo)基本理論，利用有限元計(jì)算軟件，分析了不同接觸滑磨時(shí)間條件下摩擦副表面的溫度分布，但該結(jié)果只分析了摩擦副表面溫度，而實(shí)際的摩擦熱為三維傳導(dǎo)。張金樂等[6]基于熱傳導(dǎo)模型理論，通過有限元分析軟件，研究了摩擦副轉(zhuǎn)速差、摩擦鋼片厚度以及工作油壓對(duì)濕式換擋離合器摩擦鋼片溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的影響。張家元等[7]基于熱流密度模型原理，利用有限元軟件，采用直接耦合法分析計(jì)算了帶有徑向油槽與周向油槽的濕式離合器摩擦片的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布。馬彪等[8]基于熱交換模型建立了液壓系統(tǒng)熱平衡仿真模型，并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，研究了潤(rùn)滑油流量以及轉(zhuǎn)速差對(duì)濕式換擋離合器溫度的影響。

雖然國(guó)內(nèi)對(duì)濕式離合器熱特性已有一定研究，但都沒有具體分析各工況下摩擦副的徑向、軸向以及周向溫度場(chǎng)分布。本文將通過建立濕式離合器摩擦副三維有限元模型，分析不同工況下摩擦鋼片沿徑向、軸向以及周向的溫度場(chǎng)分布情況。

1 建立有限元模型

濕式離合器摩擦副由一對(duì)環(huán)形摩擦片和摩擦鋼片組成，摩擦片由摩擦芯片和摩擦襯片燒結(jié)而成，通常摩擦片表面密布著各式各樣的油槽。本模型采用帶有徑向槽的摩擦片進(jìn)行建模仿真。摩擦鋼片為與摩擦芯片相同材料的鋼片。由于單一摩擦副的幾何結(jié)構(gòu)、施加載荷以及熱傳遞過程均具有對(duì)稱性，本模型分析采用的摩擦片與鋼片只需各取一半厚度。結(jié)構(gòu)參數(shù)取某自動(dòng)變速器中濕式離合器尺寸，摩擦鋼片的半厚度、內(nèi)徑、外徑以及齒外徑分別為0.9、130、158、162 mm，齒數(shù)為40，摩擦片內(nèi)、外徑分別為130、158 mm，摩擦芯片半厚度為0.4 mm，摩擦材料厚度為0.35 mm。由于本文主要研究對(duì)象為摩擦鋼片，因此本模型忽略了摩擦片的內(nèi)齒。

本文利用有限元軟件ABAQUS 6.14，采用直接耦合法對(duì)濕式離合器摩擦副進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，摩擦鋼片和摩擦片的網(wǎng)格單元類型為六面體溫度耦合單元C3D8RT，摩擦副網(wǎng)格模型如圖1所示。

濕式離合器摩擦副中的摩擦鋼片和摩擦芯片材料選取65#Mn鋼，摩擦襯片材料選取紙基材料，材料參數(shù)如表1所示。

圖1 摩擦副網(wǎng)格模型

表1 濕式離合器材料參數(shù)

本仿真模型主要模擬濕式離合器摩擦副接合時(shí)的滑摩過程，將濕式離合器摩擦副的實(shí)際運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為摩擦鋼片和摩擦片的相對(duì)旋轉(zhuǎn)滑摩過程，設(shè)定摩擦鋼片的轉(zhuǎn)速為零，摩擦片的轉(zhuǎn)速即為摩擦副的轉(zhuǎn)速差。約束摩擦鋼片的X、Y方向的自由度，使其只可以有軸向運(yùn)動(dòng)，在摩擦鋼片遠(yuǎn)離摩擦片側(cè)施加沿Z方向、大小為工作油壓的壓力。約束摩擦片的軸向運(yùn)動(dòng)，即Z方向自由度，使其只能繞軸心自轉(zhuǎn)。選取摩擦片中心點(diǎn)為耦合點(diǎn)，通過控制該點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制摩擦片運(yùn)動(dòng)。

2 熱分析理論

2.1 熱流密度

傳熱學(xué)中熱流密度也叫熱通量，指單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量。濕式離合器接合過程中摩擦副存在變化的轉(zhuǎn)速差，摩擦片和摩擦鋼片由于受壓緊力作用使得摩擦表面產(chǎn)生摩擦力矩，摩擦副相對(duì)滑摩時(shí)摩擦力矩做功產(chǎn)生熱流，這是主要的熱量來源，除此之外，流過濕式離合器的冷卻油的黏性剪切也會(huì)產(chǎn)生部分熱流。由熱流密度定義可得：

(1)

式中:δ為摩擦副實(shí)際接觸與名義接觸的面積比值；φf、φfs為Patir-Cheng剪切流量系數(shù)；η為動(dòng)力黏度；ωrel為摩擦副轉(zhuǎn)速差；h為油膜厚度；fc為滑動(dòng)摩擦因數(shù)；Ps為結(jié)合壓力。由熱流密度數(shù)學(xué)模型可知，熱流密度不僅受滑摩時(shí)間、結(jié)合壓力和相對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，還受徑向位置以及冷卻油黏度等參數(shù)的影響。

2.2 熱流分配系數(shù)

濕式離合器摩擦副滑摩過程產(chǎn)生的熱流密度部分由冷卻散熱帶走，剩下部分被摩擦鋼片和摩擦片吸收，熱流密度在摩擦鋼片和摩擦片之間的分配關(guān)系用熱流分配系數(shù)來描述，其大小主要取決于摩擦副的材料參數(shù)。熱流分配系數(shù)的計(jì)算公式為

(2)

式中：qA、qB分別為摩擦鋼片與摩擦片分配到的熱流密度；kA、kB分別為摩擦鋼片與摩擦片的導(dǎo)熱系數(shù)；ρA、ρB分別為摩擦鋼片與摩擦片的密度；cA、cB分別為摩擦鋼片與摩擦片的比熱容。從熱流分配系數(shù)的數(shù)學(xué)模型可得出，影響摩擦副熱流分配系數(shù)的材料參數(shù)有導(dǎo)熱系數(shù)、密度以及比熱容等。

2.3 對(duì)流散熱系數(shù)

濕式離合器摩擦副滑摩過程產(chǎn)生熱流密度部分被潤(rùn)滑油帶走，潤(rùn)滑油在摩擦副表面以層流、過渡層流以及紊流的形式流動(dòng)，常用雷諾數(shù)來區(qū)分判定流體的流動(dòng)形式。當(dāng)雷諾數(shù)小于2×105時(shí)，潤(rùn)滑油以層流的形式流動(dòng)；當(dāng)雷諾數(shù)為2×105～2.5×105時(shí)，潤(rùn)滑油以過渡層流的形式流動(dòng)；當(dāng)雷諾數(shù)大于2.5×105時(shí)，潤(rùn)滑油以紊流的形式流動(dòng)。雷諾數(shù)的計(jì)算公式為

(3)

層流時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式為

(4)

過渡層流時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式為

(5)

紊流時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式為

(6)

式中:ρ、υ、c、k分別為潤(rùn)滑油的密度、黏度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；r為摩擦副表面任意點(diǎn)半徑；ω為摩擦副轉(zhuǎn)速差；m為摩擦副表面溫度沿徑向分布的指數(shù)常數(shù)。

3 仿真計(jì)算與分析

3.1 典型工況摩擦鋼片溫度場(chǎng)分析

利用有限元軟件ABAQUS6.14對(duì)濕式離合器摩擦副進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，模擬濕式離合器在換擋過程中的真實(shí)結(jié)合滑摩過程，自動(dòng)換擋變速箱換擋時(shí)離合器摩擦副轉(zhuǎn)速差在1 000 r/min左右最普遍，因此本典型工況分析摩擦副初始滑摩轉(zhuǎn)速差為1 000 r/min。設(shè)定摩擦副接觸至同步時(shí)間為0.5 s，在摩擦鋼片遠(yuǎn)離摩擦片側(cè)施加工作油壓，油壓由0在0.15 s內(nèi)線性上升至1.4 MPa，0.15～0.5 s內(nèi)油壓穩(wěn)定不變，得到在滑摩結(jié)束時(shí)的摩擦鋼片的溫度場(chǎng)分布情況。

仿真結(jié)果溫度云圖如圖2所示。圖2(a)為摩擦鋼片與摩擦片接觸表面的溫度云圖，從圖中可得出：摩擦鋼片的最高溫度達(dá)到148 ℃，溫度沿周向分布基本均勻，在表面形成一系列等溫的環(huán)帶，最高溫度出現(xiàn)在摩擦鋼片中間部分，溫度沿徑向兩邊逐漸降低，最低溫度出現(xiàn)在摩擦鋼片的外齒處，主要是由于外齒不參與摩擦副的滑摩過程，同時(shí)又增加了散熱面積。圖2(b)為摩擦鋼片的截面溫度云圖，截面的左側(cè)為與摩擦片接觸面。從該圖中可看出：對(duì)初始滑摩轉(zhuǎn)速差為1 000 r/min時(shí)，摩擦鋼片溫度場(chǎng)沿軸向分布基本均勻，由于溫度由摩擦副接觸面?zhèn)髦练墙佑|面，接觸面局部高溫區(qū)域略大于非接觸面，截面高溫區(qū)域形成一個(gè)梯形區(qū)域。圖2(c)為局部放大圖，從該圖可明顯看出：由于外齒的存在，摩擦鋼片外側(cè)溫度分布并不像內(nèi)側(cè)一樣均勻，由于外齒處會(huì)吸收部分熱量導(dǎo)致摩擦鋼片外側(cè)有齒處溫度較低，無齒處溫度較高，最終導(dǎo)致摩擦鋼片外側(cè)溫度沿周向呈波浪狀的溫度分布。

3.2 轉(zhuǎn)速差對(duì)鋼片溫度場(chǎng)的影響

自動(dòng)換擋變速箱在換擋過程中離合器摩擦副轉(zhuǎn)速差主要集中在3 000 r/min以下，因此分析在保持工作油壓施加不變情況下，濕式離合器摩擦副初始滑摩轉(zhuǎn)速差分別為500、1 000、1 500、2 000和2 500 r/min時(shí)當(dāng)滑摩結(jié)束時(shí)摩擦鋼片溫度沿徑向、軸向和周向3個(gè)方向的分布情況。

圖2 摩擦鋼片溫度云圖

圖3 摩擦鋼片徑向溫度分布圖

滑摩結(jié)束時(shí)不同初始滑摩轉(zhuǎn)速差下的摩擦鋼片溫度沿徑向分布曲線如圖3所示，由圖3可見：隨著初始滑摩轉(zhuǎn)速差增加，摩擦鋼片的溫度整體升高，摩擦鋼片溫度中間高、沿徑向兩側(cè)遞減的趨勢(shì)不變；最低溫仍出現(xiàn)在摩擦鋼片外齒處，但隨著轉(zhuǎn)速差的增加，最高溫度由500 r/min時(shí)的104 ℃升高到了2 500 r/min時(shí)的282 ℃；摩擦鋼片沿徑向溫度梯度明顯變大，徑向最大溫差由500 r/min時(shí)的30℃增加到了2 500 r/min時(shí)的210 ℃。

從圖4摩擦鋼片截面溫度云圖中可看出：軸向溫度梯度仍比較均勻，但隨著初始滑摩轉(zhuǎn)速差的增大，摩擦鋼片與摩擦片的接觸面至非接觸面的高溫區(qū)形成的梯形區(qū)域有所變小，且高溫區(qū)形狀由矩形變?yōu)樘菪蔚内厔?shì)更加明顯；軸向溫度梯度隨著初始滑摩轉(zhuǎn)速差的增加有所增大。

圖4 摩擦鋼片截面溫度云圖

從圖5摩擦鋼片局部放大溫度云圖中可看出：摩擦鋼片溫度周向基本分布均勻；但由于摩擦鋼片外齒的存在，摩擦鋼片外側(cè)成波浪形波動(dòng)；隨著摩擦副初始滑摩轉(zhuǎn)速差的增加，摩擦鋼片外側(cè)溫度沿周向波動(dòng)逐漸變小，并且隨著初始滑摩轉(zhuǎn)速差的增大高溫區(qū)環(huán)帶變小，高溫區(qū)更集中。

圖5 摩擦鋼片局部放大溫度云圖

3.3 工作油壓對(duì)摩擦鋼片溫度場(chǎng)的影響

在保持摩擦副初始滑摩轉(zhuǎn)速差為1 000 r/min時(shí)，工作油壓施加分別如圖6所示3種方式，分析滑摩結(jié)束時(shí)摩擦鋼片溫度場(chǎng)沿徑向、軸向和周向3個(gè)方向的分布情況。

滑摩結(jié)束時(shí)，不同工作油壓施加速度下摩擦鋼片溫度沿徑向分布曲線如圖7所示。由圖7可見：工作油壓施加速度對(duì)摩擦鋼片溫度沿徑向分布情況影響不大，整體趨勢(shì)均為中間部分溫度最高，由摩擦鋼片中間沿徑向至兩端溫度逐漸降低，最低溫出現(xiàn)在摩擦鋼片外齒處。由圖7可得出：當(dāng)滑摩同步時(shí)間一定時(shí)，油壓加載速度越快，滑摩過程產(chǎn)生的熱量越多，摩擦鋼片溫升越高，徑向方向溫度梯度越大。

圖6 工作油壓施加圖

從圖8、圖9可得出：在初始滑摩轉(zhuǎn)速差為1 000 r/min時(shí)，工作油壓施加速度變化對(duì)摩擦鋼片軸向和周向的溫度分布影響較小；在3種工作油壓作用下，摩擦鋼片的溫度沿軸向都較均勻，并且高溫區(qū)域略呈梯形狀；除摩擦鋼片外側(cè)溫度由于外齒的影響呈波浪狀外，大部分區(qū)域溫度沿周向均為等溫環(huán)帶狀。

圖9 摩擦鋼片局部放大溫度云圖

4 結(jié)論

1) 濕式離合器摩擦副滑摩結(jié)束后，摩擦鋼片表面最高溫度出現(xiàn)在中間位置，由中間沿徑向至兩端溫度逐漸降低，最低溫出現(xiàn)在摩擦鋼片外齒處；溫度沿軸向方向基本均勻，高溫區(qū)域由與摩擦片接觸面至非接觸面略有減?。粶囟妊刂芟蚧境室幌盗芯鶆颦h(huán)帶狀，摩擦鋼片外側(cè)由于外齒的影響溫度分布呈波浪狀。

2) 隨著初始滑摩轉(zhuǎn)速差的增加，摩擦鋼片最高溫上升，并且由中間至兩端的溫度梯度變大；沿軸向方向溫度基本均勻，轉(zhuǎn)速差由500～2 500 r/min摩擦鋼片截面高溫區(qū)域變小且高溫區(qū)梯形狀更明顯；沿周向方向溫度基本均勻，轉(zhuǎn)速差由500～2 500 r/min摩擦鋼片溫度外側(cè)波浪狀區(qū)域變小，摩擦鋼片整體溫度沿周向更均勻。

3) 相同滑摩時(shí)間隨著工作油壓施加速度加快，摩擦鋼片最高溫度有所升高，由中間沿徑向至兩端溫度逐漸降低的趨勢(shì)基本不變；工作油壓變化對(duì)摩擦鋼片軸向和周向的溫度分布影響較小。

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