干式雙離合器熱力學(xué)特性分析

田杰 卜修全 王曉慶

摘 要：干式雙離合器頻繁的分離和結(jié)合過程會產(chǎn)生大量的摩擦熱，因此離合器各零件溫度不宜過高。本文針對離合器的溫度場變化情況，建立了發(fā)動機(jī)動力學(xué)模型、傳動模型，然后對離合器的兩種起步工況進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合分析，確保離合器在適宜的溫度下正常工作。

關(guān)鍵詞：模型; 雙離合器; 熱應(yīng)力; 熱耦合

中圖分類號：U463.212? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）10-207-002

干式雙離合器有傳動效率高、質(zhì)量輕、價格便宜等優(yōu)點，且在換擋過程中能夠通過兩個離合器的精確切換，實現(xiàn)動力的不間斷傳遞，同時在經(jīng)濟(jì)性、動力性和舒適性等方面表現(xiàn)突出。頻繁的分離和結(jié)合過程使離合器摩擦副主動部分和從動部分相互作用，產(chǎn)生大量的摩擦熱，引起離合器的溫度迅速升高，若熱量得不到及時散發(fā)，會引起雙離合器摩擦副零部件溫度過高甚至燒毀摩擦片。因此對離合器的熱應(yīng)力分析就極為重要。熱應(yīng)力分析是有限元分析[1-3]的一種，本文將利用它研究離合器耦合場問題。

1.車輛動力學(xué)建模與幾何模型的建立

1.1發(fā)動機(jī)動力學(xué)模型

與換檔過程離合器的滑摩所產(chǎn)生的熱量相比，汽車起步過程產(chǎn)生的熱量更多，更容易造成離合器失效。因此本文選取汽車的起步工況，對干式雙離合器進(jìn)行熱力分析。為了給熱力分析提供準(zhǔn)確的邊界條件，現(xiàn)對汽車起步過程進(jìn)行動力學(xué)分析。

為了仿真起步過程中汽車的動力學(xué)特性，需要建立準(zhǔn)確的發(fā)動機(jī)動力學(xué)模型，確定汽車在起步過程中節(jié)氣門開度與輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系。本文通過檢測發(fā)動機(jī)在某一固定油門開度和轉(zhuǎn)速下輸出的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩，得到發(fā)動機(jī)動力特性數(shù)據(jù)表，再通過樣條差值的方法確定發(fā)動機(jī)油門開度、轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩的曲線。

1.2傳動系統(tǒng)模型

為了分析汽車起步過程中雙離合器的動力學(xué)特性，還需建立傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型。汽車傳動系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多質(zhì)量、多自由度系統(tǒng)，不易對其進(jìn)行精確建模仿真，故在保證傳動系統(tǒng)力學(xué)特性和計算精度前提下進(jìn)行以下假設(shè)：（1）系統(tǒng)是由無彈性的慣性元件組成;（2）忽略軸的橫向振動、系統(tǒng)的間隙和阻尼。

根據(jù)以上假設(shè)將其傳動系統(tǒng)簡化為一個離散化的當(dāng)量系統(tǒng)，并建立裝配干式雙離合自動變速器汽車的起步過程動力學(xué)模型。其中離合器主動盤之前的轉(zhuǎn)動慣量向離合器輸入軸轉(zhuǎn)化，離合器從動盤后的轉(zhuǎn)動慣量向變速器輸出軸轉(zhuǎn)化。對于裝配干式雙離合自動變速器的汽車，其起步模式可以分為單離合器起步和雙離合器起步兩種起步模式。其中，單離合器起步模式又可分為單離合器Ⅰ檔起步和單離合器Ⅱ檔起步;雙離合器起步模式可分為雙離合器Ⅰ檔起步和雙離合器Ⅱ檔起步。單離合器Ⅰ檔起步是由離合器K1完成起步過程。單離合器Ⅱ檔起步是由離合器K2完成起步過程。雙離合器Ⅰ檔起步是指汽車起步初始階段離合器K1、K2同時參與汽車的起步過程，當(dāng)離合器K1主動部分與從動盤相對轉(zhuǎn)速達(dá)到一定目標(biāo)閥值時，離合器K2不再參與起步過程，且離合器K1繼續(xù)結(jié)合，直至主從動盤同步，完成汽車起步過程。雙離合器Ⅱ檔起步是指汽車起步初始階段離合器K1、K2同時參與汽車起步過程，當(dāng)離合器K1主動部分與從動盤相對轉(zhuǎn)速達(dá)到一定目標(biāo)閥值時，離合器K1不再參與起步過程，且離合器K2繼續(xù)結(jié)合，直至主從動盤同步，完成汽車起步過程[4]。

1.3幾何模型、材料模型的建立

在結(jié)合過程中，摩擦副不同的接觸區(qū)域會產(chǎn)生不同的熱應(yīng)力和熱變形，使離合器內(nèi)部產(chǎn)生分布不均的熱應(yīng)力和熱變形。而分布不均的熱應(yīng)力使得摩擦副上產(chǎn)生高溫點，加快了溫度場的不均勻。中間驅(qū)動盤和壓盤在熱-應(yīng)力耦合作用下會出現(xiàn)翹曲、裂紋。因此對干式雙離合器進(jìn)行熱-力耦合分析，研究其在結(jié)合過程中的溫度-應(yīng)力耦合場變化情況。直接耦合法、間接耦合法是熱-應(yīng)力耦合分析的主要研究方法。由于直接偶合法計算精度要高于間接耦合法，因此本文采用直接耦合對干式雙離合器進(jìn)行熱-力耦合分析。

在對離合器K1進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合研究時，主要關(guān)注其壓盤耦合場、中間驅(qū)動盤耦合場、摩擦片耦合場。為方便對單個零件進(jìn)行耦合場分析，在不影響分析精度的情況下，把這些零件從干式雙離合器中分離出來，并且對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，忽略摩擦片上的溝槽、零件上過小的圓角，以方便其熱-應(yīng)力耦合特性有限元分析[5]。用軟件CATIA建立離合器K1簡化三維實體模型，將簡化三維實體模型以*.STP格式導(dǎo)入到軟件ABAQUS中，并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，其中所選取的單元類型為DC3D8，單元總數(shù)為30401。

離合器摩擦片材料為銅基粉末冶金材料，其材料特性呈現(xiàn)各項異性的特征，準(zhǔn)確測量材料的物理特性相當(dāng)困難，故將其認(rèn)為是各向同性材料，且認(rèn)為材料物理特性參數(shù)不隨溫度和時間的變化而變化。離合器壓盤和中間驅(qū)動盤材料為鑄鐵，也認(rèn)為其材料為各向同性材料，且材料物理特性參數(shù)不隨溫度和時間的變化而變化[6]。

2.雙離合器溫度場分析

2.1對流換熱系數(shù)的確定

干式雙離合器的結(jié)構(gòu)和冷卻方式都影響著對流換熱系數(shù)的大小。關(guān)于對流換熱系數(shù)的公式都只能計算出近似的換熱系數(shù)，計算時只要仿真結(jié)果和實際值偏差在30%以內(nèi)，那就認(rèn)為對流換熱系數(shù)的取值合理。干式雙離合器壓盤、中間驅(qū)動盤與空氣的對流換熱為強(qiáng)制對流換熱，其對流換熱系數(shù)可由盤式對流換熱系數(shù)經(jīng)驗公式得到。

2.2熱量分配因數(shù)的確定

本文已假設(shè)滑摩產(chǎn)生的熱量全部被摩擦副吸收，吸收的這部分熱量在中間驅(qū)動盤、壓盤和摩擦片接觸表面進(jìn)行分配，其分配系數(shù)為Kq，輸入到中間驅(qū)動盤和壓盤的熱流密度為q1，摩擦片的熱流密度為q2[7]。經(jīng)計算得到，在中間驅(qū)動盤-摩擦片接觸對和壓盤-摩擦片接觸對中前者與后者的熱量分配比為61.45%、38.55%。

2.3有限元邊界條件施加

（1）建立接觸對：定義接觸屬性，建立中間驅(qū)動盤-摩擦片和壓盤-摩擦片之間的接觸對，其中設(shè)置摩擦熱量分配比為61.45%、38.55%。

（2）確定熱邊界條件：忽略材料的磨損現(xiàn)象，認(rèn)為離合器滑摩產(chǎn)生的熱全部被摩擦副吸收;假設(shè)摩擦片摩擦因數(shù)不隨溫度的升高而發(fā)生改變，在分析中還假定中間驅(qū)動盤和壓盤固定不動，摩擦片做減速運(yùn)動，轉(zhuǎn)速大小為△n。

（3）確定位移邊界條件;摩擦片繞其軸線旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為Δn;中間驅(qū)動盤在其凸耳處施加全約束;壓盤在其凸耳處約束X軸、Y軸方向的位移，在Z軸方向上施加力F。

3.熱-應(yīng)力耦合仿真分析

3.1單次起步工況

（1）壓盤耦合場分析

由汽車起步過程壓盤不同時刻的熱-應(yīng)力耦合場分布云圖得出以下結(jié)論：隨著時間變化，壓盤的應(yīng)力場和溫度場相互耦合不斷變化;開始壓盤的應(yīng)力和溫度隨著時間推移逐漸升高，當(dāng)它們各自達(dá)到最高值后又隨時間推移逐漸減小;在這一過程中壓盤的最高應(yīng)力值為57.27MPa，最高溫度值為57.39℃6，出現(xiàn)時刻t分別為1.60s、1.15s;在壓盤熱負(fù)荷特性分析時，壓盤最高溫度為58.94℃，兩者相差2.7%，這個誤差是可以接受的;同時可以看出，壓盤最高應(yīng)力小于材料抗拉極限，說明壓盤符合強(qiáng)度設(shè)計要求。

（2）中間驅(qū)動盤耦合場分析

由汽車起步時離合器中間驅(qū)動盤不同時刻的熱-應(yīng)力耦合場分布云圖得出以下結(jié)論：隨著時間變化，中間驅(qū)動盤的應(yīng)力場和溫度場相互耦合不斷變化;開始中間驅(qū)動盤的應(yīng)力和溫度隨著時間推移逐漸升高，當(dāng)它們各自達(dá)到最高值后又隨時間推移逐漸減小;這一過程中，中間驅(qū)動盤的最高應(yīng)力為37.60MPa，最高溫度為55.70℃，出現(xiàn)時刻t分別為1.60s、1.09s;壓盤熱負(fù)荷特性分析時最高溫度為59.52℃，兩者相差6.85%，這個誤差是可以接受的。同時可以看出，中間驅(qū)動盤最高應(yīng)力小于材料抗拉極限，說明離合器中間驅(qū)動盤設(shè)計符合強(qiáng)度要求。

（3）摩擦片耦合場分析

由汽車起步時離合器摩擦片不同時刻熱-應(yīng)力耦合場分布云圖得出以下結(jié)論：隨著時間變化，摩擦片的應(yīng)力場和溫度場相互耦合不斷變化;開始摩擦片的溫度場隨著時間推移逐漸升高，當(dāng)達(dá)到最高值后又隨時間推移逐漸減小;在這一過程中摩擦片的最高溫度為55.60℃，出現(xiàn)時刻t=1.15s;摩擦片熱負(fù)荷特性分析時，其最高溫度為52.01℃，溫度高出6.49%，這主要是由于離合器在結(jié)合過程中，出現(xiàn)了翹曲現(xiàn)象，引起摩擦片局部溫度升高;摩擦片的應(yīng)力在離合器結(jié)合過程中，在不斷的變化，其最大應(yīng)力為23.57MPa，出現(xiàn)在時刻t=0.84s。

通過壓盤和中間驅(qū)動盤參與摩擦表面上節(jié)點軸向位移分布圖可知，由于熱變形不均勻，壓盤和中間驅(qū)動盤沿圓周方向發(fā)生了波浪形的翹曲現(xiàn)象。這種變形會引起壓盤和中間驅(qū)動盤表面壓力分布不均勻，導(dǎo)致摩擦表面產(chǎn)生不均勻的熱量，壓力高的部分溫度高，壓力低的部分溫度低;溫度的不均勻又加劇了翹曲變形的程度。

壓盤和中間驅(qū)動盤的翹曲危害有：（a）對摩擦副材料的影響：使摩擦副的摩擦表面產(chǎn)生局部高溫點，進(jìn)而加劇摩擦材料的熱衰退和局部磨損，降低離合器整體壽命。（b）對離合器使用性能的影響：離合器正常工作時，壓盤、摩擦片、中間驅(qū)動盤完全貼合在一起，但由于翹曲現(xiàn)象的發(fā)生，使得以上摩擦副表面出現(xiàn)間隙，引起摩擦面積減小，導(dǎo)致離合器傳遞扭矩能力降低。為保證離合器正常的傳遞能力，必須加大膜片彈簧小端推力，增加分離軸承行程，進(jìn)而引起離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱難度增大。同時，由于摩擦副表面不平，可能也會引起離合器分離不徹底。在設(shè)計時為了降低離合器壓盤和中間驅(qū)動盤的翹曲程度，可以適當(dāng)?shù)募哟笏麄兊暮穸纫蕴岣邉偠?，增加抗變形能?同時還可以采取一定的通風(fēng)散熱措施，盡量使摩擦副表面溫度分布均勻，減小不均勻變形趨勢。

3.2連續(xù)起步工況

當(dāng)車輛處于爬坡狀態(tài)時，車輛反復(fù)起步，離合器需要連續(xù)多次結(jié)合。離合器在這一工況下的溫度，要比其他工況更加容易超出設(shè)定好的臨界工作溫度。所以對爬坡這一工況的熱-應(yīng)力耦合研究是很有必要的[7]?，F(xiàn)取離合器的一半結(jié)構(gòu)，對離合器整體進(jìn)行深入的連續(xù)起步過程的熱-應(yīng)力耦合特性分析。

該工況具體描述如下：在70s完成8次爬坡起步，其坡度為30%，此時，離合器所處環(huán)境溫度和初始溫度為25℃。由離合器溫度場分布云圖可以看出，此時離合器的最高溫度為87.01℃。

由離合器在每次結(jié)合時溫度最高值時刻溫度場云圖可以得到以下結(jié)論：離合器的最高溫度會隨著起步次數(shù)的增加在逐漸升高;溫度場云圖顯示汽車在第八次起步，中間驅(qū)動盤的最外端溫度達(dá)最高值，最高溫度為112.1℃，此時刻為t=63.9s，摩擦片的最高溫度為104.3℃，出現(xiàn)在時刻t=64.1s。由中間驅(qū)動盤和摩擦片在連續(xù)起步過程中的最高溫度可知，本文所研究的離合器在工作時的最高溫度顯然低于離合器工作臨界溫度，這說明摩擦副滿足離合器可以正常工作的溫度。

4.結(jié)論

針對以上2種起步工況進(jìn)行了熱-應(yīng)力耦合仿真分析，得到壓盤、中間驅(qū)動盤、摩擦片耦合場變化情況，得到單次起步工況t=1.75s時，壓盤和中間驅(qū)動盤節(jié)點的軸向變形最大，由此可以得出壓盤和中間驅(qū)動盤軸向變形對離合器結(jié)合性能影響較小。通過壓盤與中間驅(qū)動盤軸向變形對比，可以看出壓盤軸向變形較大，其原因為了保證中間驅(qū)動盤有足夠熱容量以防止溫度過高使離合器過早損壞，所以在設(shè)計時中間驅(qū)動盤厚度取相對較大的值，故其軸向變形小;而為了保證離合器操縱輕便性，壓盤厚度相對較小，故其剛度比中間驅(qū)動盤小，軸向變形比中間驅(qū)動盤大。連續(xù)起步工況下離合器K1的最高溫度會隨著起步次數(shù)的增加在逐漸升高;通過熱應(yīng)力分析可知汽車在第八次起步，中間驅(qū)動盤的最外端溫度達(dá)最高值，最高溫度為112.1℃，此時刻為t=63.9s，摩擦片的最高溫度為104.3℃，出現(xiàn)在時刻t=64.1s。最后通過連續(xù)起步溫度變化曲線圖可知：若要使離合器摩擦副的溫升減小，可以適當(dāng)減小滑摩時間，以減少產(chǎn)生的摩擦熱量;延長兩次滑摩的時間間隔，增加散熱，減少熱量在離合器內(nèi)部的累積。

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