基于ABAQUS的濕式離合器摩擦副溫度場(chǎng)有限元模擬

吳 瑾 ，李 樂(lè) ，王立勇 ,2

（1.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

0 引言

濕式離合器作為汽車(chē)在起步和換擋時(shí)重要工作部分，離合器的主要部件是摩擦副，摩擦副由對(duì)偶鋼片和摩擦片組成，摩擦片則由摩擦襯片和摩擦基片燒結(jié)而成。濕式離合器比干式離合器磨損小、性能穩(wěn)定、工作壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)矩容量大、控制簡(jiǎn)單、接合平穩(wěn)。在離合器結(jié)合的短暫時(shí)間內(nèi)，對(duì)偶鋼片和摩擦片之間的摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，使對(duì)偶鋼片和摩擦片的溫度升高，致使離合器失效。實(shí)驗(yàn)表明，濕式換擋離合器的失效形式通常是因?yàn)閾Q擋瞬間溫升過(guò)高，盤(pán)面溫度和應(yīng)力梯度過(guò)大，從而導(dǎo)致摩擦副的翹曲變形，甚至燒結(jié)為一體。因此，研究離合器在一般接合過(guò)程中摩擦副的溫度場(chǎng)變化，可以為離合器摩擦副溫度變化的研究提供參考模型。使用ABAQUS建立濕式接合離合器摩擦副的3D有限元模型，考慮摩擦接觸、相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和熱機(jī)耦合等因素，研究接合過(guò)程影響摩擦副接觸表面的溫度場(chǎng)分布的一些情況。

圖1 濕式離合器摩擦副鋼片和摩擦片有限元模型

1 三維有限元模型的建立

濕式換擋離合器是很多片環(huán)狀對(duì)偶鋼片和摩擦片相間分布組成的，見(jiàn)圖1。由于離合器摩擦副結(jié)構(gòu)和載荷的軸對(duì)稱(chēng)性，只需取一對(duì)摩擦副進(jìn)行分析，且摩擦片和對(duì)偶鋼片各取1/2厚度。一般情況下濕式摩擦片表面具有油槽，但一般情況下油槽結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響可以忽略，故不考慮油槽的影響。此外，對(duì)摩擦片結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，認(rèn)為摩擦片表面是平的。

1.1 摩擦生熱原理

摩擦副接合界面間摩擦生成的熱量可用熱流密度描述，見(jiàn)式（1）。

其中，μ 為摩擦因數(shù)，p 為接觸壓力（MPa），ω（t）為相對(duì)角速度（rad/s），r為半徑（mm），t為摩擦?xí)r間（s）。熱流總量均與上述因素有關(guān)，。

摩擦生成的熱量在鋼片和摩擦片間根據(jù)比例系數(shù)K進(jìn)行分配，見(jiàn)式（2）。

其中，K是熱分配比例系數(shù)，與材料導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱容C（j/（kg·℃））、密度（（kg/m3））相關(guān)，由材料自身性質(zhì)所決定；下標(biāo)f和s分別表示摩擦片和鋼片。

1.2 對(duì)流換熱

濕式離合器工作時(shí)，冷卻油經(jīng)離合器軸向孔道和徑向孔道高速?lài)姵?，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和離心力作用下沿油槽由內(nèi)徑向外徑處流動(dòng)，最后在外環(huán)面處流出。根據(jù)冷卻油的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將整個(gè)冷卻過(guò)程等效為3種不同的對(duì)流換熱模型。

冷卻油在摩擦片間的流動(dòng)既有切向流速，又受離心力作用，將其等效為非圓形內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流換熱模型，對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算，見(jiàn)式（3）。

鋼片與摩擦片間存在相對(duì)滑動(dòng)，冷卻油在摩擦副片間流動(dòng)的時(shí)候掃略過(guò)鋼片接觸面，其可以等效為橫掠平板對(duì)流換熱，其對(duì)流換熱系數(shù)，見(jiàn)式（4）。

摩擦副的外端面處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，與外界環(huán)境中的空氣存在對(duì)流換熱作用，可以等效為橫掠圓柱體強(qiáng)制對(duì)流換熱模型，其對(duì)流換熱系數(shù)，見(jiàn)式（5）。

其中，hf，hs，hC依次為摩擦片接觸面、鋼片接合面、摩擦副外端面的對(duì)流換熱系數(shù)；ReL，Rer，ReC依次為冷卻3種同流動(dòng)模型下的臨界雷諾數(shù)；λL，λA分別為冷卻油液和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；PrL，PrA分別為冷卻油液和空氣的普朗特?cái)?shù)；de，dL分別為當(dāng)量直徑和摩擦副外徑(mm)；lr為油槽特征長(zhǎng)度（mm）。

1.3 材料特性

本研究對(duì)象濕式多片離合器采用的摩擦片由65Mn芯板和粉末冶金工藝制造的以銅鍍層組成，對(duì)偶鋼片材料為65Mn鋼，摩擦片內(nèi)徑與外徑分別為85 mm和125 mm，厚度為2 mm；對(duì)偶鋼片內(nèi)外徑為85 mm和125 mm，厚度為3 mm，鋼片外齒數(shù)為18，幾何尺寸見(jiàn)表1。

表1 摩擦副幾何尺寸

摩擦副材料屬性，見(jiàn)表2。

表2 摩擦副材料屬性參數(shù)

在模擬仿真設(shè)置中，假設(shè)摩擦材料各項(xiàng)同性，摩擦過(guò)程中溫升明顯，對(duì)偶鋼片導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化，如表3所示。

2 摩擦副溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

考慮在濕式離合器的工作過(guò)程，設(shè)定摩擦副初始油溫環(huán)境溫度設(shè)置為25℃，采用熱機(jī)耦合的方法，得到的對(duì)偶鋼片溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律。

由圖2所示對(duì)偶鋼片溫度分布情況，在離合器摩擦副接合初期，對(duì)偶鋼片盤(pán)面溫度分布差異不明顯，隨著時(shí)間的推移，對(duì)偶鋼片外圓和中間位置溫度逐漸升高，溫度梯度明顯，盤(pán)面中間位置高溫區(qū)呈圓環(huán)分布，且圓環(huán)帶隨時(shí)間的增加逐漸變寬，摩擦副接合后期，盤(pán)面溫度呈中間高，兩側(cè)低的對(duì)稱(chēng)分布，且最高溫出現(xiàn)在中間圓環(huán)位置，外圓位置轉(zhuǎn)速較高，對(duì)流換熱量較大，內(nèi)圓位置一直有冷卻油流過(guò)，熱量也不會(huì)積聚過(guò)多，所以?xún)蓚?cè)溫度較低。盤(pán)面溫度梯度的增長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致熱失穩(wěn)現(xiàn)象；在多次高壓力，高轉(zhuǎn)速接合下對(duì)偶鋼片會(huì)產(chǎn)生熱彈性變形。在t=0.4 s時(shí)，對(duì)偶鋼片的最高溫度達(dá)到最大值，原因是在t=0.01 s時(shí)施加了瞬時(shí)作用力。

表3 對(duì)偶鋼片導(dǎo)熱系數(shù)

圖2 對(duì)偶鋼片溫度分布云圖

3 結(jié)論

鋼片接觸面的溫度場(chǎng)是非均布的，溫度場(chǎng)的瞬態(tài)變化規(guī)律，在離合器摩擦副接合過(guò)程中，盤(pán)面溫度呈中間高，兩側(cè)低的對(duì)稱(chēng)分布，且溫度場(chǎng)形成的圓環(huán)帶隨時(shí)間的增加逐漸變寬，但到達(dá)一定的時(shí)間后溫度不再增加。離合器摩擦副接合過(guò)程中高溫區(qū)出現(xiàn)在中外圓位置，沿周向呈圓環(huán)分布但不呈連續(xù)帶狀，徑向溫度存在明顯梯度，盤(pán)面中間溫度高邊緣低。

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