分離式離合器摩擦副有限元熱分析研究

白玉江，李長虹，趙先鋒

(貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

濕式多片分離式離合器是車輛變速箱動力傳遞的重要部件，它主要依靠摩擦片和對偶鋼片的摩擦作用來傳遞運動和扭矩。分離式離合器在頻繁的接合分離過程中，摩擦片、對偶鋼片產生相對滑動，對偶鋼片輸入的功率一部分消耗于克服摩擦做功，這部分功率轉換為熱量，使摩擦片溫度升高;同時，由于摩擦副接合分離時間較短，常由于冷卻和散熱不充分而造成其溫度快速升高［1］。由這兩方面的因素引起對偶鋼片的局部燒傷、翹曲等失效現象，從而影響整個動力傳動系統的正常工作。

1 分離式離合器工作原理

圖1 分離式離合器工作原理圖

分離式濕式離合器是使汽車發動機與變速箱結合和分離，從而實現傳遞力和扭矩與變速的重要零部件之一，它的結構如圖1所示，主要由對偶鋼片、摩擦片、軸、液壓活塞、油道、回位彈簧、外轂等零部件構成。當離合器接合時，工作液壓油就會經過油道進入活塞右側的液壓油缸內，活塞隨著壓力油壓力的增大向左側運動并逐步推動摩擦片與對偶鋼片接觸到完全壓緊;同時從變速箱傳遞的力和扭矩通過對偶鋼片與摩擦片摩擦作用傳遞到輸出軸上，實現動力傳輸。當離合器分離時，控制油路與油箱連通，活塞會隨著液壓油缸液壓力的減小并在回位彈簧的作用下向右側運動，那么對偶鋼片與摩擦片就會在高速旋轉下迅速分離，實現動力切斷。

2 摩擦傳熱學基本理論

2.1 摩擦生熱原理

分離式離合器對偶鋼片與摩擦片的表面有一定的表面粗糙度，當摩擦片與對偶鋼片接觸時在表面的微凸體上形成摩擦接觸，對偶鋼片與摩擦片就會因摩擦而產生熱量，形成摩擦生熱。

2.2 傳熱基本理論

用有限元進行熱分析時必須要遵守熱力學第一定律，即能量守恒定律。假設在進行熱分析過程中忽略對偶鋼片與摩擦片的質量的磨損，那么熱力學第一定律可以表達為［2］:

式中，Q—熱量;W—做功;ΔK—系統動能;ΔU—系統內能;ΔP—系統勢能。

2.3 傳熱過程基本分析

熱量從系統的一部分轉移到另一部分或從一個系統轉移到另一個系統的現象叫傳熱。熱傳遞的基本形式有三種:第一種是熱傳導過程，第二種是熱輻射過程，第三種是熱對流過程。

2.3.1 熱傳導過程

完全接觸的兩個物體之間或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內能的交換定義為熱傳導。熱傳導速率決定于物體內部的溫度場的分布情況。熱傳遞遵循傅里葉定律:

式中:q—熱流密度(W/m2);

K—熱傳導系數(W/(m·k));

“-”號—熱量流向溫度低的方向。

2.3.2 熱對流過程

對流換熱是指某一固體壁面和它溫度不相同的且與它有著相對運動的流體之間發生接觸時，流體與固體壁面之間的熱量交換現象。對流換熱有兩大類，自然對流換熱和強制對流換熱。對流換熱的基本運算公式采用牛頓冷卻公式［2］:

q=h(Ts-Tb)

式中:h—對流換熱系數(W/m2℃);

Ts—固體壁面溫度(℃);

Tb—周圍流體的溫度(℃)

2.3.3 熱輻射換熱過程

物體發射電磁能，并被其他物體吸收轉變為熱的熱量交換過程叫做輻射換熱。物體溫度越高，單位時間內輻射的熱量越多。某一個表面所能輻射的最大熱流密度我們可以通過斯蒂芬—玻爾茲曼方程計算得出［3］:

Q=εσA0F01(T04-T14)

式中:Q—熱流率;

T0—輻射面0的熱力學溫度(℃);

T1—輻射面1的熱力學溫度(℃);

σ—史蒂芬—波爾茲曼常數(σ=5.67×10-8W/(m2K4));

A0—輻射面0的面積(mm2);

F01—輻射面0到輻射面1的形狀系數。

3 分離式離合器摩擦副瞬態熱分析

3.1 摩擦副簡單建模

如圖2所示是在三坐標下建立的分離式離合器摩擦副的對偶件，它包括摩擦片與對偶鋼片，摩擦片材料由芯體材料40Cr和表面紙基材料構成，對偶鋼片材料是65Mn;離合器摩擦副中對偶鋼片與摩擦片是相間布置的。

圖2 分離式離合器摩擦片與對偶鋼片

對分離式離合器摩擦副的溫度場有限元分析時，為方便研究摩擦片和對偶鋼片的溫度場與應力場分布狀況，需要對摩擦片和對偶鋼片進行一些假設［4］:

1)對偶鋼片和摩擦片的接合過程時間較短，因此，可以忽略冷卻和輻射所帶走的熱量。

2)摩擦所產生的熱量全部被對偶鋼片和摩擦片吸收。

3)忽略對偶鋼片和摩擦片在接合過程中的磨損，且對偶鋼片與摩擦片材料的物理性能不隨溫度而變化。

摩擦片襯片材料為紙基摩擦材料，摩擦片芯片材料為40Cr，對偶鋼片的材料為65Mn。摩擦片和對偶鋼片的材料屬性如表1所示。

表1 摩擦片與對偶鋼片材料屬性

3.2 離合器有限元仿真結果分析

為分析分離式離合器在接合時間和轉速發生變化時應力和溫度的變化規律，按摩擦片與對偶鋼片接合過程時間分別為0.1 s、0.3 s，油壓為2.1 MPa，轉速分別為2 500 r/min、5 435 r/min，摩擦系數為0.15的假設條件進行了有限元仿真計算，結果如下:

如圖3所示，左圖是對偶鋼片在轉速為2 500 r/min時的應力分布圖，整個接合面的應力分布相對比較均勻，最大應力為6.655 4 MPa;右圖是對偶鋼片在轉速為5 435 r/min時的應力分布圖，整個接合面的應力分布也比較均勻，外邊緣的應力較大，最大應力為7.689 7 MPa。

圖3 接合時間為0.1 s的對偶鋼片應力分布

如圖4所示，左圖是摩擦片在轉速為2 500 r/min時的應力分布圖，最大應力為21.794 MPa;右圖是摩擦片在轉速為5 435 r/min時的應力分布圖，最大應力為20.962 MPa;這兩幅圖可以看出接合面上的應力分布比較均勻，摩擦片內邊緣的應力分布比較集中。

圖4 接合時間為0.1 s的摩擦片應力分布

圖5所示為結合面溫度的變化情況。左圖顯示轉速為200 r/min時，接合面的最高溫度為123.348℃;右圖顯示轉速為5 435 r/min時，接合面最高溫度為241.899℃。說明當接合時間一定時，隨著轉速增加，摩擦副溫度也會隨之升高。

圖5 接合時間為0.1 s的摩擦副溫度分布

如圖6所示，左圖是對偶鋼片在轉速為2 500 r/min時的應力分布圖，最大應力為6.632 2 MPa;右圖是對偶鋼片在轉速為5 435 r/min時的應力分布圖，最大應力為6.632 2 MPa。這兩幅圖可以看出應力主要分布在靠近外邊緣的環形帶上。

圖6 接合時間為0.3 s的對偶鋼片應力分布

如圖7所示，左圖是摩擦片在轉速為2 500 r/min時的應力分布圖，最大應力為21.422 MPa;右圖是摩擦片在轉速為5 435 r/min時的應力分布圖，最大應力為21.034 MPa;這兩幅圖可以看出接合面上的應力分布比較均勻，摩擦片內邊緣的應力分布比較集中。

圖7 接合時間為0.3 s的摩擦片應力分布

圖8所示為結合面溫度的變化情況。左圖顯示轉速為2 500 r/min時，溫度為192.86℃;右圖顯示轉速為54 35 r/min時，溫度為401.156℃。說明當接合時間一定時，隨著轉速增加，摩擦副溫度也會隨之升高，升高的幅度加大。

圖8 接合時間為0.3 s的摩擦副溫度分布

4 結論

本文基于ANSYS workbench軟件對分離式離合器摩擦副的應力場與溫度場進行計算，分析摩擦副不同的接合時間和轉速對應力分布與溫度分布的影響，雖然不能得到摩擦副溫度的具體分布狀況，但可以得出如下結論:

1)在接合壓力和摩擦系數不變的情況下，接合時間和轉速變化對對偶鋼片和摩擦片的應力變化的影響不是很明顯。對偶鋼片應力主要分布在靠近與傳輸動力的輪轂花鍵連接的對偶鋼片外邊緣，摩擦片應力主要分布在與輸出動力的軸花鍵連接的摩擦片內邊緣。

2)在接合壓力和摩擦系數不變的情況下，轉速和接合時間變化對離合器摩擦副溫度變化的影響較大。隨著轉速增加，摩擦副溫度也會隨之升高;結合時間對摩擦副溫度變化的影響比轉速變化的影響更加明顯，并且在高轉速的情況下比在低轉速的情況下的影響更加明顯。

3)通過分析轉速和接合時間對摩擦副溫度分布的影響，為下一步研究摩擦副在空轉時由于溫度升高而造成對偶鋼片燒損問題的應對措施有一定的參考意義。

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