湿式多片摩擦离合器接排过程热结构耦合分析
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＾，＝生÷坐＝ｏ．３０８磁（ｍ＋２）“■ｒ０ ５（詈）“５（１２）
计算可得摩擦片端面对流换热系数为２ ７６５ Ｗ／ （ｍ２·Ｋ）。 ４摩擦片副耦合热弹接触分析 ４．１有限元模型
将摩擦片和对偶片简化为当量圆盘，忽略内外花 键齿，采用模型，建立多对摩擦片副热弹接触轴对称 有限元模型，借助ＡＮＳＹＳ／ＡＰＤＬ程序，将各摩擦片副 的热流密度施加到对应的摩擦片接触面上，同时在热 对流面上给定相应的对流换热系数，见图６分析模型 所示。
表２ ＣＤ４０柴油机油的性能参数
密度比热
运动粘度（５０。Ｃ）
导热系数
ｐｆ／ｋｇ·ｍ。’ｃｆ／Ｊ·（ｋｇ·℃）～ｖｆ／ｍ２·８一ｈｆ／Ｗ·（ｍ·℃）。‘
８８０
１６００
６３×１０—６
０．１４４
摩擦片副的对流换热包括花键齿面对流换热和 端面对流换热。在分析摩擦片内外花键齿面对流换 热时，将其简化为当量圆柱面，对流传热系数计算公 式为㈨：
离合器齿轮内花键的摩擦力为Ｚ，摩擦片内齿与摩擦
片座外花键的摩擦力为Ｚ＋。，ｎ为摩擦片和对偶片接
触面总数。
Ｆｉ＝＿—３Ｔ茜Ａ 百
。‘一２础（Ｒ３一ｒ３）
（、２‘）’
．ｔ—ｉ＝舶，＇个兰 ２舶—ｉｃｏ—ｓｏｔ
【ｊ）
（３）ｄ
式中：正为摩擦片的扭矩；Ａ为摩擦片与对偶片的接
触面积；ｐ为摩擦面间的摩擦系数，取０．１；Ｒ为摩擦
·机械研究与应用·一硼究与分析
湿式多片摩擦离合器接排过程热结构耦合分析。
何泽银１，吕和生∽，林腾蛟１，潘丽１
（１．重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆４０００３０；２．重庆齿轮葙有限责任公司，重庆４０２２６３）
摘要：针对船用齿轮箱湿式多片摩擦离合器，考虑摩擦片与摩擦片座外花键、对偶片与离合器齿轮内花键问摩擦力
表１摩擦片副材料性能参数
图３摩擦片副受力分析
３传热边界条件
３．１摩擦副片间正压力计算
利用齿轮箱性能综合试验台测得离合器油缸中 工作油压力曲线如图２所示，接排时间为２．２ｓ。
２
Ｆ¨
己１．ｏ
盏¨
０
图２工作油压力试验曲线
假设工作油缸活塞作用在对偶片上的压力均匀 分布，为便于ＡＮＳＹＳ通过参数化命令流施加边界条 件，对压力曲线做最小二乘多项式拟合，可得接排过 程的工作油缸压力曲线方程为：
片外径；ｒ为对偶片内径；ｍ为花键副的摩擦系数，取 ０．１２；吐为花键副啮合时的节圆直径；ａ为花键副齿
形角。
万·４方８．数据
各摩擦副片间的受力关系为：
ｒＦｌ＋＾＝Ｎｌ
ｌ ｎ＋五＝Ｆ１
Ｉ
｛．．………。
（４）
Ｅ＋Ｚ＝‘一，
Ｉ…………
。Ⅳ２＋工＋ｌ＝Ｆ。
由式（２）一（４）可得第一片摩擦片受到的扭矩
为：
Ｔ１＝—ｉ３广Ａ砟 Ｎ—‘ １＿ｏＦ
中图分类号：ＴＨｌ３３．４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６—４４１４（２０１０）０５—００４７—０４
Ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗｅｔ ｍｕｌｔｉｄｉｓｋ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｌｕｔｃｈ ｄｕｒｉｎｇ ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ
Ｈｅ Ｚｅ—ｙｉｎｌ，ＬＶ Ｈｅ—ｓｈｅｎ９１’２，Ｌｉｎ Ｔｅｎｇ—ｊｉａ０１，Ｐａｎ １５１ （１．Ｓｔａｔｅ ｋｅｙ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ可ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３０，Ｃｈｉｎａ；
酮究与分析
·机械研究与应用·————－—————－－－－一
４ ｚ
鼍３
薹ｚ
斟１
摩擦片接触面ｊ
图５接排完成时花键齿间摩擦力分布
由图可知，各摩擦片间的正压力及花键齿间摩擦
力分布并不一致，随着摩擦片数的增加而不断减小。 接排完成时，第１个摩擦片副的正压力为２．８３ＭＰａ，
第２０个摩擦片副的正压力为２．１８ＭＰａ，仅为第１个
中摩擦片的角速度；ｌ。为离合器的结合时问。 ３．３对流换热系数计算
离合器采用ＣＤ４０柴油机油，其性能参数如表２ 所示。
式中：Ｌ为摩擦片、对偶片内外花键齿高；ｒ；为摩擦 片、对偶片内外花键齿分度圆半径，，＝１，２；ｍ为指数 常数；ｏｒ为润滑油的扩散率；ｔ，为润滑油的动力粘度；
∑ｑ。为圆周上新喷入润滑油的无量纲放热量总和： ∑ｑ。＝０．９８—０．３２（／３ＡＴ，）＋０．０６（肚ｔ）２—
万方数据
·４７·
一·机械研究与应用· 研夯与分析
５１７ｒａｍ，内圈直径为３５６ｍｍ，厚度为１２ｍｍ，材料为４５ 钢。离合器接排过程中，工作油缸进油推动活塞ｌ， 使摩擦片３和对偶片４逐渐压紧，摩擦片与对偶片间 相对滑动产生的滑摩功转化为热量，引起摩擦片温度 升高，大量的摩擦热可能导致摩擦片和对偶片过热 烧坏。
矧嗍飙脯怂隔７０删ｆｙ —ｒ＝２１１ｊ谝。…ｌ
蹦６０ ｙ
－一－ｒ＝２３１．ｈ 、
ｒ沁～ ５００Ｌ－矗而百丽再右面百荔面
蚓≥７｝０／
…、
簧６０ｆ ＝：裂：器＼
５０再Ｉ蕊而面百石而再矗面而商
作用，分析了摩擦片副间的正压力和花键齿间摩擦力的分布规律，并计算了摩擦片副的热流密度反对流换热
系数；利用ＡＮＳＹＳ建立了多对摩擦片副的热弹接触有限元分析模型，通过瞬态热结构耦合分析，得出接排过
程中摩擦片副间温度云图及温度沿径向、轴向分布规律，同时分析了摩擦片的热弹变形及片间接触压力。
关键词：高舍器；接排；热弹耦舍；接触；有限元法
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｅｔ ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋ ｃｌｕｔｃｈ；ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ；ｔｈｅｒｍｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｎｔａｃｔ；ｆｉｎ：ｒｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ
１引言 湿式多片摩擦离合器传递转矩大、承载能力强、
起动换向平稳、寿命长，广泛应用于船舶动力系统中。 在离合器接排过程中，摩擦片和对偶片滑摩发热，片 间局部温度较高，特别在频繁结合、高速、重载时，大 量的摩擦热可能导致摩擦片和对偶片过热烧坏。同 时滑摩过程可能使摩擦片和对偶片产生热膨胀，表面 温度分布不均和热应力，从而引起摩擦片变形，在离 合器频繁结合后，片间的接触面积将会锐减，可能造 成离合器丧失稳定性而失效。
目前，对于离合器摩擦片发热及变形分析，国内 外学者已作了较为深入的研究，建立了摩擦片的热传 导有限元模型，通过传热分析得出了离合器接排过程 中摩擦片温度分布规律【１“１；在此基础上，建立了多 对摩擦片副热弹接触模型，分析离合器接排过程中摩 擦片温度场及产生热斑的现象，并给出了摩擦片副间 接触压力变化规律。卜９｜。进一步考虑摩擦片与摩擦 片座外花键、对偶片与离合器齿轮内花键问摩擦力作 用，分析摩擦片副间的正压力和花键齿间摩擦力的分 布规律；同时利用ＡＮＳＹＳ建立多对摩擦片副热弹性
ｆｏ．０６４＋１．４８５３ｆ—Ｉ．８３７ｔ２＋
Ｐｏ＝｛
１．０７６ｔ３—０．１７５６ｔ４
（１≤２．２ｓ）
（１）
【
１．９４
（ｔ＞２．２ｓ）
如图３所示为摩擦片副受力图，活塞作用于对偶
片上的工作压力为Ｎ。，由工作油压力Ｐ０和活塞与对
偶片的作用面积九决定，右端壳体法兰对摩擦片副
的压力为Ⅳ２，摩擦片间的正压力为Ｆｊ，对偶片外齿与
速度；ｒｃ为摩擦面上任意点到圆心的距离。 假设对偶片与摩擦片的速度为线性变化规律，
主、从动片在工作油压力达到稳定时没有相对滑动，
则相对角速度为：
，ｊ－ｔＪ（ｚ）＝∞。一∞ｂ＝∞。（１一÷）
（１０）
‘ｊ
式中：ｍ。为主动片（对偶片）结合前的初始角速度；６０。
（ｔ）为结合过程中对偶片的角速度；哦（ｔ）为结合过程
（８）
将摩擦片副结构参数代人式（８），可得接排过程
任意时刻摩擦片副上正压力分布。如图４所示为接
排完成时各摩擦片间正压力分布曲线，此时摩擦片与
摩擦片座外花键、对偶片与离合器齿轮内花键间摩擦
力变化曲线如图５所示。
。ｌ ２
室壬８
筹２．４
崮２
峭１．６
０
４
８
１２
１６
２０
薛撩式撞融面ｉ
图４接排完成时各摩擦片间正压力分布
０．００４（ＩＢ△ｔ）’ 式中：△ｔ为内外花键齿面与润滑油的平均温差；ＪＢ 为粘度的温度变化系数。
计算可得，摩擦片齿面对流换热系数为５ ６８９ Ｗ／（ｍ２·Ｋ），对偶片齿面对流换热系数为５ １９０ Ｗ／ （ｍ２·Ｋ）。
计算端面对流换热时，引入圆盘表面润滑油的普 朗特数和雷诺数分别为
一警以＝宰
将润滑油相关参数代入上式，ｒ。取摩擦片副最大 半径，可以判定摩擦片副表面流动为层流，则端面对 流换热系数计算公式为：
２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｇｅａｒｂｏｘ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０２２６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｉｓｋｓ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｔｅｅｔｈ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｂｌｏｃｋ，ｍａｔｉｎｇ ｄｉｓｋｓ ａｎｄ ｉｍｅｍＭ ｔｅｅｔｈ ｏｆ ｃｌｕｔｃｈ ｇｅａｒ ｏｆ ｗｅｔ ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋ ｍａｒｉｎｅ ｄｕｔｃｈ，ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｉｓｋｓ Ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔｉｌ· ｂｕｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｅｅｔｈ ｗｅｒｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｅｅｔ五ｃｉｅｎｔ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｉｓｋｓ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ＡＮＳＹＳ，ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏ—ｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｕｔｃｈ ＷＡ．ａ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ａｆ－ ｔｅｒ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｌｕｔｃｈ ｉｎ ｅｎｇａｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｒｕｌｅ ｏｆ ａｘｉａｌ ａｎｄ １＂８－ ｄｉａｌ ｄｉｓｔｉｌｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｔｔｒｃ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｉｓｋｓ。陷ｗｅｌｌ ａｆｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｋｓ。ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
摩擦片副正压力的７７％。
３．２摩擦面热流密度计算
离合器接排过程中，摩擦面的热流量主要由正压
力、摩擦材料的摩擦系数、摩擦片副的尺寸、离合器的
转速以及离合器的接排时间综合决定，各摩擦片副之 问的热流密度并不相同。
摩擦面的热流密度可用下式计算：
吼’＝ｒ／／ｚｐｖ＝ｒ／／．ｔｐ；ｒ。甜
（９）
式中：，７为摩擦功变为热量的转化率，取为０．９５；ｐｉ为 摩擦片的正压力；∞为摩擦片和对偶片的相对滑动角
图ｌ 湿式多片摩擦离合器实体模型
摩擦片外圈直径为４９０ｍｍ，芯板内圈直径为 ３２６ｍｍ，摩擦层内圈直径为３２６ｍｍ，厚度为１３．６ｒａｍ， 其中芯片基板厚度１２ｒａｍ。对偶片有１０片，直径为
·项
目：重庆市自然科学基金计划资助项目（编号：ＣＳＴＣ，２００９ＢＢ３２０１）
收稿日期：２０１０—０９—１２
作者简介：何泽银（１９８５一），男。四川遂宁人，硕士，专业方向：机械设计及理论。
（５） ‘。
பைடு நூலகம்
２盯／ｚ（Ｒ３一ｒ３）。ｄｌＣＯＳＯｃ
第ｉ片摩擦片受到的扭矩为：
正‘ ＝—ｉ＿Ｆ３ｔＡｉ＿＿ｌ １丁 苹ｏ
（６） 、’
２掣（Ｒ３一ｒ３）’ｄｉＣＯＳＧＥ
利用式（２）一（４）及式（６）可得：
Ｆ；＝Ｆｉ—ｌ’（１一Ａ。）
（７）
式中：Ａ；为递减系数：
则各摩擦片受到的正压力为：
Ｐｉ＝ＰＨ ７（１一Ａｉ）
接触有限元模型，通过瞬态热结构耦合分析，研究接 排过程中摩擦片副瞬态温度、热弹变形及片间接触压 力的变化规律。 ２湿式多片摩擦离合器结构
如图１所示给出了船用齿轮箱湿式多片摩擦离 合器实体模型，主要由齿轮轴、摩擦片座、对偶片、摩 擦片、离合器齿轮、活塞等组成。其中摩擦片有ｌｌ 片，由两部分材料组成，一是芯片基板，材料为４５钢， 二是摩擦层，材料为铜基粉末冶金，如表１所示给出 了两种材料的物理特性参数。
”等豪）１／４’（等严∑ａｔ …）
万方数据
图６摩擦片哥ｌ有限元分析模型
４．２摩擦片副的温度场 利用ＡＮＳＹＳ对摩擦片副进行瞬态耦合热弹接触
有限元分析，计算接排过程中摩擦片副的温度场。如 图７所示给出了离合器接排过程中不同时刻的温度 云图。
·４９·
研夯与分析
整个过程最大接触压力８．ＩＯＭＰａ，约为摩擦片平均正 压力的２．８倍。
计算可得摩擦片端面对流换热系数为２ ７６５ Ｗ／ （ｍ２·Ｋ）。 ４摩擦片副耦合热弹接触分析 ４．１有限元模型
将摩擦片和对偶片简化为当量圆盘，忽略内外花 键齿，采用模型，建立多对摩擦片副热弹接触轴对称 有限元模型，借助ＡＮＳＹＳ／ＡＰＤＬ程序，将各摩擦片副 的热流密度施加到对应的摩擦片接触面上，同时在热 对流面上给定相应的对流换热系数，见图６分析模型 所示。
表２ ＣＤ４０柴油机油的性能参数
密度比热
运动粘度（５０。Ｃ）
导热系数
ｐｆ／ｋｇ·ｍ。’ｃｆ／Ｊ·（ｋｇ·℃）～ｖｆ／ｍ２·８一ｈｆ／Ｗ·（ｍ·℃）。‘
８８０
１６００
６３×１０—６
０．１４４
摩擦片副的对流换热包括花键齿面对流换热和 端面对流换热。在分析摩擦片内外花键齿面对流换 热时，将其简化为当量圆柱面，对流传热系数计算公 式为㈨：
离合器齿轮内花键的摩擦力为Ｚ，摩擦片内齿与摩擦
片座外花键的摩擦力为Ｚ＋。，ｎ为摩擦片和对偶片接
触面总数。
Ｆｉ＝＿—３Ｔ茜Ａ 百
。‘一２础（Ｒ３一ｒ３）
（、２‘）’
．ｔ—ｉ＝舶，＇个兰 ２舶—ｉｃｏ—ｓｏｔ
【ｊ）
（３）ｄ
式中：正为摩擦片的扭矩；Ａ为摩擦片与对偶片的接
触面积；ｐ为摩擦面间的摩擦系数，取０．１；Ｒ为摩擦
·机械研究与应用·一硼究与分析
湿式多片摩擦离合器接排过程热结构耦合分析。
何泽银１，吕和生∽，林腾蛟１，潘丽１
（１．重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆４０００３０；２．重庆齿轮葙有限责任公司，重庆４０２２６３）
摘要：针对船用齿轮箱湿式多片摩擦离合器，考虑摩擦片与摩擦片座外花键、对偶片与离合器齿轮内花键问摩擦力
表１摩擦片副材料性能参数
图３摩擦片副受力分析
３传热边界条件
３．１摩擦副片间正压力计算
利用齿轮箱性能综合试验台测得离合器油缸中 工作油压力曲线如图２所示，接排时间为２．２ｓ。
２
Ｆ¨
己１．ｏ
盏¨
０
图２工作油压力试验曲线
假设工作油缸活塞作用在对偶片上的压力均匀 分布，为便于ＡＮＳＹＳ通过参数化命令流施加边界条 件，对压力曲线做最小二乘多项式拟合，可得接排过 程的工作油缸压力曲线方程为：
片外径；ｒ为对偶片内径；ｍ为花键副的摩擦系数，取 ０．１２；吐为花键副啮合时的节圆直径；ａ为花键副齿
形角。
万·４方８．数据
各摩擦副片间的受力关系为：
ｒＦｌ＋＾＝Ｎｌ
ｌ ｎ＋五＝Ｆ１
Ｉ
｛．．………。
（４）
Ｅ＋Ｚ＝‘一，
Ｉ…………
。Ⅳ２＋工＋ｌ＝Ｆ。
由式（２）一（４）可得第一片摩擦片受到的扭矩
为：
Ｔ１＝—ｉ３广Ａ砟 Ｎ—‘ １＿ｏＦ
中图分类号：ＴＨｌ３３．４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６—４４１４（２０１０）０５—００４７—０４
Ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗｅｔ ｍｕｌｔｉｄｉｓｋ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｌｕｔｃｈ ｄｕｒｉｎｇ ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ
Ｈｅ Ｚｅ—ｙｉｎｌ，ＬＶ Ｈｅ—ｓｈｅｎ９１’２，Ｌｉｎ Ｔｅｎｇ—ｊｉａ０１，Ｐａｎ １５１ （１．Ｓｔａｔｅ ｋｅｙ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ可ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３０，Ｃｈｉｎａ；
酮究与分析
·机械研究与应用·————－—————－－－－一
４ ｚ
鼍３
薹ｚ
斟１
摩擦片接触面ｊ
图５接排完成时花键齿间摩擦力分布
由图可知，各摩擦片间的正压力及花键齿间摩擦
力分布并不一致，随着摩擦片数的增加而不断减小。 接排完成时，第１个摩擦片副的正压力为２．８３ＭＰａ，
第２０个摩擦片副的正压力为２．１８ＭＰａ，仅为第１个
中摩擦片的角速度；ｌ。为离合器的结合时问。 ３．３对流换热系数计算
离合器采用ＣＤ４０柴油机油，其性能参数如表２ 所示。
式中：Ｌ为摩擦片、对偶片内外花键齿高；ｒ；为摩擦 片、对偶片内外花键齿分度圆半径，，＝１，２；ｍ为指数 常数；ｏｒ为润滑油的扩散率；ｔ，为润滑油的动力粘度；
∑ｑ。为圆周上新喷入润滑油的无量纲放热量总和： ∑ｑ。＝０．９８—０．３２（／３ＡＴ，）＋０．０６（肚ｔ）２—
万方数据
·４７·
一·机械研究与应用· 研夯与分析
５１７ｒａｍ，内圈直径为３５６ｍｍ，厚度为１２ｍｍ，材料为４５ 钢。离合器接排过程中，工作油缸进油推动活塞ｌ， 使摩擦片３和对偶片４逐渐压紧，摩擦片与对偶片间 相对滑动产生的滑摩功转化为热量，引起摩擦片温度 升高，大量的摩擦热可能导致摩擦片和对偶片过热 烧坏。
矧嗍飙脯怂隔７０删ｆｙ —ｒ＝２１１ｊ谝。…ｌ
蹦６０ ｙ
－一－ｒ＝２３１．ｈ 、
ｒ沁～ ５００Ｌ－矗而百丽再右面百荔面
蚓≥７｝０／
…、
簧６０ｆ ＝：裂：器＼
５０再Ｉ蕊而面百石而再矗面而商
作用，分析了摩擦片副间的正压力和花键齿间摩擦力的分布规律，并计算了摩擦片副的热流密度反对流换热
系数；利用ＡＮＳＹＳ建立了多对摩擦片副的热弹接触有限元分析模型，通过瞬态热结构耦合分析，得出接排过
程中摩擦片副间温度云图及温度沿径向、轴向分布规律，同时分析了摩擦片的热弹变形及片间接触压力。
关键词：高舍器；接排；热弹耦舍；接触；有限元法
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｅｔ ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋ ｃｌｕｔｃｈ；ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ；ｔｈｅｒｍｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｎｔａｃｔ；ｆｉｎ：ｒｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ
１引言 湿式多片摩擦离合器传递转矩大、承载能力强、
起动换向平稳、寿命长，广泛应用于船舶动力系统中。 在离合器接排过程中，摩擦片和对偶片滑摩发热，片 间局部温度较高，特别在频繁结合、高速、重载时，大 量的摩擦热可能导致摩擦片和对偶片过热烧坏。同 时滑摩过程可能使摩擦片和对偶片产生热膨胀，表面 温度分布不均和热应力，从而引起摩擦片变形，在离 合器频繁结合后，片间的接触面积将会锐减，可能造 成离合器丧失稳定性而失效。
目前，对于离合器摩擦片发热及变形分析，国内 外学者已作了较为深入的研究，建立了摩擦片的热传 导有限元模型，通过传热分析得出了离合器接排过程 中摩擦片温度分布规律【１“１；在此基础上，建立了多 对摩擦片副热弹接触模型，分析离合器接排过程中摩 擦片温度场及产生热斑的现象，并给出了摩擦片副间 接触压力变化规律。卜９｜。进一步考虑摩擦片与摩擦 片座外花键、对偶片与离合器齿轮内花键问摩擦力作 用，分析摩擦片副间的正压力和花键齿间摩擦力的分 布规律；同时利用ＡＮＳＹＳ建立多对摩擦片副热弹性
ｆｏ．０６４＋１．４８５３ｆ—Ｉ．８３７ｔ２＋
Ｐｏ＝｛
１．０７６ｔ３—０．１７５６ｔ４
（１≤２．２ｓ）
（１）
【
１．９４
（ｔ＞２．２ｓ）
如图３所示为摩擦片副受力图，活塞作用于对偶
片上的工作压力为Ｎ。，由工作油压力Ｐ０和活塞与对
偶片的作用面积九决定，右端壳体法兰对摩擦片副
的压力为Ⅳ２，摩擦片间的正压力为Ｆｊ，对偶片外齿与
速度；ｒｃ为摩擦面上任意点到圆心的距离。 假设对偶片与摩擦片的速度为线性变化规律，
主、从动片在工作油压力达到稳定时没有相对滑动，
则相对角速度为：
，ｊ－ｔＪ（ｚ）＝∞。一∞ｂ＝∞。（１一÷）
（１０）
‘ｊ
式中：ｍ。为主动片（对偶片）结合前的初始角速度；６０。
（ｔ）为结合过程中对偶片的角速度；哦（ｔ）为结合过程
（８）
将摩擦片副结构参数代人式（８），可得接排过程
任意时刻摩擦片副上正压力分布。如图４所示为接
排完成时各摩擦片间正压力分布曲线，此时摩擦片与
摩擦片座外花键、对偶片与离合器齿轮内花键间摩擦
力变化曲线如图５所示。
。ｌ ２
室壬８
筹２．４
崮２
峭１．６
０
４
８
１２
１６
２０
薛撩式撞融面ｉ
图４接排完成时各摩擦片间正压力分布
０．００４（ＩＢ△ｔ）’ 式中：△ｔ为内外花键齿面与润滑油的平均温差；ＪＢ 为粘度的温度变化系数。
计算可得，摩擦片齿面对流换热系数为５ ６８９ Ｗ／（ｍ２·Ｋ），对偶片齿面对流换热系数为５ １９０ Ｗ／ （ｍ２·Ｋ）。
计算端面对流换热时，引入圆盘表面润滑油的普 朗特数和雷诺数分别为
一警以＝宰
将润滑油相关参数代入上式，ｒ。取摩擦片副最大 半径，可以判定摩擦片副表面流动为层流，则端面对 流换热系数计算公式为：
２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｇｅａｒｂｏｘ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０２２６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｉｓｋｓ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｔｅｅｔｈ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｂｌｏｃｋ，ｍａｔｉｎｇ ｄｉｓｋｓ ａｎｄ ｉｍｅｍＭ ｔｅｅｔｈ ｏｆ ｃｌｕｔｃｈ ｇｅａｒ ｏｆ ｗｅｔ ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋ ｍａｒｉｎｅ ｄｕｔｃｈ，ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｉｓｋｓ Ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔｉｌ· ｂｕｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｅｅｔｈ ｗｅｒｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｅｅｔ五ｃｉｅｎｔ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｉｓｋｓ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ＡＮＳＹＳ，ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏ—ｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｕｔｃｈ ＷＡ．ａ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ａｆ－ ｔｅｒ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｌｕｔｃｈ ｉｎ ｅｎｇａｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｒｕｌｅ ｏｆ ａｘｉａｌ ａｎｄ １＂８－ ｄｉａｌ ｄｉｓｔｉｌｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｔｔｒｃ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｉｓｋｓ。陷ｗｅｌｌ ａｆｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｋｓ。ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
摩擦片副正压力的７７％。
３．２摩擦面热流密度计算
离合器接排过程中，摩擦面的热流量主要由正压
力、摩擦材料的摩擦系数、摩擦片副的尺寸、离合器的
转速以及离合器的接排时间综合决定，各摩擦片副之 问的热流密度并不相同。
摩擦面的热流密度可用下式计算：
吼’＝ｒ／／ｚｐｖ＝ｒ／／．ｔｐ；ｒ。甜
（９）
式中：，７为摩擦功变为热量的转化率，取为０．９５；ｐｉ为 摩擦片的正压力；∞为摩擦片和对偶片的相对滑动角
图ｌ 湿式多片摩擦离合器实体模型
摩擦片外圈直径为４９０ｍｍ，芯板内圈直径为 ３２６ｍｍ，摩擦层内圈直径为３２６ｍｍ，厚度为１３．６ｒａｍ， 其中芯片基板厚度１２ｒａｍ。对偶片有１０片，直径为
·项
目：重庆市自然科学基金计划资助项目（编号：ＣＳＴＣ，２００９ＢＢ３２０１）
收稿日期：２０１０—０９—１２
作者简介：何泽银（１９８５一），男。四川遂宁人，硕士，专业方向：机械设计及理论。
（５） ‘。
பைடு நூலகம்
２盯／ｚ（Ｒ３一ｒ３）。ｄｌＣＯＳＯｃ
第ｉ片摩擦片受到的扭矩为：
正‘ ＝—ｉ＿Ｆ３ｔＡｉ＿＿ｌ １丁 苹ｏ
（６） 、’
２掣（Ｒ３一ｒ３）’ｄｉＣＯＳＧＥ
利用式（２）一（４）及式（６）可得：
Ｆ；＝Ｆｉ—ｌ’（１一Ａ。）
（７）
式中：Ａ；为递减系数：
则各摩擦片受到的正压力为：
Ｐｉ＝ＰＨ ７（１一Ａｉ）
接触有限元模型，通过瞬态热结构耦合分析，研究接 排过程中摩擦片副瞬态温度、热弹变形及片间接触压 力的变化规律。 ２湿式多片摩擦离合器结构
如图１所示给出了船用齿轮箱湿式多片摩擦离 合器实体模型，主要由齿轮轴、摩擦片座、对偶片、摩 擦片、离合器齿轮、活塞等组成。其中摩擦片有ｌｌ 片，由两部分材料组成，一是芯片基板，材料为４５钢， 二是摩擦层，材料为铜基粉末冶金，如表１所示给出 了两种材料的物理特性参数。
”等豪）１／４’（等严∑ａｔ …）
万方数据
图６摩擦片哥ｌ有限元分析模型
４．２摩擦片副的温度场 利用ＡＮＳＹＳ对摩擦片副进行瞬态耦合热弹接触
有限元分析，计算接排过程中摩擦片副的温度场。如 图７所示给出了离合器接排过程中不同时刻的温度 云图。
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研夯与分析
整个过程最大接触压力８．ＩＯＭＰａ，约为摩擦片平均正 压力的２．８倍。