同步器摩擦環(huán)碳布固化過(guò)程的傳熱分析

陳強(qiáng) 劉亞軍

摘要：文章采用UG 后處理模塊NXNASTRAN求解器對(duì)同步器摩擦環(huán)固化過(guò)程的導(dǎo)熱特性進(jìn)行數(shù)值分析，確認(rèn)摩擦環(huán)在粘接固化過(guò)程中夾具、零件、膠膜、碳布各相關(guān)件的溫度變化曲線，分析傳熱特性，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)工藝優(yōu)化提升提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：同步器摩擦環(huán);溫度;膠膜;碳布

前言

同步器是變速箱的重要部件，而其中以摩擦環(huán)尤為關(guān)鍵。摩擦環(huán)是金屬基體與碳纖維復(fù)合材料通過(guò)膠膜粘接結(jié)合的產(chǎn)物，兩種材料的粘接固化工藝直接影響摩擦性能，進(jìn)而對(duì)變速箱傳動(dòng)性能產(chǎn)生巨大影響。文章主要采用UG的后處理模塊NASTRAN對(duì)粘接固化過(guò)程的傳熱特性進(jìn)行瞬態(tài)分析，確定夾具、零件、膠膜各個(gè)模塊的溫度-時(shí)間變化曲線，探索傳熱對(duì)粘接固化過(guò)程的影響，為粘接工藝優(yōu)化提升提供理論參考及依據(jù)。

1摩擦環(huán)粘接固化傳熱模型介紹

如圖1所示，摩擦環(huán)基體與摩擦材料（碳布）通過(guò)某種膠粘接為一體，其過(guò)程需要限定外形尺寸，同時(shí)持續(xù)加熱使膠固化，以保證粘接強(qiáng)度。因而需要專(zhuān)用夾具進(jìn)行限位及導(dǎo)熱。上下兩個(gè)熱板內(nèi)嵌熱電偶，進(jìn)行持續(xù)性的熱量傳輸。

初始狀態(tài)時(shí)，熱板因有熱源持續(xù)傳熱，可簡(jiǎn)化其為恒溫體（200℃）;夾具與熱板相連，其初始溫度與熱板相同;摩擦環(huán)放入夾具內(nèi)部，其初始溫度為室溫20℃，各模塊的熱物理參數(shù)及邊界條件如表1所示。

模型整體網(wǎng)格劃分90W，針對(duì)膠膜，碳布等尺寸較小的部件做了局部網(wǎng)格加密和細(xì)化，同時(shí)忽略空氣熱對(duì)流及熱輻射，忽略熱板的溫度微小波動(dòng)，假設(shè)系統(tǒng)傳熱過(guò)程理想，分析系統(tǒng)的瞬態(tài)傳熱特性。

2數(shù)值仿真計(jì)算

利用UG軟件后處理模塊的NASTRAN求解器進(jìn)行瞬態(tài)非線性熱分析，考慮實(shí)際生產(chǎn)預(yù)熱時(shí)間為5分鐘，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為300s，增量1s。根據(jù)表1設(shè)置各部件的熱物理參數(shù)及接觸關(guān)系。初始狀態(tài)如圖2所示。

3仿真結(jié)果及分析

通過(guò)300s非線性數(shù)值分析，各部件溫度已趨近于設(shè)定溫度200℃，仿真已基本收斂，參見(jiàn)圖3。零件由室溫放入200℃的夾具內(nèi)，與夾具接觸面迅速吸熱升溫，此時(shí)零件芯部區(qū)域溫度較低，隨時(shí)間的增加，整體溫度迅速上升。

通過(guò)關(guān)鍵部位采點(diǎn)，得到各部件的時(shí)間-溫度變化曲線，如下圖所示。

對(duì)比圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，摩擦環(huán)在放入夾具瞬間，由于與夾具表面有巨大溫差（摩擦環(huán)20℃，夾具200℃），且碳布熱導(dǎo)率極高（700W/mK），熱交換迅速;而緊貼碳布的膠膜其導(dǎo)熱率很?。?W/mK），熱量不能及時(shí)轉(zhuǎn)移，其溫度迅速上升，溫差減小，吸熱因而減少，放熱相對(duì)增加，造成溫度的再次下降，此現(xiàn)象直觀體現(xiàn)在摩擦環(huán)放入夾具初期碳布溫度劇烈上下波動(dòng)。

而膠膜在吸熱初期雖然熱導(dǎo)率及比熱與碳布差異較大，但考慮到碳布厚度0.6mm，而膠膜實(shí)際厚度僅為0.07mm，厚度極薄，且質(zhì)量極輕，溫度變化敏感，其溫度緊隨碳布溫度，二者在溫度時(shí)間變化趨勢(shì)上印證了這一點(diǎn)。

夾具在接觸零件后，其作為熱量輸出方，接觸區(qū)域附近溫度在5s內(nèi)迅速降低至144℃;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度降低至140℃，此降溫過(guò)程得到驗(yàn)證，見(jiàn)表2所示，夾具實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度趨勢(shì)一致，數(shù)值接近。其后由于熱板不斷補(bǔ)充熱量，夾具溫度得以回升。

根據(jù)比熱計(jì)算公式Q=CmΔT，當(dāng)夾具質(zhì)量增加時(shí)，溫降減緩，傳遞熱量更迅速，零件也能更快的升溫。

對(duì)于零件基體而言，其作為最后的受熱方，熱量由外部傳至芯部，故而芯部溫度上升最慢，參見(jiàn)圖3。

此外，對(duì)比各零件溫度-時(shí)間曲線發(fā)現(xiàn)，在240s時(shí)，各部件溫度均已超過(guò)195℃，基本進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)

定預(yù)熱溫度為5分鐘，符合溫度控制要求。

4總結(jié)

4.1對(duì)于摩擦環(huán)而言，其基體升溫過(guò)程存在溫差，而關(guān)鍵固化區(qū)域碳布及膠膜溫升曲線一致，且均在5分鐘內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度。

4.2考慮提升效率，減少預(yù)熱時(shí)間，則需增加夾具質(zhì)量以增加儲(chǔ)熱，使碳布及膠膜迅速升溫至設(shè)定溫度。

4.3對(duì)比溫度云圖，零件熱量由外向內(nèi)傳遞，零件重量及外形尺寸對(duì)傳熱影響很大

4.4對(duì)比夾具表面溫度實(shí)測(cè)及仿真數(shù)據(jù)，二者誤差在10%以?xún)?nèi)，此仿真模型針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有重要指導(dǎo)和參考意義。