基于有限单元法湿式离合器摩擦副温度场分析

基于有限单元法湿式离合器摩擦副温度场分析
陆建荣
【摘要】温度对湿式离合器摩擦副的性能和寿命具有重要影响.针对某款变速箱湿式离合器的工作接合过程,以一档离合器为例,结合热分析和有限元理论分析,对摩擦生热过程中的热传导和热流密度进行分析,确定热传导边界条件和初始条件,并建立湿式摩擦副的温度分布函数,获得不同结合次数温度分布.基于ANSYS瞬态热分析模块,根据摩擦生热原理,建立摩擦副分析模型,获得工作过程中温度分布规律;对不同时间情况下,主、从片的温度分布进行分析;对比分析不同的油槽花纹与从动片尺寸对温度场的影响.对比分析结果可知:油槽花纹与其尺寸的选择对温度场分布影响较大;双圆弧形油槽综合最优;模型分析和理论分析结果的一致性验证分析方法的正确性;通过改变摩擦副材料物理属性、结构尺寸和加载条件来分析其他工况情况,进而得出不同条件下摩擦副温度分布的情况.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2016(000)011
【总页数】5页(P166-170)
【关键词】湿式离合器;温度场;摩擦副;热流;有限单元法;模型
【作者】陆建荣
【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200444;南通开放大学机电工程学院,江苏南通226006
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TH133.4;U463.22
湿式摩擦副由几组浸泡于油液中交叉排列的钢片和摩擦片组成，可用来实现动力的传动或者制动，因具有使用寿命长、可靠性高、磨损率低等优点在工程车辆变速箱离合器和驱动桥制动器上应用越来越广泛[1]，因此对其进行研究具有重要意义。

温度对摩擦副的性能和受命具有重要影响，从而进一步影响离合器或制动器的性能和寿命。

因此，选取湿式离合器摩擦副进行研究具有重要的应用价值。

针对湿式摩擦副的研究，国内外学者取得了一定的成果：文献[2]通过改变摩擦副
材料，从而研究摩擦系数的影响规律，研究可知当其取值越高时，可有效提供系统传递扭矩的能力；文献[3]对油槽形式的影响进行分析，发现其形式改变可有效改
善油液流量；文献[4]对功率吸收能力进行研究，发现高功率吸收能力，有利于热
稳定性，可提供稳定可靠的传递能力；文献[5]对偶片结构进行研究，结果可知偶
片可以改善摩擦副的耐久性和功率吸收特性。

针对湿式离合器摩擦副工作接合过程，以一档离合器为例，结合热分析和有限元理论分析，对摩擦生热过程中的热传导和热流密度进行分析，确定热传导边界条件和初始条件，并建立湿式摩擦副的温度分布函数，获得不同结合次数温度分布。

基于ANSYS瞬态热分析模块，根据摩擦生热原理，建立摩擦副温度场分析模型，获得工作过程中温度分布的规律；对不同时间情况下，主、从片的温度分布进行分析；对比分析不同的油槽花纹、从动片尺寸对摩擦副温度场的影响；对结果进行对比。

2.1 变速箱离合器结构
定轴式动力换档变速箱是通过液压操纵离合器进行换档的，由摩擦多片离合器和施压油缸两部分组成[6]。

换档离合器的结构，如图1所示。

由图可知，片式离合器部分包括内传动鼓10（和齿轮相连，用点划线画出）、3、4、5、压紧盘6及止推盘2组成[7]。

因为内摩擦片4通过齿形花键和内传动鼓
10滑动连接，外摩擦片5及压紧盘6，止推盘2通过齿形花键和外传动鼓滑动连
接，而止推盘2又支承在装在外传动鼓槽中的弹簧卡环1上。

外传动鼓通过花键
和转轴连接，内传动鼓则和松套在转轴上的齿轮连成一整体，如果压紧盘6向右
移动压紧内外摩擦片4、5，则接合；反之则放松摩擦片4、5，则离合器分离。

施压油缸由缸体（它和外传动鼓加工成一体）、活塞8、恢复弹簧9，钢球排油阀7
等组成。

活塞8和压紧盘6通过销钉连接，当油缸中的油压升至（1.69～1.96）MPa范围时，8推动6向右移动，实现接合[8]。

若是油缸与油箱之间相通，则零件8、6在9作用下向左移动，而实现系统分离。

2.2 动力传递路线
所研究变速箱传递路线简图，如图2所示。

相关参数如表1所示。

由图可知，所
研究变速箱有四个前进档和四个倒退档。

变速箱的Ⅰ轴（即输入轴）为液力变矩器的涡轮带动输出轴Ⅰ，轴上装有齿轮2。

通过结合前进档离合器F或倒退档离合器R便可使车辆实现前进或倒退[9]。

Ⅱ轴轴3和轴8经花键连接而成。

Ⅱ轴、Ⅲ轴
上的其它档位的结构与Ⅱ轴相似。

Ⅲ轴为变速箱的输出轴，它将前面传来的动力经轴21和23输出，分别传给底盘前桥和后桥，通过拨叉拨动啮合套22，使其沿轴向滑动，即可实现单桥和双桥驱动转换，但一般现场使用为双桥驱动。

离合器主要承担传递扭矩的作用，转矩容量为其重要的性能指标[10]，其与系统输入关系为：
式中：β—离合器后备系数；Timax—变速箱输入最大扭矩（Nm）；λ—变矩器变矩比；i—谐和减速器速比；z—摩擦工作面数；Ri—摩擦副有效作用半径（mm）；
d、D—摩擦片内、外直径（mm）；p—作用在活塞上压力，对于湿式摩擦离合器，设定供油系统安全压力2.5MPa；A—有效面积（m2）。

3.1 摩擦生热模型
摩擦副温度场分布与作用时间、结合次数及散热等具有重要关系，所研究的摩擦副为各向同性，其热流分布，如图3所示。

摩擦接触温度计算模型：
式中：kS1、kS2—从、主动片散热系数；T1、T2—从、主动片表面温度，K。

接触模型的边界条件为[11]：
（1）摩擦产生总热量为主、从动片热量和，即：
（2）实际接触点温度相同，即：
（3）主、从动片与周围环境产生热交换服从牛顿冷却定律：
初始条件下，环境温度为Tc，t为常温时，则T1=T2=常温。

式中：Kf1—从动片散热系数（W/m2K）；
Kf2—主动片的散热系数（W/m2K）。

3.2 热传导边界和初始条件
变速箱离合器中摩擦主动片与从动片之间结合的面有摩擦热生成，为第二类边界条件[12]，即：
变速箱一档工作时，主、从动片热传导为：
当y=0时，表面温度：
式中：q1、q2—摩擦副作用点热流密度（W/m2）；dr—平均直径，（mm）；lr—当前到初始位置的距离（mm）；ρ1、ρ2—密度（kg/m3）；c1、c2—比热容（J/kg.K）。

3.3 摩擦过程中热流密度
根据摩擦声热相关理论可知，热流密度为：
式中：f—摩擦系数；△v—主、从动片的相对滑移速度（m/s）；p—主、从动片的接触压力（MPa）。

而对离合器的一个摩擦副而言，有效摩擦表面的外圆半径
为r2，内圆半径为r1，可选取有效摩擦半径为r=0.5（r1+r2）[13]。

又知：v=r′ω
式中：r′—旋转半径（m/s）。

则：vd=rωd，v1=rω1
又△v=vd-v1
式中：△v—摩擦副之间的相对平均滑摩速度（m/s）；vd、v1—主、从动盘平均
线速度（m/s）。

则：△ω＝rωd-rω1＝r（ωd-ω1）
摩擦功率W摩为：
式中：N—摩擦副之间的正压力（MPa）。

进一步，摩擦处产生的热流密度为：
因为主动片在摩擦片上滑过环形的配到整个摩擦环形区域上，即：
综上根据温度分布函数、热传导密度方程，求得摩擦副两盘表面温度，如表2所示。

4.1 湿式摩擦副有限元模型
忽略冷却油液作用[14]，湿式摩擦副模型可以简化，如图4所示。

变速箱中离合器里的湿式摩擦副的低、高档各参数，如表3、表4所示。

利用ANSYS非线性结构分析（接触分析）和热分析[15]，对简化模型进行有限元分析，将主、从动摩擦副看作刚体为柔体的接触，选用三维耦合实体单元，在主动摩擦片一侧面作用
2.0MPa均布压力，主动摩擦片作用扭矩为1500Nm，并以800r/min匀速转动，从动钢片固定不动，设定相关参数，忽略外界散热[16]，取接触时间（1.5～20）s 温度场分布，所搭建的分析模型如图5所示。

4.2 摩擦副温度场分析结果
主、从动片不同接合时间，有限元分析温度分布，如图6所示。

由图6对比得知：离合器接合过程中，摩擦片的表面温度随时间的增长温度升高，同时温度随摩擦片的半径的增大而升高；从动片的表面温升低于主动片的表面温升，这是由于主动摩擦片为铜基粉末冶金材料，其导热系数大于钢片，且比热低于钢片，
所以其温升高于从动钢片；随着时间的增长，主、从动片的温升增加值越来越低，如第一次与第二次接合时温差为大约18℃，而第二次与第三次接合时温差为大约
为16℃，这是由于随着接合时间的增长，主从动片之间的相对滑动速度减小，相
对滑摩功减小，进而使两者之间的热流密度降低，导致温度升高值减小。

由表3和图6对比可知，二者基本吻合，在1.5s接合情况下，主、从动摩擦片温度最大值理论分析的结果和有限元软件分析结果大约相差2℃，而在20s则相差大约14℃，误差的造成的原因主要是在有限元建模时的简化，以及设计接触和热分
析时，假定从动钢片是固定的，而不是逐步随主动摩擦片旋转的，这与实际情况有一定差异；同时在有限元分析时忽略了外界散热的影响。

同时，从有限元分析可知，随着接触时间增长，接触次数增多，主动片沿径向温度梯度比较大，应选用导热系数大的材料。

在参数设置下，油槽型式和尺寸对温度场影响分析结果，如图7所示。

由图可知，不同形状的油槽具有不同的特性：采用双圆弧形油槽，综合性能比较好，虽然摩擦系数比螺旋槽小，但仍有足够的油液且能产生涡流，增加散热，而且加工相对容易，然而当机构处于分离时，双圆弧形沟槽能使摩擦片较大的粘性传动，造成不能彻底分离。

旋转速度和油的粘度与油沟花纹的相互作用对动力损耗的影响，如图8所示。

由
图可知，在高速与低粘度的条件，油槽可使带排扭矩减小；但在低速、高粘度下，油槽却使带排扭矩增大。

倘若速度与粘度都选取较典型的值时，油槽花纹对带排扭矩的影响将是很明显的。

合理选用不同形式的油槽花纹对降低带排扭矩造成的功率损失有关重要。

由以上分析可知，油槽花纹与其尺寸的选择对湿式摩擦副的工作能力和使用性能都有很大影响，对温度场分布影响较大。

因此，在设计中，应该综合考虑油液流量、摩擦片与对偶片间的间隙、转度等因素进行选择。

针对湿式离合器工作结合过程中，对摩擦副温度场进行研究，结合热分析和有限元理论分析，对摩擦生热过程中的热传导和热流密度进行分析，确定热传导边界条件和初始条件，并建立湿式摩擦副的温度分布函数，获得不同结合次数温度分布。

基于ANSYS瞬态热分析模块，根据摩擦生热原理，建立摩擦副分析模型，获得工作过程中温度分布规律，结果可知：
（1）离合器主从动摩擦片结合时间在（0.5～1.5）s，在此之前二者从相对滑动到完全结合产生热量较大，冷却热的瞬时作用有限，摩擦副升温较快，仅能依靠自身热容量保证，因此在实际设计时需要加以重视。

（2）双圆弧形油槽，综合性能比较好，冷却作用较好且加工成本低，冷却液流速适宜且利用率高。

（3）油槽花纹与其尺寸的选择对湿式摩擦副的工作能力和使用性能都有很大影响，对温度场分布影响较大。

因此，在设计中，应该综合考虑油液流量、摩擦片与对偶片间的间隙、转度等因素进行选择。

【相关文献】
［1］Ong JH.Finite Elements for Vibration of Vehicle Transmission System
［J］.Computers in Industry，2013，28（3）：257-263.
［2］Khamlichi A，Bezzazi M，Vera M A P.Optimizing the thermal properties ofclutch facings［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，142（3）：634-642. ［3］Arhaim Y H，Shalwan A，Yousif B F.Correlation between frictional force，interface temperature and specific wear rate of fibre polymer composites［J］.Livestock Science，2013，685（3）：45-49.
［4］Alajmi M，Shalwan A.Correlation between Mechanical Properties with Specific Wear Rate and the Coefficient of Friction of Graphite/Epoxy Composites［J］.Materials，2015，8（7）：4162-4175.
［5］Shivamurthy B，Murthy K，Joseph PC，et al.Mechanical properties and sliding wear behavior of jatropha seed cake waste/epoxy composites［J］. Journal of Material Cycles
＆ Waste Management，2014，17（1）：144-156.
［6］贾云海，张文明.湿式摩擦离合器摩擦片表面温升和油槽结构研究［J］.中国公路学报，2007，
20（5）：112-116.（Jia Yun-hai，Zhang Wen-ming.Research on friction disk surface oil groove configuration and temperature raise in wet friction clutch［J］.China Journal of Highway and Transport，2007，20（5）：112-116.）
［7］陈凤.基于改进Metropolis算法的重载车辆湿式离合器优化设计［J］.机械传动，2015，39（8）：93-96.（Chen Feng.Optimization design of heavy type vehicle wet clutch based on improved metropolis algorithm［J］.Journal of Mechanical Transmission，2015，39（8）：93-96.）
［8］张世军，林腾蛟，吕和生.湿式摩擦离合器摩擦片油槽对瞬态传热的影响［J］.机械设计，2009，26（11）：34-37.（Zhang Shi-jun，Lin Teng-jiao，Lv He-sheng.Influence of friction disk oil groove of wet friction clutch on transient heat transfer［J］.Journal of Machine Design，2009，26（11）：34-37.）
［9］张志刚，周晓军，沈路.湿式离合器动态接合特性的仿真与试验［J］.中国公路学报，2010（3）：115-120.（Zhang Zhi-gang，Zhou Xiao-jun，Shen Lu.Simulation and experiment on dynamic engagement characteristics of wet clutch［J］.China Journal of Highway and Transport，2010，23（3）：115-120.）
［10］王会刚，国善龙，赵微丽.基于Solid works摩擦片式离合器有限元分析［J］.机械设计与制造，2010（6）：38-40.（Wang Hui-gang，Guo Shan-long，ZhaoWei-li.FEM analysisof friction plate clutch based on solid works［J］.Machinery Design＆Manufacture，2010（6）：38-40.）
［11］杨化龙，齐乐华，付业伟.油槽对碳纤维增强纸基摩擦片摩擦制动性能和耐热性的影响［J］.机械科学与技术，2010，29（12）：1623-1627.（Yang Hua-long，Qi Le-hua，Fu Ye-
wei.Effect of Grooveson the Braking Ability and Heat-resistance of Paper-based Friction Plates Reinforced by Carbon Fiber［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2010，29（12）：1623-1627.）
［12］张家元，丁普贤，李长庚.湿式离合器摩擦片的热结构耦合分析［J］.北京科技大学学报，2013，35（12）：1668-1673.（Zhang Jia-yuan，Ding Pu-xian，Li Chang-geng.Thermal-structural coupling analysis of wet clutch friction discs［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2013，35（12）：1668-1673.）
［13］杨为，陆国栋，吕和生.湿式多片摩擦离合器对偶钢片热-机耦合分析［J］.重庆大学学报：
自然科学版，2011，34（9）：26-32.（Yang Wei，Lu Guo-dong，Lv He-sheng.Thermo-mechanical coupling analysisof dual-steel-disc ofwetmulti-disk clutch［J］.Journal of Chongqing University：Natural Science Edition，2011，34（9）：26-32.）
［14］Makkar H P，Francis G，Becker K.Protein concentrate from Jatropha curcas screw-pressed seed cake and toxic and antinutritional factors in protein concentrate［J］.Journal of the Science of Food＆Agriculture，2008，88（9）：1542-1548.
［15］马智慧，严忠胜，常振罗.湿式摩擦离合器多场耦合动态设计方法［J］.机械设计与制造，2009（10）：13-15.（Ma Zhi-hui，Yan Zhong-sheng，Chang Zhen-luo.The research on
the wetmulti-disc griction brake fynamic fesign［J］.Machinery Design＆Manufacture，2009（10）：13-15.）
［16］杨勇强，李小莹，曹博涛.湿式摩擦离合器摩擦片的热力耦合分析［J］.机械传动，2016，40（1）：153-156.（Yang Yong-qiang，Li Xiao-ying，Cao Bo-tao.Thermo-mechanical coupling analysis of friction plate of wet friction clutch［J］.Journal of Mechanical Transmission，2016，40（1）：153-156.）。