離合器滑摩過程及瞬態溫度分析

易延泰

摘 要：對離合器接合過程動力學特性進行了分析研究，建立了離合器接合過程的動力學模型。通過分析接合過程中轉速與摩擦力的大小及變化，得出摩擦片摩擦生熱規律。最后通過fluent軟件分析離合器接合過程中的溫度變化規律。

關鍵詞：摩擦片；離合器；瞬態溫度

在摩擦片式離合器接合過程中，摩擦片上的摩擦力一方面起到傳遞扭矩的作用，使輸出軸的轉速逐漸與輸入軸轉速同步；另一方面由于轉速差的存在，摩擦力在摩擦表面做功而產生大量的熱。由于接合時間比較短，因此在短時間內摩擦表面的溫度會急劇升高。如果摩擦表面層在接觸瞬間的溫升過高，除了使摩擦系數急劇改變以外，還會引起摩擦片的材料結構的變化，發生離合器失效等惡劣情況。因此有必要對摩擦片式離合器接合過程的瞬態溫度場進行分析。

本文采用理論分析與有限元分析相結合的方法，首先通過動力學分析得出離合器輸入軸與輸出軸相對轉速，結合試驗得到的接合時間、摩擦片正壓力加載曲線，計算得到摩擦片表面摩擦生熱量與時間的函數關系，然后采用Fluent軟件計算離合器二維軸對稱瞬態溫度場，其中摩擦生熱以內熱源的形式加載進摩擦表面。

1離合器接合過程

摩擦式離合器接合過程分為4個階段（如圖2所示）：第一階段（0-t1段），油壓逐漸升高推動摩擦片作動筒軸向運動，消除摩擦表面間的間隙；第二階段（t1-t2段），當間隙消除后，隨著壓力的逐漸增加，摩擦片上的摩擦力逐漸增加，即摩擦扭矩逐漸增大，但此階段摩擦扭矩不足以克服負載扭矩（包括輸出軸所受到的摩擦阻力扭矩），輸出軸靜止不動；第三階段（t2-t3段），油壓進一步增加，摩擦片上摩擦力也進一步增加，摩擦扭矩大于負載扭矩，輸出軸轉速開始增加，直至輸入輸出軸轉速相等，達到穩定狀態；第四階段（t3-t4段），輸入軸與輸出軸的角速度達到穩定，油壓繼續增加到最大，此時摩擦扭矩最大。

2動力學分析

本試驗中輸入軸的轉速在接合過程中保持不變，因此僅需分析輸出軸的轉速變化規律。

在離合器接合第三階段，輸出軸轉速的計算公式為：

式中 為摩擦面上的摩擦驅動力矩， 為輸出軸上的負載扭矩， 為輸出軸所受到到摩擦阻力矩，J為輸出軸轉動慣量， 為輸出軸的角加速度， 為輸出軸轉速，t為時間。

由于摩擦片為盤狀結構，假定接合過程中摩擦面完全貼合，所受壓強均勻分布，則輸出軸所受摩擦驅動扭矩 為：

式中，z為摩擦副（一對摩擦面）的數目，μ為摩擦系數，P為摩擦面上的正壓強，r1和r2分別為摩擦盤接觸面的內徑和外徑。

對式（2）積分可得：

將公式（3）帶入公式（1）并積分可得：

式中：

由于壓力為線性加載，設：

將式（6）代入式（4）并積分可得接合過程（第三階段）中輸出軸轉速計算式：

式中t3≥t≥t2， 。邊界條件為： ， 。式中 為輸入軸轉速。

3摩擦生熱分析

一對摩擦面上單位時間的總摩擦生熱為：

式中 為輸入軸的轉速， 為輸出軸轉速。

將式（6）、式（7）帶入式（8）并積分，得

式中：

每個摩擦面上熱量分配按下式計算[2]：

式中：

：動摩擦片吸熱量

：動摩擦片比熱

：動摩擦片導熱系數

：靜摩擦片吸熱量

：靜摩擦片比熱

：靜摩擦片導熱系數

由于本文的離合器摩擦片均采用同一種材料：碳-碳復合材料，因此：

3 瞬態溫度分析

試驗參數見表1。

將試驗參數代入相關公式，可得輸出軸轉速曲線和摩擦生熱曲線，見圖4和圖5。

采用Fluent軟件對離合器進行二維軸對稱瞬態溫度計算，計算模型見圖6。計算時以油壓初始加載的時刻為0時刻，油壓逐漸增壓消除間隙到動、靜摩擦片剛好接觸的時間需要約0.72s，靜摩擦片從接觸瞬間到轉速達到輸入轉速的時間約為2.03s（即在2.75s時刻完成接合），載荷步長0.01s，計算時間為5s，室溫為27℃。摩擦面的摩擦生熱率以內熱源的形式平均加載在摩擦面上。在模型外表面加載第三類邊界條件。

在摩擦片上取3個節點分析發現（見圖6），在初始的0.72s內因摩擦片未接觸，不產生熱量，摩擦片的溫度不變。之后，摩擦片的溫度迅速上升。從圖7中可見，摩擦面附近的溫度（如節點1）在接合過程中快速上升，在接合還未完成時（大約2.56s時刻）溫度達到最大值，然后溫度開始下降。這主要是由于初始時摩擦產生的熱量因材料熱容的原因，在摩擦表面附近堆積，導致溫度升高；之后由于溫度升高過快，與周圍的溫差大，熱傳導作用大于摩擦生熱作用，熱量向周圍傳遞，溫度下降；到接合完成后，由于摩擦面不再產生熱量，在熱傳導的作用下，溫度繼續下降。

離摩擦片稍遠的位置，如節點2、節點3的溫度，在接合過程中一直處于上升的趨勢，接合完成一段時間后溫度才達到最高值，這是因為熱流傳導需要一定的時間，在摩擦生熱為0時，仍有熱流傳來，使其溫度上升。

4 結論

采用理論分析與有限元分析相結合的方法，通過理論分析得出了接合過程中摩擦式離合器輸出軸的轉速及摩擦生熱隨時間的變化規律；再通過有限元軟件對離合器接合過程瞬態溫度場進行了計算，得出了摩擦片在接合過程中的溫度變化規律。該方法對摩擦式離合器滑摩過程及溫度場分析具有一定的實際意義。

參考文獻

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[2] L.魯道夫.汽車制動系統的分析與設計[M].張蔚林，陳名智.北京，機械工業出版社，1985.

[3] 陳惠亮，武秀根，付昆昆，等.摩擦式離合器滑摩過程及溫度場分析[J]，計算機輔助工程，2010，19（4）.