離合器滑摩過(guò)程及瞬態(tài)溫度分析

易延泰

摘 要：對(duì)離合器接合過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析研究，建立了離合器接合過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)分析接合過(guò)程中轉(zhuǎn)速與摩擦力的大小及變化，得出摩擦片摩擦生熱規(guī)律。最后通過(guò)fluent軟件分析離合器接合過(guò)程中的溫度變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：摩擦片；離合器；瞬態(tài)溫度

在摩擦片式離合器接合過(guò)程中，摩擦片上的摩擦力一方面起到傳遞扭矩的作用，使輸出軸的轉(zhuǎn)速逐漸與輸入軸轉(zhuǎn)速同步；另一方面由于轉(zhuǎn)速差的存在，摩擦力在摩擦表面做功而產(chǎn)生大量的熱。由于接合時(shí)間比較短，因此在短時(shí)間內(nèi)摩擦表面的溫度會(huì)急劇升高。如果摩擦表面層在接觸瞬間的溫升過(guò)高，除了使摩擦系數(shù)急劇改變以外，還會(huì)引起摩擦片的材料結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)生離合器失效等惡劣情況。因此有必要對(duì)摩擦片式離合器接合過(guò)程的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

本文采用理論分析與有限元分析相結(jié)合的方法，首先通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析得出離合器輸入軸與輸出軸相對(duì)轉(zhuǎn)速，結(jié)合試驗(yàn)得到的接合時(shí)間、摩擦片正壓力加載曲線，計(jì)算得到摩擦片表面摩擦生熱量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，然后采用Fluent軟件計(jì)算離合器二維軸對(duì)稱瞬態(tài)溫度場(chǎng)，其中摩擦生熱以內(nèi)熱源的形式加載進(jìn)摩擦表面。

1離合器接合過(guò)程

摩擦式離合器接合過(guò)程分為4個(gè)階段（如圖2所示）：第一階段（0-t1段），油壓逐漸升高推動(dòng)摩擦片作動(dòng)筒軸向運(yùn)動(dòng)，消除摩擦表面間的間隙；第二階段（t1-t2段），當(dāng)間隙消除后，隨著壓力的逐漸增加，摩擦片上的摩擦力逐漸增加，即摩擦扭矩逐漸增大，但此階段摩擦扭矩不足以克服負(fù)載扭矩（包括輸出軸所受到的摩擦阻力扭矩），輸出軸靜止不動(dòng)；第三階段（t2-t3段），油壓進(jìn)一步增加，摩擦片上摩擦力也進(jìn)一步增加，摩擦扭矩大于負(fù)載扭矩，輸出軸轉(zhuǎn)速開始增加，直至輸入輸出軸轉(zhuǎn)速相等，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；第四階段（t3-t4段），輸入軸與輸出軸的角速度達(dá)到穩(wěn)定，油壓繼續(xù)增加到最大，此時(shí)摩擦扭矩最大。

2動(dòng)力學(xué)分析

本試驗(yàn)中輸入軸的轉(zhuǎn)速在接合過(guò)程中保持不變，因此僅需分析輸出軸的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。

在離合器接合第三階段，輸出軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：

式中 為摩擦面上的摩擦驅(qū)動(dòng)力矩， 為輸出軸上的負(fù)載扭矩， 為輸出軸所受到到摩擦阻力矩，J為輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 為輸出軸的角加速度， 為輸出軸轉(zhuǎn)速，t為時(shí)間。

由于摩擦片為盤狀結(jié)構(gòu)，假定接合過(guò)程中摩擦面完全貼合，所受壓強(qiáng)均勻分布，則輸出軸所受摩擦驅(qū)動(dòng)扭矩 為：

式中，z為摩擦副（一對(duì)摩擦面）的數(shù)目，μ為摩擦系數(shù)，P為摩擦面上的正壓強(qiáng)，r1和r2分別為摩擦盤接觸面的內(nèi)徑和外徑。

對(duì)式（2）積分可得：

將公式（3）帶入公式（1）并積分可得：

式中：

由于壓力為線性加載，設(shè)：

將式（6）代入式（4）并積分可得接合過(guò)程（第三階段）中輸出軸轉(zhuǎn)速計(jì)算式：

式中t3≥t≥t2， 。邊界條件為： ， 。式中 為輸入軸轉(zhuǎn)速。

3摩擦生熱分析

一對(duì)摩擦面上單位時(shí)間的總摩擦生熱為：

式中 為輸入軸的轉(zhuǎn)速， 為輸出軸轉(zhuǎn)速。

將式（6）、式（7）帶入式（8）并積分，得

式中：

每個(gè)摩擦面上熱量分配按下式計(jì)算[2]：

式中：

：動(dòng)摩擦片吸熱量

：動(dòng)摩擦片比熱

：動(dòng)摩擦片導(dǎo)熱系數(shù)

：靜摩擦片吸熱量

：靜摩擦片比熱

：靜摩擦片導(dǎo)熱系數(shù)

由于本文的離合器摩擦片均采用同一種材料：碳-碳復(fù)合材料，因此：

3 瞬態(tài)溫度分析

試驗(yàn)參數(shù)見表1。

將試驗(yàn)參數(shù)代入相關(guān)公式，可得輸出軸轉(zhuǎn)速曲線和摩擦生熱曲線，見圖4和圖5。

采用Fluent軟件對(duì)離合器進(jìn)行二維軸對(duì)稱瞬態(tài)溫度計(jì)算，計(jì)算模型見圖6。計(jì)算時(shí)以油壓初始加載的時(shí)刻為0時(shí)刻，油壓逐漸增壓消除間隙到動(dòng)、靜摩擦片剛好接觸的時(shí)間需要約0.72s，靜摩擦片從接觸瞬間到轉(zhuǎn)速達(dá)到輸入轉(zhuǎn)速的時(shí)間約為2.03s（即在2.75s時(shí)刻完成接合），載荷步長(zhǎng)0.01s，計(jì)算時(shí)間為5s，室溫為27℃。摩擦面的摩擦生熱率以內(nèi)熱源的形式平均加載在摩擦面上。在模型外表面加載第三類邊界條件。

在摩擦片上取3個(gè)節(jié)點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)（見圖6），在初始的0.72s內(nèi)因摩擦片未接觸，不產(chǎn)生熱量，摩擦片的溫度不變。之后，摩擦片的溫度迅速上升。從圖7中可見，摩擦面附近的溫度（如節(jié)點(diǎn)1）在接合過(guò)程中快速上升，在接合還未完成時(shí)（大約2.56s時(shí)刻）溫度達(dá)到最大值，然后溫度開始下降。這主要是由于初始時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量因材料熱容的原因，在摩擦表面附近堆積，導(dǎo)致溫度升高；之后由于溫度升高過(guò)快，與周圍的溫差大，熱傳導(dǎo)作用大于摩擦生熱作用，熱量向周圍傳遞，溫度下降；到接合完成后，由于摩擦面不再產(chǎn)生熱量，在熱傳導(dǎo)的作用下，溫度繼續(xù)下降。

離摩擦片稍遠(yuǎn)的位置，如節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3的溫度，在接合過(guò)程中一直處于上升的趨勢(shì)，接合完成一段時(shí)間后溫度才達(dá)到最高值，這是因?yàn)闊崃鱾鲗?dǎo)需要一定的時(shí)間，在摩擦生熱為0時(shí)，仍有熱流傳來(lái)，使其溫度上升。

4 結(jié)論

采用理論分析與有限元分析相結(jié)合的方法，通過(guò)理論分析得出了接合過(guò)程中摩擦式離合器輸出軸的轉(zhuǎn)速及摩擦生熱隨時(shí)間的變化規(guī)律；再通過(guò)有限元軟件對(duì)離合器接合過(guò)程瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，得出了摩擦片在接合過(guò)程中的溫度變化規(guī)律。該方法對(duì)摩擦式離合器滑摩過(guò)程及溫度場(chǎng)分析具有一定的實(shí)際意義。

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