車(chē)輛離合器局部高溫區(qū)產(chǎn)生原因及其影響因素理論探討

魏鵬

中國(guó)人民解放軍65053部隊(duì)

車(chē)輛離合器局部高溫區(qū)產(chǎn)生原因及其影響因素理論探討

魏鵬

中國(guó)人民解放軍65053部隊(duì)

車(chē)輛離合器失效，主要原因是摩擦副表面的局部高溫，而摩擦副表面出現(xiàn)局部高溫的原因主要來(lái)源于車(chē)輛離合器在接合過(guò)程中出現(xiàn)的熱彈性不穩(wěn)定性。所以要討論車(chē)輛離合器局部高溫區(qū)產(chǎn)生的原因及其影響因素，首先要分析何為熱彈性不穩(wěn)定理論，在什么情況下會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入特彈性不穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而才能弄清楚在熱彈性不穩(wěn)定狀態(tài)下如何出現(xiàn)離合器局部高溫區(qū)及其影響因素。本文就熱彈性不穩(wěn)定理論展開(kāi)探討。

車(chē)輛離合器；局部高溫區(qū)；熱彈性不穩(wěn)定性；臨界速度

一、何為熱彈性不穩(wěn)定理論

熱彈性不穩(wěn)定理論是1969年由Barber提出的，主要是用來(lái)研究車(chē)輛摩擦原件在不均勻分布的溫度場(chǎng)中，如何引起材料的不均勻熱膨脹的過(guò)程。該理論認(rèn)為，局部高溫區(qū)的產(chǎn)生原因是離合器摩擦副相對(duì)速度大于臨界速度，系統(tǒng)進(jìn)入TEI狀態(tài)，而摩擦副表面受到不均勻的接觸壓力，是引起摩擦熱不均勻分布的主要原因，也是導(dǎo)致溫度場(chǎng)不均勻分布的主要因素。由于材料的熱脹冷縮性質(zhì)，在不均勻的溫度場(chǎng)中，材料會(huì)產(chǎn)生不均勻熱膨脹，而這種熱膨脹還會(huì)加重接觸面的非均勻性，如此惡性循混，在摩擦副相對(duì)速度不但增大的情況下，一旦相對(duì)速度大于臨界速度，將會(huì)加速溫度場(chǎng)的不均勻分布，最終迫使系統(tǒng)進(jìn)入熱彈性不穩(wěn)定狀態(tài)，即TEI，導(dǎo)致摩擦副表面的局部高溫，引發(fā)離合器失效。

二、引發(fā)熱彈性不穩(wěn)定狀態(tài)的影響因素

繼Barber提出的熱彈性不穩(wěn)定理論之后到今天，應(yīng)用有限元和仿真方法在研究TEI問(wèn)題中有了重大突破，系統(tǒng)發(fā)生TEI的因素有很多，摩擦副材料、臨界速度、遷移速度等等，下文將做詳細(xì)介紹。

（一）摩擦材料不同，導(dǎo)致材料熱變形不同

選用兩種不同的摩擦材料，一為紙基材料，二為金屬材料。在相同的溫度場(chǎng)中，不同的材料由于本身性質(zhì)、密度及熱擴(kuò)散率的不同，會(huì)產(chǎn)生不同的熱變形，其對(duì)應(yīng)不同的邊界條件，根據(jù)不同的邊界條件，可以解得兩種材料的溫度場(chǎng)擾動(dòng)關(guān)系，相關(guān)計(jì)算，在此不做詳細(xì)說(shuō)明。

（二）摩擦副材料的不同，導(dǎo)致臨界速度與遷移速度的不同

同樣選取紙基材料和金屬材料兩種摩擦材料，選用合金鋼作為對(duì)偶鋼片，進(jìn)行計(jì)算兩種不同材料的臨界速度和遷移速度，根據(jù)摩擦因數(shù)f＝0.3，對(duì)偶鋼片厚度2 a＝5mm,可以求出臨界速度，根據(jù)反對(duì)稱模型下的溫度場(chǎng)擾動(dòng)關(guān)系，可以求解出想相于鋼片的遷移速度。

可以得出以下結(jié)論：①不同的熱變形模型，在相同的溫度場(chǎng)中，臨界速度不同；②反對(duì)稱模型的臨界速度較對(duì)稱模型的?。虎蹖?duì)稱模型的臨界速度大于離合器的工作速度；④由以上三點(diǎn)可知，鋼片上的局部高溫呈反對(duì)稱分布，所以反對(duì)稱模型的臨界速度就是系統(tǒng)發(fā)生熱彈性不穩(wěn)定狀態(tài)（TEI）的臨界速度；⑤鋼片厚度一定時(shí)，不同波長(zhǎng)的擾動(dòng)可有不同的臨界速度；⑥鋼片厚度一定及擾動(dòng)波長(zhǎng)一定的情況下，系統(tǒng)發(fā)生TEI的臨界速度最?。虎咪撈系臒狳c(diǎn)位置會(huì)跟隨時(shí)間的推移而發(fā)生變化，且導(dǎo)熱性能好的材料，遷移速度更小。

正是由于臨界速度和遷移速度的存在，才會(huì)更易于促發(fā)TEI的發(fā)生，所以精確計(jì)算不同材料的臨界速度和遷移速度非常重要。

（三）導(dǎo)熱系數(shù)

要避免系統(tǒng)發(fā)生TEI，提高臨界速度是關(guān)鍵，而臨界速度與摩擦材料的導(dǎo)熱系數(shù)有著密切的關(guān)系。提高摩擦材料的導(dǎo)熱系數(shù)，可以促使摩擦熱向摩擦片傳導(dǎo)，有效減少鋼片的表面熱流，對(duì)減少鋼片表面局部熱點(diǎn)幾率和降低系統(tǒng)出現(xiàn)熱彈性不穩(wěn)定狀態(tài)的利率有很大幫助。所以高導(dǎo)熱系數(shù)的摩擦材料是設(shè)計(jì)高速或重載車(chē)輛的離合器的首先選擇。

三、以多片式離合器為例，解釋車(chē)輛離合器局部高溫區(qū)產(chǎn)生原因及其影響因素

多片式離合器失效也是摩擦副出現(xiàn)表面局部高溫區(qū)而導(dǎo)致對(duì)偶鋼片表面損傷的結(jié)果，根據(jù)局部高溫產(chǎn)生的原因及形式，可以將離合器局部高溫區(qū)分為粗糙型、畸變型、焦點(diǎn)型和區(qū)域型四種類(lèi)型。

首先，粗糙型高溫區(qū)出現(xiàn)主要是由接觸面的粗糙度所決定的，接觸面的粗糙程度，直接影響了摩擦副在滑摩過(guò)程中的瞬間高溫。其次是焦點(diǎn)型高溫區(qū)，該區(qū)的出現(xiàn)主要是有系統(tǒng)的熱彈性不穩(wěn)定引起的，如上文所說(shuō)，當(dāng)滑摩速度大于臨界速度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)TEI，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。此類(lèi)型的局部高溫，會(huì)灼燒接觸面，留下灼燒痕跡，故稱之為焦點(diǎn)型。而區(qū)域型和畸變型高溫區(qū)產(chǎn)生的原因分別是系統(tǒng)參數(shù)的不均勻性及熱變形所引起的，對(duì)離合器的性能影響不大，故不作詳細(xì)介紹。

對(duì)于多片式離合器出現(xiàn)局部高溫區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致離合器失效，除了與其高溫區(qū)的類(lèi)型密切相關(guān)外，還與離合器材料參數(shù)有關(guān)。

在研究離合器系統(tǒng)TEI狀態(tài)是的臨界速度中，還可以采取仿真方法進(jìn)行求解分析，因?yàn)椴牧祥L(zhǎng)度和擾動(dòng)波長(zhǎng)之比等于熱點(diǎn)數(shù)，所以在不同的擾動(dòng)模態(tài)下，會(huì)有不同的臨界速度。離合器接合超過(guò)臨界速度且滑摩時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，就有可能使得摩擦副產(chǎn)生熱點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入熱彈性不穩(wěn)定狀態(tài)。

四、總結(jié)

車(chē)輛離合器出現(xiàn)局部高溫區(qū)主要是因?yàn)殡x合器在工作過(guò)程中，進(jìn)入了熱彈性不穩(wěn)定狀態(tài)，在熱彈性不穩(wěn)定理論（TEI）的支持下，摩擦副表面溫度在不均勻的溫度場(chǎng)中有著不均勻的局部高溫區(qū)分布。所以影響摩擦副表面局部高溫的因素，即為影響離合器局部高溫的因素。通過(guò)上文的分析探討，和多片式離合器的案例分析，可以知道臨界速度、遷移速度、摩擦材料導(dǎo)熱性、擾動(dòng)波長(zhǎng)、彈性和對(duì)偶鋼片厚度等等因素皆可以引發(fā)摩擦副的表面局部高溫，觸發(fā)離合器進(jìn)入熱彈性不穩(wěn)定狀態(tài)，最終可導(dǎo)致離合器失效。

[1]趙家昕,馬彪.車(chē)輛離合器局部高溫區(qū)成因及其影響因素理論研究[J].北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，2011，24（5）：282-284.

[2]李和言，陳漫.多片式離合器局部高溫區(qū)成因與系統(tǒng)穩(wěn)定性研究[J].北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，2010，25(1):8—10.

魏鵬（1979-），男,漢族，河北省定州人，學(xué)歷：學(xué)士學(xué)歷，助理講師，主要研究方向：機(jī)械學(xué)，工作單位：中國(guó)人民解放軍65053部隊(duì)。