基于ABAQUS的濕式離合器摩擦副溫度場有限元模擬

吳 瑾 ，李 樂 ，王立勇 ，2

（1.北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192；2.北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

濕式離合器作為汽車在起步和換擋時重要工作部分，離合器的主要部件是摩擦副，摩擦副由對偶鋼片和摩擦片組成，摩擦片則由摩擦襯片和摩擦基片燒結而成。濕式離合器比干式離合器磨損小、性能穩定、工作壽命長、轉矩容量大、控制簡單、接合平穩。在離合器結合的短暫時間內，對偶鋼片和摩擦片之間的摩擦會產生熱量，使對偶鋼片和摩擦片的溫度升高，致使離合器失效。實驗表明，濕式換擋離合器的失效形式通常是因為換擋瞬間溫升過高，盤面溫度和應力梯度過大，從而導致摩擦副的翹曲變形，甚至燒結為一體。因此，研究離合器在一般接合過程中摩擦副的溫度場變化，可以為離合器摩擦副溫度變化的研究提供參考模型。使用ABAQUS建立濕式接合離合器摩擦副的3D有限元模型，考慮摩擦接觸、相對旋轉運動和熱機耦合等因素，研究接合過程影響摩擦副接觸表面的溫度場分布的一些情況。

圖1 濕式離合器摩擦副鋼片和摩擦片有限元模型

1 三維有限元模型的建立

濕式換擋離合器是很多片環狀對偶鋼片和摩擦片相間分布組成的，見圖1。由于離合器摩擦副結構和載荷的軸對稱性，只需取一對摩擦副進行分析，且摩擦片和對偶鋼片各取1/2厚度。一般情況下濕式摩擦片表面具有油槽，但一般情況下油槽結構對溫度場的影響可以忽略，故不考慮油槽的影響。此外，對摩擦片結構進行簡化，認為摩擦片表面是平的。

1.1 摩擦生熱原理

摩擦副接合界面間摩擦生成的熱量可用熱流密度描述，見式（1）。

其中，μ 為摩擦因數，p 為接觸壓力（MPa），ω（t）為相對角速度（rad/s），r為半徑（mm），t為摩擦時間（s）。熱流總量均與上述因素有關，。

摩擦生成的熱量在鋼片和摩擦片間根據比例系數K進行分配，見式（2）。

其中，K是熱分配比例系數，與材料導熱系數λ、比熱容C（j/（kg·℃））、密度（（kg/m3））相關，由材料自身性質所決定；下標f和s分別表示摩擦片和鋼片。

1.2 對流換熱

濕式離合器工作時，冷卻油經離合器軸向孔道和徑向孔道高速噴出，在旋轉運動和離心力作用下沿油槽由內徑向外徑處流動，最后在外環面處流出。根據冷卻油的運動狀態將整個冷卻過程等效為3種不同的對流換熱模型。

冷卻油在摩擦片間的流動既有切向流速，又受離心力作用，將其等效為非圓形內部強制對流換熱模型，對流換熱系數計算，見式（3）。

鋼片與摩擦片間存在相對滑動，冷卻油在摩擦副片間流動的時候掃略過鋼片接觸面，其可以等效為橫掠平板對流換熱，其對流換熱系數，見式（4）。

摩擦副的外端面處于旋轉狀態，與外界環境中的空氣存在對流換熱作用，可以等效為橫掠圓柱體強制對流換熱模型，其對流換熱系數，見式（5）。

其中，hf，hs，hC依次為摩擦片接觸面、鋼片接合面、摩擦副外端面的對流換熱系數；ReL，Rer，ReC依次為冷卻3種同流動模型下的臨界雷諾數；λL，λA分別為冷卻油液和空氣的導熱系數；PrL，PrA分別為冷卻油液和空氣的普朗特數；de，dL分別為當量直徑和摩擦副外徑(mm)；lr為油槽特征長度（mm）。

1.3 材料特性

本研究對象濕式多片離合器采用的摩擦片由65Mn芯板和粉末冶金工藝制造的以銅鍍層組成，對偶鋼片材料為65Mn鋼，摩擦片內徑與外徑分別為85 mm和125 mm，厚度為2 mm；對偶鋼片內外徑為85 mm和125 mm，厚度為3 mm，鋼片外齒數為18，幾何尺寸見表1。

表1 摩擦副幾何尺寸

摩擦副材料屬性，見表2。

表2 摩擦副材料屬性參數

在模擬仿真設置中，假設摩擦材料各項同性，摩擦過程中溫升明顯，對偶鋼片導熱系數隨溫度變化，如表3所示。

2 摩擦副溫度場模擬結果

考慮在濕式離合器的工作過程，設定摩擦副初始油溫環境溫度設置為25℃，采用熱機耦合的方法，得到的對偶鋼片溫度場隨時間變化的規律。

由圖2所示對偶鋼片溫度分布情況，在離合器摩擦副接合初期，對偶鋼片盤面溫度分布差異不明顯，隨著時間的推移，對偶鋼片外圓和中間位置溫度逐漸升高，溫度梯度明顯，盤面中間位置高溫區呈圓環分布，且圓環帶隨時間的增加逐漸變寬，摩擦副接合后期，盤面溫度呈中間高，兩側低的對稱分布，且最高溫出現在中間圓環位置，外圓位置轉速較高，對流換熱量較大，內圓位置一直有冷卻油流過，熱量也不會積聚過多，所以兩側溫度較低。盤面溫度梯度的增長可能會導致熱失穩現象；在多次高壓力，高轉速接合下對偶鋼片會產生熱彈性變形。在t＝0.4 s時，對偶鋼片的最高溫度達到最大值，原因是在t＝0.01 s時施加了瞬時作用力。

表3 對偶鋼片導熱系數

圖2 對偶鋼片溫度分布云圖

3 結論

鋼片接觸面的溫度場是非均布的，溫度場的瞬態變化規律，在離合器摩擦副接合過程中，盤面溫度呈中間高，兩側低的對稱分布，且溫度場形成的圓環帶隨時間的增加逐漸變寬，但到達一定的時間后溫度不再增加。離合器摩擦副接合過程中高溫區出現在中外圓位置，沿周向呈圓環分布但不呈連續帶狀，徑向溫度存在明顯梯度，盤面中間溫度高邊緣低。