汽车起步离合器摩擦片热变形分析

2014年2月第39卷第2期润滑与密封LUBRICAT10NENGINEERINGFEB2014VOL|39NO2DOI103969JISSN02540150201402015汽车起步离合器摩擦片热变形分析朱茂桃刘雪莱钱洋江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江212013摘要建立汽车起步离合器的动力学模型，仿真计算出汽车起步时离合器结合产生的滑磨功及摩擦片与周围空气的对流换热系数；建立摩擦片的有限元模型并进行热结构耦合分析。结果表明，汽车起步时，离合器接合摩擦片最高温度达到了755OC，摩擦表面温度由摩擦片内缘向外逐渐升高；汽车起步时摩擦片最大热变形量达到0O114IIN，其热变形形式为径向膨胀，轴向波浪式翘曲变形。关键词离合器；摩擦片；温度场；热变形中图分类号TH1334文献标识码A文章编号02540150201420764THERMALDEFORMATIONANALYSISOFCLUTCHFICITONPLATEINVEHICLESTARTPROCESSZHUMAOTAOLIUXUELAIQJANYANFLSCHOOLOFAUTOMOBILEANDTRAFFICENGINEERING，JIANGSUUNIVERSITY，ZHENJIANGJIANGSU212013，CHINAABSTRACTTHEMATHEMATICALMODELOFCLUTCHCOMBINATIONPROCESSWASESTABLISHED，ANDTHECLUTCHFRICTIONWORKINVEHICLESTARTPROCESSANDTHECONVECTIVEHEATTRANSFERCOEFFICIENTOFFRICTIONPLATEWITHAIRWERECALCULATEDTHEFINITEELEMENTMODELOFTHEFRICTIONPLATEESTABLISHEDANDTHERMOMECHANICALCOUPLINGANALYSISOFTHEFRICTIONPLATEWASPERFORMEDTHERESULTSSHOWTHATTHEHIGHESTTEMPERATUREOFFRICTIONPLATEREACHESTO755INTHESTARTPROCESSOFVEHICLETHEFRICTIONSURFACETEMPERATUREISGRADUALLYINCREASEDFROMTHEINNEREDGETOTHEOUTEREDGEOFFRICTIONPLATEMAXIMUMTHERMALDEFORMATIONREACHES0O114MMINTHESTARTPROCESSOFVEHICLETHEFRICTIONPLATEHEATDISTORTIONISRADIALEXPANSION，AXIALWAVESWARPINGKEYWORDSCLUTCH；FRICTIONPLATE；TEMPERATUREFIELD；THERMALDEFORMATION摩擦片是离合器从动盘总成中的主要零件，在滑摩状态下其摩擦面产生高温，进而对离合器性能及强度产生很大的影响。离合器结合过程中，摩擦片与飞轮和压盘产生相对滑动，由于摩擦做功，产生了热量，使摩擦片接合区域温度升高，过高的温度会引起摩擦片的变形。由于离合器的工作环境相对封闭，这些热量无法及时散出，使得摩擦片温度在短时间内急速升高，从而引起摩擦片的热变形，结果导致摩擦片局部磨损加剧，压盘分离不彻底，降低离合器使用寿命。本文作者通过MATLABSIMULINK建立起汽车起步动力学模型，计算起步时离合器产生的滑磨功，并分析出滑磨功与热流密度之间的关系。利用ANSYS对摩擦片进行热结构耦合分析，得出在离合器结合过收稿日期20130709作者简介朱茂桃1963一，男，博士，教授，主要从事车辆及其零部件现代设计方法与实验技术方面的研究EMAILZHUMTUJSEDUCN程中摩擦片温度以及热变形情况，为摩擦片的设计与改进提供依据。1摩擦片热边界条件的确定11热流密度的确定在汽车起步时，摩擦片上产生的热量是由于离合器接合时压盘和摩擦片之间的滑转而生成的滑磨功引起的，由于离合器接合是一个时间很短的瞬态过程，在此，需要做几个假设1摩擦产生的热量完全用于摩擦片和压盘的升温；2摩擦片材料均匀且摩擦因数不随温度的变化而变化；3将摩擦片认为是无限大平壁，摩擦过程中热量不存在径向传导。将摩擦片视为一个无限大平壁，因此，三维温度场问题转化成为一个二维平面温度场问题。离合器在接合过程产生的热量是由于摩擦所引起的，摩擦面上的热流密度为Q掣11式中T为单位时间内通过导热面积的热量；S2014年第2期朱茂桃等汽车起步离合器摩擦片热变形分析为导热面积；量。QT为单位时间内通过单位面积的热流12对流换热系数的确定通过计算可以得出，在汽车起步离合器接合的过程中，摩擦片某一点上产生的滑磨功率与热流密度的关系为帅2式中R。、R分别为摩擦片的内径和外径；R为所研究点的半径；NT为滑磨功率随时间变化的函数。建立汽车起步传统系统动力学模型，利用MATLABSIMULINK仿真得出汽车起步阶段的滑磨功与滑磨功率，如图1、2所示。L412108霪熟42O141囊0图1滑磨功FIG1FRICTIONWORK图2滑磨功率FIG2FRICTIONPOWER为了研究方便，在离合器接合过程中，假设摩擦产生的热量全部被压盘和摩擦片吸收；而两者吸收的热量之比，即热流分配因数K与材料的物理性质相关，并满足如下关系引A一1CLP1。3式中A、A、C、C、P、P分别表示摩擦片和压盘的导热系数、比热容和密度。联合式2、3得到摩擦片表面热流密度的表达式为4式中QT为单位时间内通过摩擦片表面的热流量。因为摩擦片在接合过程中因摩擦导致的升温不是很高，所以在这里忽略热辐射的影响。在整个接合过程中，摩擦片散热主要依靠与周围空气的对流换热。对流换热系数与摩擦片的转速和表面温度有关，很难确定。本文作者采用盘式对流换热系数经验公式004AADRE。RE2410107DRE24L0式中A为空气导热系数；D为压盘直径；RE为雷诺数。利用前面已经建立的汽车起步传统系统动力学模型，计算出汽车起步时压盘对流换热系数，如图3所示图3摩擦片对流换热系数FIG3CONVECTIVEHEATTRANSFERCOEFFICIENTOFFRICTION2摩擦片热变形分析21有限元模型的建立在CATIA中建立离合器摩擦片的三维模型，略去倒角等不必要的特征后导人ANSYS进行网格划分。划分单元选用四面体SOLID187单元，划分完成的有限元模型包含127366个节点，73353个单元。摩擦片的有限元模型如图4所示。图4摩擦片有限元模型FIG4THEFINITEELEMENTMODELOFTHEFRICTIONPLANE22边界条件的处理以及载荷的施加1将热流密度施加到摩擦片的摩擦面上。摩如加0一目参一峨瘊爆靛2014年第2期朱茂桃等汽车起步离合器摩擦片热变形分析79表1汽车起步摩擦片各向热变形TABLE1THETHERMALDEFORMATIONOFFRICTIONPLANEUNDERNORMALSTARTCONDITION摩擦片在切向上的变形远小于径向和轴向的热变形。径向上的变形主要表现为摩擦片外缘受热向外膨胀，整个摩擦片外径有扩大的趋势。由于有铆钉孔的控制，轴向上只是在远离钉孔的部分有一定程度的翘曲变形，在轴向上近似成波浪式的翘曲变形。由于受到压盘的压紧力，摩擦片翘曲的变形量不大，但是波浪式的翘曲变形会导致摩擦片局部磨损不均匀。4结论1建立了汽车起步离合器的动力学模型，仿真计算出了在汽车离合器接合产生的滑磨功率以及摩擦片与周围空气的对流换热系数。2在汽车起步时，离合器接合摩擦片最高温度达到了755。最大温升并没有出现在结合过程结束的时刻，主要是因为在结合快要结束时，滑磨功率快速降低。3摩擦片的摩擦面温度随着半径的增大近似呈线性增长，并且温度都是随着时间的变化先急速增加再缓慢下降。由于结合时间短，摩擦片材料导热性较差，远离摩擦片表面的部分温度变化不明显。4摩擦片在切向上的变形很小，可以忽略。在径向上摩擦片表现为受热向外膨胀，而在轴向上因为有铆钉的固定，以及轴向上的位移约束，变形表现为在没有铆钉的部分有翘曲变形，整体上就形成了波浪式翘曲变形，这会导致摩擦片局部加剧磨损，降低摩擦片的使用寿命。因此在设计过程中应将这部分设计得略内凹的形状来适当地抵消轴向上的翘曲变形。参考文献【1】陈金国，殷小亮，龚友平，等离合器摩擦片的热一应力耦合分析J机电工程，2008，2512100102CHENJINGUO，YINXIAOLIANG，GONGYOUPING，ETA1COUPLINGHEATSTRESSANALYSISOFTHEFRICTIONDISKINCLUTCHJMECHANICALELECTRICALENGINEERINGMAGAZINE2008，2512100102【2】杨勇强，周明贵，张曼，等离合器摩擦片热变形有限元分析J机械设计与制造，200725557YANGYONGQIANG，ZHOUMINGGUI，ZHANGMAN，ETA1THERMALDEFORMATIONFINITEELEMENTOFCLUTCHFICTIONPLATEJMECHANICALDESIGNANDMANUFACTURE，200725557【3】曲艳阳微型汽车离合器温度场研究D武汉武汉理工大学机电工程学院，2008【4】YUANMAOHUANG，SHIHANCHENANALYTICALSTUDYOFDESIGNPARAMETERSONCOOLINGPERFORMANCEOFABRAKEDISKJSAETECHNICALPAPER20060106922006【5】邓涛，胡丰宾，孙东野湿式多片离合器的热弹性失稳分析J汽车工程，2012，4710918922DENTAO，HUFENGBIN，SUNDONGYEANANALYSISONTHETHERMOPLASTICINSTABILITYOFWETMULTIDISCCLUTCHJJOURNALOFAUTOMOTIVEENGINEERING，2012，4710918922【6】严正峰，盛学斌395膜片弹簧离合器校核设计J汽车技术，200452326YANZHENGFENG，SHENGXUEBINDESIGNANDREVIEWOFTHE6395DIAPHRAGMSPRINGCLUTCHJAUTOMOBILETECHNOLOGY，200452326【7】张学勇，刘沃野，王平，等离合器摩擦片升温分析J润滑与密封，2000，2521719ZHANGXUEYONG，LIUWOYE，WANGPING，ETA1THEANALYSISOFTHETEMPERATURERISEOFTHEFRICTIONDISKJLUBRICATIONENGINEERING，2000，2521719【8】王会刚，国善龙，赵微丽，等基于SOLIDWORKS摩擦片式离合器有限元分析J机械设计与制造，20106384OWANGHUIGANG，GUOSHANLONG，ZHAOWEILI，ETA1FEMANALYSISOFFRICTIONPLATECLUTCHBASEDONSOLIDWORKSJ_MECHANICALDESIGNANDMANUFACTURE，201063840【9】胡建军，李光辉，伍国强，等汽车起步过程离合器传递转矩精确计算分析J汽车工程，2008，301210831086HUJIANJUN，LIGUANGHUI，WUGUOQIANG，ETA1ACCURATECALCULATIONOFCLUTCHTORQUETRANSMISSIONDURINGVEHICLESTARTINGJAUTOMOTIVEENGINEERING，2008，301210831086973项目“高性能合成润滑材料设计制备与使役的基础研究”年度工作会议在河南大学举行以刘维民院士为首席科学家的国家重大基础研究计划“高性能合成润滑材