湿式离合器对偶钢片力学响应特性分析

本文引用格式：张志刚，张子阳，梁美林，等．湿式离合器对偶钢片力学响应特性分析［Ｊ］．重庆理工大学学报（自然科学），２０２１，３５（６）： ８７－９５．
Ｃｉｔａｔｉｏｎｆｏｒｍａｔ：ＺＨＡＮＧＺｈｉｇａｎｇ，ＺＨＡＮＧＺｉｙａｎｇ，ＬＩＡＮＧＭｅｉｌｉｎ，ｅｔａｌ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆＷｅｔＣｌｕｔｃｈＳｔｅｅｌＤｉｓｃｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ ｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ），２０２１，３５（６）：８７－９５．
（２）
用热流 密 度 表 示 摩 擦 副 产 生 的 热 量，对 偶 钢
片和摩擦片的摩擦表面热流密度分别为
{ｑｓ
＝ Ｋｑ ｑ（ｒ，ｔ） １＋Ｋｑ
ｑｆ
＝ １ ｑ（ｒ，ｔ） １＋Ｋｑ
（３）

式中：Ｋｑ为热流分配系数；ρ、ｃ、ｋ分别表示密度、
比热容和导热系数；ｓ、ｆ为下标，分别表示对偶钢
片与摩擦片。
１．２ 热流固耦合模型
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆＷｅｔＣｌｕｔｃｈＳｔｅｅｌＤｉｓｃｓ
ＺＨＡＮＧＺｈｉｇａｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧＺｉｙａｎｇ１，ＬＩＡＮＧＭｅｉｌｉｎ１， ＣＨＥＮＹｏｎｇｌｏｎｇ２，ＬＩＪｉａｘｕｅ１，ＬＵＯＸｕａｎ１
（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＰａｒｔｓ， ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５４，Ｃｈｉｎａ；
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ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｄｉｓｃ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｎｔａｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｄｉｓｃａｐｐｅａｒｓａｔｔｈｅｍｉｄｄｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｓｔｅｅｌｄｉｓｃｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄｔｈｅｓｔｅｅｌ ｄｉｓｃｌｏｃａｔｅｄｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒｈａｓｐｏｏｒｃｏｎｔａｃｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｌａｒｇｅｃｏｎｔａｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ．Ｔｈｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｄｉｓｃｉｓｍｕｃｈｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓｉｎａｌｌｏｔｈｅｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ，ａｎｄｉｔｉｓｕｎｉｆｏｒｍｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｌｏｎｇｔｈｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｉｒｓｔａｎｄ ｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓａｌｏｎｇｔｈｅｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｉｍｅ．Ｔｈｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｄｉｓｃｌｏｃａｔｅｄｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌａｒｇｅ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌｓｔｒａｉｎｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｄｉｓｃｉｓｍｕｃｈｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｓｈｅａｒｓｔｒａｉｎ．Ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒａｉｎｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ ｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｓｔｒａｉｎ，ａｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｈａｓａｇｒｅａｔｅｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｓｔｅｅｌｄｉｓｃ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｗｅｔ ｃｌｕｔｃｈ； ｓｔｅｅｌ ｄｉｓｃ； ｔｈｅｒｍｏｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ； ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ； ｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎ
（１．重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 ４０００５４； ２．宁波圣龙（集团）有限公司，浙江 宁波 ３１５１０４）
摘 要：为研究湿式离合器接合过程中对偶钢片力学响应特性，考虑摩擦副温度场、变形场 和流场之间的相互作用，运用 Ａｂａｑｕｓ与 ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋协同仿真，建立摩擦副三维热流固耦合 有限元模型，分析对偶钢片的接触压力特性和应力应变特性。结果表明：对偶钢片最大接触压 力出现在盘面中径处，并且位于摩擦副中间位置的对偶钢片接触特性较差、接触压力扰动大；对 偶钢片周向应力远大于其余各向应力，周向应力沿周向分布均匀，沿径向先增大后减小，随时间 逐渐增大，并且位于摩擦副中间位置的对偶钢片周向应力较大；对偶钢片正应变远大于剪应变， 其热应变大于弹性应变，表面温度变化对对偶钢片的变形影响较大。 关 键 词：湿式离合器；对偶钢片；热流固耦合；接触压力；应力应变 中图分类号：Ｕ４６３．２１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－８４２５（２０２１）０６－００８７－０９
张志刚，等：湿式离合器对偶钢片力学响应特性分析
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ｑ（ｒ，ｔ） ＝ｆＰ（ｔ）ｒωｒｅｌ（ｔ）
（１）
式中：ｒ为 湿 式 离 合 器 摩 擦 表 面 任 意 位 置 处 半 径
（ｍ）；ｆ为滑动摩擦因数，ｆ＝０．１３－０．００８ｌｏｇ（ωｒｅｌ）； Ｐ（ｔ）为摩擦副控制油压（Ｐａ）；ωｒｅｌ（ｔ）为摩擦副相 对角速度 （ｒａｄ／ｓ）；ｔ为 接 合 时 间 （ｓ）；ｑ（ｒ，ｔ）为 湿
收稿日期：２０２０－０８－２４ 基金项目：重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目（ｃｓｔｃ２０１７ｊｃｙｊＡＸ０１４３）；重庆市重点产业共性关键技术创新专项项
目（ｃｓｔｃ２０１７ｚｄｃｙｚｄｚｘＸ０００８）；重庆理工大学研究生创新项目（ｙｃｘ２０１９２０１１） 作者简介：张志刚，男，博士，教授，主要从事车辆传动系统理论与试验技术研究，Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｚｈｉｇａｎｇ＠ｃｑｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
湿式离合器作为汽车传动系统的核心部件之 一，在起步 与 换 挡 过 程 中，摩 擦 副 滑 摩 产 生 大 量 热，大部分热量被对偶钢片吸收，导致对偶钢片盘 面温度梯度和应力梯度过大，接触压力分布不均， 频繁接合下容易出现局部热点、表面烧蚀、翘曲变 形等典型热 失 效 现 象，降 低 湿 式 离 合 器 的 使 用 性 能和可靠性［１］。对偶钢片温度场分布和应力场分 布是影响对 偶 钢 片 热 失 效 的 直 接 因 素，因 此 研 究 对偶钢片接 触 压 力、应 力 应 变 等 力 学 响 应 特 性 的 分布规律，进 而 为 湿 式 离 合 器 对 偶 钢 片 热 失 效 分 析奠定基础。
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）
２０２１年第 ３５卷第 ６期 Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．６ ２０２１
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８４２５（ｚ）．２０２１．０６．０１２
湿式离合器对偶钢片力学响应特性分析
张志刚１，２，张子阳１，梁美林１，陈永龙２，李佳雪１，罗 轩１
ＡｆｆｅｒｒａｎｔｅＬ等［２］基于湿式离合器摩擦副接触 数学模型分析了其接触面温度场和应力场分布规 律；ＺｈａｏＳ等［３］采 用 瞬 态 温 度—位 移 耦 合 分 析 方 法，基于二维 轴 对 称 模 型 研 究 了 多 片 离 合 器 模 拟 运行工况下 的 温 度 场 以 及 接 触 压 力 分 布，并 分 析 了离合器片厚度和材料属性对其热力学行为的影 响；ＡｂｄｕｌｌａｈＯ［４］采用 ＡＮＳＹＳ软件建立多片离合 器二维轴对 称 热 结 构 耦 合 有 限 元 模 型，仿 真 得 到 接合初期多片离合器的温度场和接触压力分布； ＺａｇｒｏｄｚｋｉＰ［５］基于热弹性接触机理建立热结构耦 合有限元模 型，并 结 合 实 验 研 究 了 湿 式 多 片 离 合 器接合过程 中 热 点 的 产 生 以 及 分 布 规 律；张 金 乐 等［６］通过建立湿式换挡离合器热机耦合三维有限 元模型，分析了相对转速差、对偶钢片厚度和工作 油压对对偶 钢 片 温 度 场 和 应 力 场 的 影 响；王 宏 伟 等［７］建立湿 式 换 挡 离 合 器 总 成 的 三 维 有 限 元 模
式离合器摩擦副热流密度（Ｗ／ｍ２）。
由于摩擦 副 材 料 物 理 性 能 参 数 的 差 异，对 偶
钢片和摩擦 片 各 自 吸 收 的 热 量 不 同，为 进 一 步 分
析摩擦副热 量 分 配 情 况，基 于 摩 擦 副 材 料 物 理 参
数，引入摩擦副热流分配系数如下：
( ) Ｋｑ ＝
ｋｓρｓｃｓ ０．５ ｋｆρｆｃｆ
１ 湿式离合器热流固耦合分析理论
１．１ 摩擦副生热模型 湿式离合 器 摩 擦 副 接 合 过 程 中，摩 擦 副 间 隙
中的润滑油被挤出，摩擦表面处于边界摩擦状态， 相互滑摩产生大量热，不考虑材料磨损的影响，所 有的滑 摩 功 都 转 化 为 摩 擦 热 并 全 部 由 摩 擦 副 吸 收［１０－１１］。用热流 密 度 表 示 单 位 时 间 单 位 面 积 摩 擦表面滑摩 产 生 的 热 量，热 流 密 度 计 算 模 型 如 下 所示。
本文 采 用 ＳＴＡＲ－ＣＣＭ ＋与 Ａｂａｑｕｓ协 同 仿
真，通过固体 与 流 体 交 界 面 上 的 数 据 交 换 实 现 两
个软件之 间的耦合，ＳＴＡＲ－ＣＣＭ ＋将 热通 量 数据
传递给 Ａｂａｑｕｓ，Ａｂａｑｕｓ将温度信息反馈给 ＳＴＡＲ
－ＣＣＭ＋，两个软件同时运行，并在每个时间步结
束时自动交换数据，属于两个代码之间的强耦合。
２．ＮｉｎｇｂｏＳｈｅｎｇｌｏｎｇＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎｉｎｇｂｏ３１５１０４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｓｔｅｅｌｄｉｓｃｄｕｒｉｎｇｔｈｅｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｅｔｃｌｕｔｃｈ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｉｅｌｄａｎｄ ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒ，ｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｙｔｈｅｒｍｏｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｃｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＡｂａｑｕｓａｎｄＳＴＡＲＣＣＭ＋ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅ
在耦合模型中，润滑油迅速流经油槽，润滑时
间短，温度变化小，忽略润滑油特性参数随温度的
变化，且摩擦 副 变 形 小，基 本 不 影 响 流 体 流 动，因
此，忽略变形 场 对 流 场 的 影 响 以 及 流 场 压 力 对 固
体变形的影 响，分 别 建 立 耦 合 变 形 场 方 程 和 耦 合
型，研究了对 偶 钢 片 为 碟 形 的 摩 擦 副 温 度 场 及 应 力场分布规 律；杨 亚 联 等 ［８］采 用 热 机 耦 合 仿 真 方 法建立湿式 离 合 器 三 维 有 限 元 模 型，研 究 了 摩 擦 副内外半径 差、接 合 时 间 和 接 合 次 数 等 因 素 对 钢 片的温度场 和 应 力 场 的 影 响；陈 瑶 等［９］采 用 热 结 构直接耦合方法对湿式离合器应力场进行计算， 研究了工程上湿式离合器活塞不同加压方式对摩 擦副应力 场 的 影 响 规 律。 综 上 所 述，学 者 们 常 采 用热机耦合 仿 真 分 析 方 法，未 充 分 考 虑 摩 擦 片 油 槽内润滑油与对偶钢片摩擦表面之间的热交换， 降低了分析结果的准确性。
本文针对 现 有 研 究 的 不 足，以 热 结 构 直 接 耦 合法为基础，考 虑 摩 擦 片 油 槽 内 润 滑 油 与 摩 擦 副 的对流换热，建 立 湿 式 离 合 器 摩 擦 副 三 维 热 流 固 强耦合有限 元 模 型，研 究 了 湿 式 离 合 器 接 合 过 程 中对偶钢片 力 学 响 应 特 性 变 化 规 律，为 湿 式 离 合 器热失效分析提供理论支持。